直流高压

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警告：高压有危险，操作请谨慎！

高压电器是电力系统中使用比较广泛的一种设备，在我国由于缺乏明确的标准化定义，因此各种场合使用的这一术语，其含义有一定的出入。

日常生活、各行各业越来越里不开电，而电力的计量和测试，就越发显得重要起来。

但为什么只谈直流高压呢？一个是直流是交流的基础，另一个我对交流的东西很不在行，只能免谈。另外，直流高压输电有它自己的特点，适合超远距离传输，也开始在我国流行起来。

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直流高压的范围
国际上公认的高低压电器的分界线交流是1kV（直流则为1500V）。交流1kV以上为高压电器，1kV及以下为低压电器。一般的高压电器包括开关电器、量测电器和限流、限压电器，有时也把变压器列入高压电器。

但这里说的高压，与电力上的高压还是有区别的，一个原因是直流，另一个当然要高精密。所以，不妨在这里给“高压”降级个档次，凡是超过36V的，就认为是高压。36V被公认为是对人身危险的分接线，但也不是说36V就随便了没有任何危险了。在计量上，1000V是另外一个分界线。大多数的万用表，校准仪，都以1000V直流为限（有时为了超量程，可以到1050V或者1100V）。至于更高的电压，难度大，危险性更大，不作为本文重点。

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直流高压的特点
危险性
欧姆定律告诉我们，电流等于电压除上电阻。而直接威胁人的生命安全的，是电流。50mA作用时间稍长，就超过危险的限度，而人体的接触电阻可以比1k还小，因此二者相乘，可以得到大约 36V的安全电压。然而，即便在这里降格了的高压，也有1000V，足以对生命造成巨大威胁，因此各位真的要动手的时候一定要加倍小心。我这里只在纸面上谈及高压因此没有任何危险，我希望大家通过本文能够认识高压、了解高压、驾驭高压，而不是盲目的去接触而增加危险性。

电压系数
金属是导电的，很难与高压联系在一起，金属在高压上的作用也就是导体。而非金属，大多都有非线性或者电压系数，体现为越高的电压下电阻越小，这种现象在场强高的场合（单位是每厘米伏特）越发厉害，严重者出现击穿现象，电流突增。因此，做高压的时候，一定要保持较低的场强，不仅是减少击穿的可能，更防止非线性漏电。
电压系数尤其是在高值电阻中产生，电压一高电阻就下降，电压低了电阻就增大许多。因此，选择高值电阻的时候，要注意测试电压系数，单个电阻不要暴露在较高的电压下。


漏电和放电
由于有非线性，本来在低压下很好的绝缘体，在高压下电阻也变低，再加上电压高，漏电流就更加显著了。这也是为什么绝缘测试时，必需用工作电压（或更高）进行测试的原因。用万用表在低压下测试的绝缘电阻，与高压下是完全是两回事。更高的电压下，有静电效应，电荷会汇聚在导体的尖端，可能会形成尖端放电和电晕，应引起注意。也正是由于类似的原因，所有的电阻都有一个最高的耐压。例如1/2W的金属膜电阻一般耐压只有350V，要2W的才能达到1000V，因此用在高压的电阻，要么是特殊的，要么是多个串联。

负载误差
电阻上的功率，是与电压的平方成正比的。平常阻值比较大的电阻，在高压下，也会有很大的功率，会造成发热，通过温度系数引起漂移，这就是功率负载效应。例如100k电阻算比较大的了吧？但在1000V的电压下，功率却达到10W，Fluke 720A就是这样的。因此，在高压的场合，一定要合算电阻上的功率。

感应
交流高压就不用说了，很远的距离就能感觉到其存在。即便是直流高压，也会存在静电感应，因为电场强度高，身在这样的电场下，由皮肤的汗毛就能感觉到，再强的电场可以引起头发竖起：
http://www.tianjinwe.com/tianjin ... 110415_3553128.html

利用感应原理，可以远距离、非接触性的测试高压的存在。

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直流高压的产生

为了能够产生标准高压、应用高压、测试高压，首先要有高压源。高压电源一般可以用以下方式产生：
1、变压器变压直接整流
这种方式比较直接、简单、方便，可以得到较大的功率。

2、变压器变压倍压整流
此种方法可以用较低的次级电压获得数倍的高压，适合功率不大的场合。


3、逆变后整流或倍压整流
逆变常用在直流设备里，但逆变频率可以很高，因此体积重量相对可以做的较小。




5、其它方法
例如电力上的交流电压比较高，直接可控整流后就形成了高压直流。

再如静电法（电荷搬运法）。

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直流高压的调整和输出

得到了高压后，可能是脉动的，噪声、稳定性就更无从谈起，需要滤波、稳压等环节去掉不稳定因素，形成稳定的精密高压，才好作为标准用于计量测试。

观察商品的高压发生方式，有的调节是在低压测，也有的是在高压测，甚至两侧都有。
低压侧调节的好处是不言而喻的，高压测调节需要有源器件耐压太高，但可能效果比较好，因为直接。
335D，采用结合的办法


调节的方法，大部分为串联型的，即调节元件与负载串联，波动等不稳定因素被有源部分吸收。
而并联的效率低主要用在小电流上。

电压精密调整，离不开高压采样，目前高压采样绝大多数用电阻串。
335D的框图


335D的可调采样电阻串，主要由Fluke金封线绕实现，其实就是一个高精度两线电阻箱，调节范围是0到1M


高压发生，也离不开电压基准，基准的稳定度、噪音等指标一定要好于高压的。

为了达到高压调整的目的，调整的器件首先要选择自然的。比如串联调整，应该选择恒流方式的，并联调整应该选择内阻低的。这就像普通飞机没有东西也可以滑翔，被扰动也可以自稳定一样。相反，如果要驾驭直升飞机，那对操控性的要求就高多了。

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直流高压测试方法


直接测试
一般万用表都可以测试1000V或以下的电压，直接用万用表就可以测试。这种方法简单方便快捷，但测试精度有限。


分压测试
用分压器，把高压分压成低压，然后就可以直接测试或对比了。由于分压器可以做得很好，给后续测试打下基础。但是，分压器的输入阻抗相对较低，对被测有影响。有关分压器，可以参考：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=137


对比测试
如果具备另外一个同值电压基准，那就可以用背靠背的方法，用指零仪读出插值，实现精确对比。
如果能够生成一个可以调节的高压基准，用指零仪观察插值，调节到与被测电压完全一样，这样基准的电压值就是被测电压了，而且此时对基准尤其是对被测电压都不造成负载。这其实就是高压电位差计。


缓冲测试
不少高压的输出阻抗高，因此无论直接测试或缓冲测试，均会造成影响。缓冲测试就是增加一级缓冲，解决这个矛盾。

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直流高压的直接测试

用万用表直接测试，其实表里一般也是先对高压（例如1000V）进行100：1分压成后形成10V左右的低压，就可以直接进入ADC采样数字化了。万用表的标准输入电阻是10M，因此为了达到100:1的分压，自然就采用9.9M+100k，而9.9M也常见用3个3.3M的串联组成。比较另类的是HP的3455，用10M+100k电阻再加上运放进行反向有源分压，分压点是虚地，100k的另一端出现-10V。好处是10M为整数，而且分压点没有电容效应，便于交流补偿。
为什么数字表选择10M作为标准的电压档输入阻抗，也是考虑了要测试1000V的高压，此时电流100uA，也不算小了，功率达到0.1W，在计量上也算比较大的了。如果选择1M，那势必耗散1W，超大了，对于手持设备也不允许，甚至远低于模拟万用表。至于选择100M，那也受限与电阻的来源，更不利于交流补偿（离散电容），漏电的影响也很大了。

其实对于模拟表，很多都是50uA的表头，即20k/V，测试1000V时反而有20M，比数字表还大了，就更别说灵敏度更高的指针表了，例如Simpson269，灵敏度是100k/V，800V档的总阻抗是80M。当然，国产的MF10尽管灵敏度也是100k/V，但只在100V或更低的量程下有效，250V和500V的灵敏度就降低到20k/V了，因此最大内阻还是10M。同样，灵敏度也是100k/V的西门子uA MULIZET，也同样把最大内阻限制在10M。

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直流高压分压测试

常见的商品的有：
Fluke 720A，开尔文-瓦利分压器（KVD），可以实现任意分压值，但输入阻抗比较低为100k，精度为0.1ppm（输入），对于10:1分压精度为1ppm。

Fluke 752A，哈蒙分压器，只有100：1和10：1两档，100:1分压下输入阻抗4M，而10:1分压时为400k，分压精度分别是0.5ppm和0.2ppm，自校准。

Datron 4902S，级连分压器，有多个离散的分压点，功能上介于上述二者之间。输入阻抗根据被分压电压的不同是变化的，一般是每伏1k，因此最大1000V下就是1M。

分压器为什么选比较低的输入电阻，应该是有其原因。720A只有100k，这样可以兼顾低压分压（例如把10V分压成），低阻值的电阻性能比较好，而752A输入电阻达到4M，全部都是用120k的高性能的电阻串联而成，成本很高。

有关分压器的具体结构和用法，参见：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=137

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直流高压对比测试

最简单的对比，就是背靠背，用指零仪读取差值。由于电位被抬升，因此差值读数很小的话，灵敏度就非常高。当然，由于差值有时稍大，那么用数字表来替代指零仪就方便灵活。

不过，这种方法在对比的时候，仍然需要被测负载有电流输出，这在高压源输出阻抗较高的场合就会造成负载误差。解决的办法就是把基准电压换成一个个可以调节的，例如Fluke 335D、5440B、5700A，一边观察指零仪一边调节输出，最后让两个电压完全相等，这样指零仪则没有电流通过，免除了负载误差。其实这就是电位差计原理，只不过电压要高很多。常见的所谓高压电位差计，其实只工作在几伏的电压而已。

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直流高压缓冲测试

缓冲，其实就是一个高压跟随器，一方面负载电流非常小，另一方面具有很低的输出阻抗、很小的输入输出差异。

常见的台式万用表，在直流10V档甚至20V档时，具有高输入阻抗的能力（>=10G），但对于更高的电压，一律都是10M的输入阻抗，因为常规的高精度放大器，到达+-20V跟随已经不容易了，运放到达+-20V以上供电已经不常见了，所以也造成高压下输入阻抗不大。前面已经看到，无论是直接测试还是分压，都要消耗被测电压源的功率，输入阻抗小到100k，1M的也有，最大也就是10M。而越电压越高的电压源，内阻往往也越大。比如我做的100V基准，内阻就有5欧左右。至于很多高阻电压源，就更需要测试者要尽量不消耗电流，才能不对测试电路有影响。采用高压电位差计，尽管可以解决1kV之内的无负载测试，但超范围就不好办了，而且操作复杂。如果能做一个高压缓冲器，就可以解决这个问题。但这种东西太专门，没见有商品，因此只能DIY。

对于高压缓冲器的要求，一方面要工作在高压，另一方面有跟踪精度的要求，同时也有诸如跟随速度、输入阻抗、输入电容等。
本跟随器，初步设计成电压可叠加的，从最少的1kV，常见的2.5kV，一直到10kV甚至更高。从跟踪精度看，达到精密运放的要求，比如输入输出静态之差不超过0.1mV。输入阻抗，主要是输入偏流，根据采用的运放而定，可以达到几十pA，或者在牺牲精度的场合，可以达到1pA以下。至于速度，要求不高，因为大多为静态应用，高压建立也需要时间。

100k的输入阻抗很变态，需要10W功率，因此应该排除在外，所以缓冲器应以可以驱动1M负载进行设计，即驱动电流最大为1mA。szjiaming给出了一个很好的仿真，根据他的电路，重新整理如下：


其中Q1和Q2为电压跟随管，受运放输出后的D3和D4控制，保持运放的供电电压不变。D1、R3、Q3组成恒流源，给D3提供恒流。Q1和Q3承受变化的高压。R1和R6为启动电阻。
之所以叫高压单管1000V跟随器，是因为这个电路只用在1000V以下，而且一个高压三极管可以承担所有的电压。与jm以前的电路比，运放改成了更精密、耗电也更小的LT1012，这对于高压来讲足够了，因为甚至8.5的万用表都可以用这个运放对10V处理。同时增加了启动电阻、保护电路等。我试验了耗电更小的LMC6062，但电路发生振荡，但也许实际上是可以用的，那样的话整个用电电流就可以限制在0.2mA以下，否则只能0.5mA，不过这也不错了，1kV下只有0.5W的功率。

对于更高的电压，用一个三极管显然就不现实了，必须按照每个管子1000V的耐压进行串联。考虑良久，采用了以下改良串联均压电路，仿真通过：

其中均压电阻是两套管子共用的。

有人问，为什么要用两套管子、两个通路？用一套行不行？
事实上，这就像一个人用绳索悬在半空，只靠一个承重索是不行的，必须有可控制索，才能实现上下自如。
这里右边的恒流线路，就是起到了控制作用。例如输入下降则运放输出也下降，通过恒流的作用使得D4下端的电位也下降，运放的供电也得到跟随。这样一方面响应很快，另外输入电阻非常高，输入电容非常小，漏电也能保持恒定。绿色的线是均压电阻电流途径，每1kV为10M，则电流为100uA，可以用在8%的场合，即8uA下也可以工作，这样若设计成10000V的跟随，也可以工作在800V低限。
这个电路的难点在于保护。对于1kV还好办，但10kV的，如何保护输入不被偶然错误而烧坏？如何在输出短路的情况下让电路不跑、不坏，而且短路消除后能立即恢复工作？


为了验证，做PCB板，100×70大小，每面4个管子串联，如果管子用900V的可以最高承受3600V。留有余量按照2500V计算。



布线的时候主要考虑如下几点：
1、耐压间距。无论是元件之间、引脚与铜箔之间，还是铜箔的间距，都保留尽可能的大的空间，尤其是可能的高压的场合
2、让电压高的地方逐渐变化，减少电压梯度，降低线间电压。比如最大的线间电压为1/4，间距为2mm。
3、电阻采用较大的1/2W的，耐压高
4、输入部分由于阻抗高，采用等电位屏蔽，降低漏电
5、采用型材铝壳做外科，100mm×76mm×35mm，两端输入输出。可以在一端进行电源供电另一端输入输出，也可以采用输入、地、输出在一端，正电源在另外一端的方式，甚至可以采用其它方式。

拿到的板子：



基本装好后的效果：



测试
V1为可调高压，R1和R2为高阻分压，也为可调，可以在1%到99%的范围内变化。分压电压经过跟随后，由XMM1测试电压差。



测试时，采用不同的电源电压，比如100V、500V、1000V等，采用不同的分压比，例如1%、10%、50%、90%、99%，测试并记录电压差。
另外，测试可以包含Test按钮是否按下，这样测试负载特性 。

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直流超高压


大于1000V的电压在这里被认为是超高压了，不建议个人去做尝试，危险性更大。
实际上，在日常的生活中这种高压还是很常见的，例如CRT显示器、CRT电视，都是靠高压来加速电子的，高压电极有上万伏。

这样的高压，要想测试，直接用普通万用表是无能为力了，一般用高压探头探头。大于1000V的电压如果引入仪器内，本身就是不太科学的。

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高压探头

常见的高压探头其实也是一种分压器。
Fluke有一个40kV的高压探头，分压电阻是999M：1M，实现1000：1的分压，把40kV降低到40V，供数字万用表测试。
由于数字表都是10M的输入阻抗，因此下分压1M实际上是1.11M，这样与表的10M的并联后正好是1M。



也有非分压器的高压探头。

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保留1贴

高耐压器件耐压测试方法
高压半导体器件都有耐压指标，一般表示为加上V后漏电流I不超过多少，或者漏电流I下电压不小于V，其实是一个道理。
例如场管2SK2865耐压600V，是说栅极接地（接S），DS之间加上600V，漏电流IDSS不超过100uA。


然而，有些管子的电流规定得很小，例如2SA1967，BVcbo=900V，就是说射极开路，CB之间加上900V的反压，漏电流不大于1uA。同样，2SC4030的也是同样规定的。这样，用传统的耐压测试仪就无能为力了，必须想个新的办法。


以下方法，实际上是一个简单常用而且安全方便的串联测压法。


V1为1000V电压源，可以是别的电压，根据需要可变；
R1是串联高压高阻，我选择的是100M、10kV，这样短路电流10uA，没有任何危险，测试的时候不怕短路，手碰上去也没事，也不会烧器件；
R2和D1就是模拟的被测器件；
U1是10uA满度的模拟表头。可以用国产的MF10等，我用的是西门子的10uA，1%，满度既代表10uA，也代表1000V。具有100格显示，每格既代表0.1uA，也代表10V。
器件接上后，如果没有任何漏电，那么表针不会动作。如果有0.1uA的漏电，就会偏转1格，电压下降到990V；如果有1uA的漏电，就会偏转10格，电压下降到900V。如果器件是个理想的100V稳压管，那么就会偏转90格，电流就是9uA。


这种方法的缺点，就是测试电压不是固定的，是自动根据漏电流调整的。如果真要测试比如900V下的漏电流，那也可以通过改变电源电压的办法，来补偿100M电阻上的压降，达到目的。


某些测试结果：
2SA1967，相当好，BVceo有40%超过1000V，而且此时漏电流不超过0.02uA。
2SA1413，指标BVceo=-600V，实际测试有一多半为700V左右（漏电3uA），只有少部分器件4uA下600V，个别器件漏电>10uA（50V下）。

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【全文完】

lylmy

坐着沙发学习

youngliu

板凳学习

轩尼诗

地板学习。

hydz

地板估计也没了

leobian

地下一层！刻苦学习

strive

前来听课·！

zjinkui

不敢插队，结果排第二页了

redtony

高压时，直流和静电有没有相关联的地方，一直迷糊不清。

王珏

学习了。

gongsaiwei

好文。学习中！

飞行器

产生直流高压的方法有很多，我正在做这一块的工作。但做为普通产品，一般1000V 0.5mA输出时在100M带宽下噪声有50ppm（Vp-p），因为反馈电阻及基准都是采用50ppm/K的，所以温度系数一般在100ppm/K，主要用于光电倍增管的偏压。正在考虑做一个1000V的源，苦于没有足够的时间。理论上噪声可以控制在0.5ppm以下（V p-p），温度系数则取决于反馈电阻和源，升压方式采用一半谐振，一半线性，谐振频率在100k左右，效率>35%。体积可以做得很小。

飞行器

引用第26楼飞行器于2011-08-28  10:26发表的  :
产生直流高压的方法有很多，我正在做这一块的工作。但做为普通产品，一般1000V 0.5mA输出时在100M带宽下噪声有50ppm（Vp-p），因为反馈电阻及基准都是采用50ppm/K的，所以温度系数一般在100ppm/K，主要用于光电倍增管的偏压。正在考虑做一个1000V的源，苦于没有足够的时间。理论上噪声可以控制在0.5ppm以下（V p-p），温度系数则取决于反馈电阻和源，升压方式采用一半谐振，一半线性，谐振频率在100k左右，效率>35%。体积可以做得很小。

   争取今年做出来，如果侥幸能成，送给老大测试一下，呵呵。

hldiy

排队听课中

djh200800

我最高做过30KV的高压设备,是用于测量大功率发射管的阳极电压,

高压用的滤波电容器,
下面这几个电容器就是当年做高压设备时多下来的.
当年做设备的油浸电容器最高电压有50KV的,还有两只10KV/10uF的电容器,两个人都抬不动.


这个6uF/3KV的电容器就有4.3KG重


这个0.47uF/6KV的电容器有约2.5KG重