高壓或浮接電源的示波器量測 (經驗小品 - 002)－黎煥欣的工作部落格

黎煥欣 Li Huan Hsin '08-3-08

最近計劃中, 常常為一些電力系統或真空幫浦的問題困擾, 當然除了一般的電壓電流量測 (拿個三用電表或鉤表去量) 之外, 有些問題還是要深入儀器內部線路看電壓隨著時間的變化(就是波形...有時還是高壓波形, 如 60Hz 的電源.) 拿著示波器的探針. 要量的時候...... 只見火花一閃, 輕者保險絲燒掉, 重則儀器或示波就燒了...... 那要如何量側, 而不會爆火花呢?

下圖是一個典型的高壓輸入濾波電路, 我們要量測它的 ripple, 那我們的示波器探棒的地, 要夾那一個?

答案是 "都不行"

因為那兩個點, 不管是誰, 對示波器的地都有 100V 的壓差.

假如你嘗試去夾的話, 你會得到佷狀觀的火花, 然後看誰比較耐....

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底下是另一個例子, 在馬達驅動器或變頻器裡很常見.

我們要量測功率晶體的驅動級, 它操作的電壓大約 12v - 15V, 這應該沒有問題吧. 上圖的 Probe 地夾在7805 的地上, 好像很好的樣子. 當然在上圖的狀況是可以的, 因為我只有測試驅動級, 而驅動尚未與後方的 IGBT 相連, 目前它還是浮接的, 當然由示波器的地決定驅動級的地. 但若接上 IGBT 後, 7805 的電壓就參考 -100V 而變成 -100 + 5 V = -95V, 再像上圖一樣接法, 保證 "爆" 給你看.

下面的線路圖可以說明這個現像

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那我們就是要量測線路裡的波型要怎麼辦..... 答案就是用差分模式... 這在一般的示波器都有.

每一個示波器的輸入阻抗, 大約會在 1M 至 10M 的阻抗. 所以示波器的探針在不接地的情況下, 可以承受幾百伏的電壓沒有問題. 但不接地量時, 通常只會看到 100V 的巨大 60Hz, 可是在兩個探針都量到的情況之下, 我們可以把它們同時量到的巨大 60Hz 減掉.

這在示波器上的操作就是把 CH2 反相 (INV), 然後把 CH1, CH2 加起來 (ADD), 等效於 CH1 - CH2 的波形顯示在螢幕上. 就可以正確的量出波型了. 下面的示波器圖面說明這個狀況, 量出兩個 probe 之間的壓差是 DC +50V

下面的線路圖秀出量測的辦法.

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這在任何高壓系統內量測都可以成立, 下面是做 IGBT Switching 能力測試的時候, 量測負載電阻兩端電壓的情形, 注意我們用了兩個 probe, 但波形只有一個.

這是負載電阻端的細節, 兩個 probe 夾著待測點的兩端

示波器上量到的結果, 可以看得出 IGBT 在 100V 的範圍內以 50us 週期 Switching, 上昇與下降緣在 us 級. 另外 CH2 上有一槓, 表示 CH2 反相, 後面還有 ADD 字樣, 表示秀出的波形是兩者相加的結果.

這樣就可以正確的量出各點的 "壓差" 波型了

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當然, 用兩個 probe 量一個波型, 那就看不了兩個波型之間的相對關係了. 一個方法是用地絕緣示波器, 它的各個 probe 的地與儀器的地都是隔開的, 真的是量測 probe "地" 與 "採針" 之間的壓差. "高級" 的掌上型示波器常有這個功能. 用起來滿方便的, 下一個是筆者曾經有的 (被借走還沒還回來) FLUKE 示波器就有這個能力