Danas je nabavljen mjerač otpora izolacije MA 2025 slovenskog proizvođača Iskra iz 1970-tih godina. Tvrtka ISKRA vuče korijene iz 1946. godine te je i danas prisutna na tržištu. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije i tome srodnih proizvodnih grana.
Iskra MA 2025 omogućuje slijedeća mjerenja:
- mjerenje otpora do 200 MΩ (precizno do 100 MΩ) u dva mjerna opsega: do 5 MΩ i do 200 MΩ sa ispitnim naponom od 750 V
- mjerenje izmjeničnog napona do 500 V u jednom mjernom opsegu
Do sada smo već opisali nekoliko mjerača otpora izolacije (megaommetar). Većinom su to bili instrumenti sa kvocijentnim (logometarskim) mjernim sistemom i ručnim induktorom mjernog napona iz 1950-tih godina (Evershed & Vignoles MEGGER 5G/152, EKA ISOLEKA M126, Metra Blansko MEGMET 1000 V), zatim smo imali jedan nešto drugačije izvedeni mjerač sa standardnim mjernim sistemom sa jednim zakretnim svitkom i ručnim induktorom također iz 1950-tih godina (Metrawatt J5000), te jedan megaommetar sa elektronskim cijevima iz 1960-tih godina (Iskra MA 2072). Iskra MA 2025 pak je nešto napredniji tip mjerača otpora izolacije koji uključuje tranzistorski generator stabilnog mjernog napona, a sam mjerni sistem je standardni sa jednim zakretnim svitkom.
Instrument za mjerenje otpora izolacije ili megaommetar je mjerni instrument za ispitivanje stanja izolacije na električnim elementima, uređajima, vodovima i postrojenjima. Sve vezano uz mjerenje otpora izolacije opisali smo u objavi Mjerač otpora izolacije ISOLEKA EKA M126. U kratkim crtama, megaommetar se principijelno ne razlikuje od bilo kojeg dugog ommetra, osim što koristi visoke mjerne (pomoćne) napone kako bi se mogli mjeriti veliki otpori. No sam postupak i uvjeti pod kojima se vrši mjerenje otpora električne izolacije na mrežnim i drugim energetskim sustavima (jaka struja) uvelike se razlikuje od mjerenja običnih (malih) otpora kakvima se bavimo u elektronici (slaba struja). Štoviše, za svaku električnu mrežu i komponentu te mreže propisani su specifični uvjeti i standardi pod kojima se vrši mjerenje i njih je prilikom mjerenja potrebno poštivati kako bi dobili ispravan rezultat usporediv sa propisanim vrijednostima.
Visina pomoćnog napona kojim ćemo vršiti mjerenje u pravilu se bira s obzirom na nazivni napon za koji je predviđena oprema na kojoj se vrši mjerenje, odnosno prva veća vrijednost istosmjernog pomoćnog napona. Neko opće pravilo (koje je proizašlo više iz iskustava nego iz električnih proračuna) kaže da je minimalna dozvoljena vrijednost otpora izolacije 1 kΩ po 1 V napona (što daje struju curenja od 1 mA). To bi značilo da za vodove, aparate i sustave koji rade na naponu od 220 V minimalni otpor izolacije mora biti 220 kΩ i ovu vrijednost stoga imamo istaknutu crvenom bojom na instrumentu MA 2025. No, taj podatak svejedno treba uzeti s rezervom tako da bi bilo dobro da otpor izolacije nikad nije manji od 1 MΩ za bilo koju opremu, a kod dobre izolacije uobičajeno je da je ta vrijednost reda nekoliko stotina MΩ i više.
Slično kao i kod mjerenja otpora uzemljenja, tako je i kod mjerenja otpora izolacije potrebno izvršiti više uzastopnih mjerenja na različitim točkama kako bi se umanjio utjecaj pogreške mjerenja zbog prijelaznih otpora na kontaktima mjernih žica. Jednako tako na rezultat će utjecaj imati i trenutna temperatura te vlažnost zraka. Stoga je za točnu procjenu stanja izolacije potrebno je vršiti stalna periodična mjerenja pod istim uvjetima i zatim uspoređivati dobivene rezultate.
Testiranje stanja izolacije može se vršiti izmjeničnim ili istosmjernim naponom, ovisno o tome što želimo mjeriti i na kojem sustavu vršimo mjerenja. Izmjenični naponi koriste se za testove sigurnosti izolacije, odnosno testiranje može li izolacija izdržati određeni napon (probojni napon). Za mjerenje otpora izolacije i neka druga mjerenja (nivo dielektrične apsorpcije, polarizacijski indeks) u pravilu se koristi istosmjerni napon jer bi se primjenom izmjeničnog napona zapravo dobila ukupna impedancija sustava (kapacitivni i induktivni otpor najčešće prisutan u električnim vodovima).
Sad kad smo ponovili gradivo možemo se posvetiti našem mjeraču izolacije MA 2025 glede njegove unutrašnje konstrukcije. Stoga smo nacrtali elektroničku shemu i izvršili neka mjerenja na pojedinim sklopovima.
Elektroničku shemu možemo podijeliti na nekoliko osnovnih sklopova:
- baterijsko napajanje 9,6 V
- indikator napona (stanja) baterije
- tranzistorski regulator (stabilizator) napona napajanja DC/DC pretvarača kontroliran povratnom naponskom spregom
- DC/DC pretvarač niskog baterijskog napona na visoki izmjenični napon
- udvostručivač, ujedno i ispravljač visokog napona
- mjerni spoj sa mjernim otpornicima
Vidimo kako srce čitavog sklopa čini DC/DC pretvarač u klasičnoj izvedbi poznatoj kao Royer oscilator (patentirao ga je amerikanac George H. Royer 1954. godine). Na našoj shemi sastoji se od transformatora i dva tranzistora BFX35 sa pripadajućim pasivnim komponentama. Prema načinu rada, ovakav oscilator naziva se još i samooscilirajući sa zasićenom jezgrom.
Evo kako Royer oscilator funkcionira. Kada se prvi put uključi napajanje, oba tranzistora prebacuju se u vodljivo stanje zahvaljujući pozitivnom naponu na njihovim bazama. Sada, ukoliko bi oba tranzistora postala vodljiva u isti trenutak, vidimo da bi zapravo došlo do kratkog spajanja primara transformatora i ulaznog napona. Ovo se u praksi nikad neće dogoditi, odnosno oba tranzistora nikad neće doći u vodljivo (otvoreno) stanje baš u istom trenutku. Razlog tome je što električne karakteristike tranzistora nikad nisu potpuno jednake, a osim toga njihove baze se napajaju preko pomoćnih namota transformatora u protufazi. Stoga će se jedan od tranzistora uvijek uključiti nešto prije od drugog tranzistora pa će se na njegovoj polovici primarnog namota transformatora pojaviti neki napon. Ovaj napon će također izazvati indukciju napona u pomoćnom namotu preko kojeg se napajaju baze tranzistora, a polaritet induciranog napona na bazi će biti takav da tranzistor koji je prvi proveo bude njime još više otvoren i doveden do kraja u zasićeno stanje, dok će drugi tranzistor upravo suprotno tome ostati potpuno zatvoren suprotnim polaritetom napona na njegovoj bazi. Kako će se struja kroz vodljivi tranzistor i njegovu polovicu glavnog primarnog namota povećavati tako će linearno rasti i magnetski tok kroz jezgru transformatora ali samo dotle dok jezgra ne dođe u zasićenje i daljnje povećanje magnetskog toka više neće biti moguće bez obzira na povećanje struje. U tom trenutku napon na svim namotima transformatora će pasti na nulu i polaritet će se promijeniti pa će sada provesti drugi tranzistor, dok će onaj prvi biti doveden u zakočeno stanje. Ovaj proces se neprekidno ponavlja, te na sekundarnoj strani dobivamo izmjenični napon gdje jednu poluperiodu generira jedan tranzistor, a nakon njega drugu suprotnu poluperiodu generira drugi tranzistor. Stoga se ovakav primarni pogon transformatora sa dva tranzistora često naziva i push-pull, odnosno protufazni pogon.
Vidimo da kod ovakvog oscilatora primarni sustav podržavanja oscilacija leži u dovođenju jezgre transformatora u magnetsko zasićenje pri čemu dolazi do pada napona i promjene njegovog polariteta u idućem ciklusu. Stoga će i frekvencija ovakvog oscilatora najviše ovisiti o vremenu potrebnom jezgri transformatora za zasićenje, a to onda osim o samim fizičkim dimenzijama i materijalu od kojeg je načinjena jezgra svakako ovisi i o naponu napajanja kao i induktivitetu primarnog namota. Transformator sa svojom jezgrom i namotima je u praksi naravno napravljen kao čvrsta cjelina tako da na frekvenciju možemo utjecati samo promjenom napona napajanja.
Teoretski Royer oscilator daje na izlazu izmjenični (bipolarni) pravokutni napon, no to će biti samo u slučaju da tranzistori rade kao savršene sklopke. Mi smo iz našeg oscilatora snimili valni oblik nešto sličniji trokutastom naponu što znači da imamo nešto duže vrijeme potrebno za porast napona na maksimalnu vrijednost i pad istog na nulu, a to može značiti da su radne točke tranzistora više podešene za rad tranzistora kao pojačala.
Snimci valnog oblika napona iz oscilatora: kod najnižeg napona napajanja (najniže frekvencije), kod najvišeg napona napajanja (najviše frekvencije) i u praznom hodu (bez opterećenja sekundardnog namota).
Testiranjem DC/DC pretvarača na principu Royer oscilatora ugrađenog u mjerač otpora izolacije Iskra MA 2025 ustanovili smo da isti radi na frekvenciji cca 1,7 – 2,2 kHz ovisno o naponu napajanja (niži napon – niža frekvencija). Sukladno tome izlazni napon se mijenja u rasponu cca 350-400 Vpp (niža frekvencija – niži napon). Iz udvostručivača napona dobivamo istosmjerni napon srednje vrijednosti cca 650-950 V koji i u praznom hodu ima fluktuacije cca ±30 V što je i očekivano s obzirom da nema nikakvih drugih filtracija napona. Jednom podešeni napon drži se stabilnim preko povratne veze na regulator napona napajanja oscilatora. Kao i kod svakog ommetra, tako i ovdje nije toliko kritična sama vrijednost mjernog napona (prije mjerenja se kazaljka ionako kalibrira na puni otklon) koliko je bitno da on tijekom mjerenja ostane stabilan.
Može se primijetiti i debalans (offset) u veličini amplituda pozitivne i negativne poluperiode od cca 30 V, a ovo je i očekivano jer pojačanja tranzistora u praksi nisu potpuno identična, jednako kako ni induktiviteti obje polovice primarnih namota. Sve ovo ipak nema praktičnog utjecaja na konačni izlazni napon iz DC/DC pretvarača potreban za mjerenje otpora.
Za snimanje visokog napona visoke frekvencije potrebno imati frekvencijski kompenzirane (kalibrirane) visokonaponske mjerne sonde za osciloskop, a njihova cijena nije baš mala. Mi smo se služili jednostavnim priručnim dodatkom za standardnu sondu 1:10 koji se sastojao od devet serijski vezanih otpornika od 10 MΩ. Tako smo sa otpornikom od 9 MΩ koji je interno ugrađen u sondu dobili ukupni otpor od 99 MΩ što sa unutrašnjim otporom osciloskopa od 1 MΩ čini ukupan otpor od 100 MΩ prema masi, odnosno time smo dobili djelitelj napona 100:1 sa otpornicima 100MΩ : 1MΩ. Zahvaljujući tome što smo koristili dio originalne sonde 10:1 imali smo i gotov promjenjivi kondenzator za napraviti kakvu takvu frekvencijsku kompenzaciju, pa to nismo morali raditi u samogradnji. Općenito gledano, za mjerenje napona do 1000 V sa izvora koji mogu isporučiti samo male struje ovakve priručne sonde zalemljene “u zraku” još prolaze, no za veće napone je svakako uputno koristiti specijalne visokonaponske otpornike, dobro izolirane i premoštene kondenzatorima, a ukoliko želimo precizne oscilograme onda takva sonda mora biti naponski kalibrirana i frekvencijski kompenzirana.
Izmjenični napon iz našeg oscilatora dalje se dovodi na udvostručivač i ujedno ispravljač napona koji se sastoji od tri diode (BYF1201) i dva kondenzatora (470nF/630V). O principu rada ovakvog udvostručivača napona pisali smo u objavi IONIZATOR ZRAKA – AETE, no susretali smo ga i kod više drugih uređaja kojima je za rad potreban visoki napon (mjerači radijacije, megaommetri, uređaji sa elektronskim cijevima i CRT ekranima i slično).
Dio ispravljenog izlaznog mjernog napona iz udvostručivača napona preko otporničkog djelitelja napona povratnom vezom vraća se na tranzistorski regulator napona preko kojeg se napaja oscilator. Zahvaljujući ovoj povratnoj vezi, mjerni napon se održava stabilnim s obzirom na promjenu opterećenja i s obzirom na promjenu napona baterija. Testiranjem smo izmjerili da ova povratna regulacija funkcionira odlično te napon ostaje stabilan i kad napon baterija padne na 7,5 V. Kod mjerača otpora bilo koje vrste nije toliko bitna veličina mjernog napona jer se kazaljka instrumenta ionako svaki puta kalibrira na nulu (puni otklon kod kratko spojenih mjernih kablova) kako bi se to kompenziralo, no od velike je važnosti da tijekom mjerenja taj napon ostane stabilan.
U konačnici, slijedi mjerni krug sa instrumentom za zakretnim svitkom. Vidimo da instrument kod svakog mjerenja zapravo pokazuje jačinu struje koja teče kroz njega s obzirom na vlastiti unutrašnji otpor i otpor otpornika u mjernom krugu, kako je to uobičajeno i kod svih drugih analognih AVO mjernih instrumenata.
Evo nekoliko električkih podataka koje smo dobili mjerenjem na našem mjeraču otpora izolacije MA 2025:
- nominalni napon napajanja 9,6 V
- indikacija ispražnjenosti baterija (početak crvenog polja) na 8,5 V
- najmanji radni napon 7,5 V
- potrošnja struje iz baterije: 185 mA minimalno u praznom hodu, 200 mA maksimalno na opsegu 200 MΩ, 430 mA maksimalno na opsegu 5 MΩ
- izvor mjernog napona: podesiv u rasponu 650-950 V (nominalno 750 V)
- mjerna struja (struja kratkog spoja): maksimalno 0,1 mA na opsegu 200 MΩ, maksimalno 2,3 mA na opsegu 5 MΩ
- frekvencija rada oscilatora: 2 kHz (1,7-2,2 kHz ovisno o naponu napajanja)
U našem primjerku instrumenta MA 2025 kao izvor napajanja zatekli smo standardnu bateriju od 9 V. Iako je to dovoljan napon za rad mjerača, vidimo da potrošnja struje može biti i do 430 mA što baterija ovakvog tipa može (kratkotrajno) isporučiti samo ako je kvalitetna i nova. Instrument bi se trebao napajati preko osam komada punjivih AA baterija (Ni-Cd ili Ni-MH). Punjive baterije pak su u 1970/80-tim godinama bile relativno skupe i rijetke tako da su se električari na razne načine snalazili glede baterijskih izvora napajanja.
Danas su na tržištu uobičajeni mjerači izolacije koji generiraju pomoćne napone od 100, 250, 500 i 1000V čime pokrivaju mjerne opsege i do 8000 MΩ (8 TΩ). Modeli predviđeni za visokonaponske instalacije pak uobičajeno rade sa pomoćnim naponima u koracima do 10kV.
Jednostavan i jeftin Royer oscilator sasvim sigurno se i danas široko koristi za gradnju različitih DC/AC pretvarača za otporna opterećenja koja nisu osjetljiva na frekvenciju ili valni oblik (napajanje žarulja koje rade na visoki napon), odnosno za DC/DC pretvarače gdje se izlazni izmjenični napon ionako ispravlja. Spomenimo da postoji i poboljšana, odnosno modificirana izvedba Royer oscilatora (Baxandall oscilator) kojemu je dodan rezonantni titrajni krug (kondenzator paralelno sa glavnim primarnim namotom i zavojnica serijski u krugu napajanja) i koji na izlazu daje sinusni valni oblik. Baxandall oscilator zahvaljujući ovim LC elementima podržava oscilacije na drugačiji način, pozitivnom povratnom spregom preko rezonantnog titrajnog kruga, te mu nije potrebna zasićena jezgra, odnosno ona i ne smije biti zasićena. Iako shematski vrlo slični, glede principa rada zapravo jedina sličnost u načinu rada između Royer i Baxandall oscilatora je u protufaznom načinu rada tranzistora koji napajaju primarnu zavojnicu.
Na električnim shemama ćemo ova dva tipa oscilatora uvijek lako prepoznati po pomoćnim namotima transformatora koji vode na baze tranzistora za protufazni (push-pull) pogon glavnog primarnog namota. Ukoliko pak nemamo shemu nekog uređaja sa DC/DC pretvaračem, a crtanje iste se čini presloženim zbog VF transformatora sa puno izvoda, dobar način je prvo ommetrom detektirati postojanje dva para primarnih namota koji vode na dva jednaka tranzistora. Time smo gotovo sigurni da riječ o Royer ili Baxandall oscilatoru čime je onda i pola sheme praktično već nacrtano 🙂
Čest slučaj kod starih instrumenata sa zakretnim svitkom je ispadanje, odnosno odljepljivanje zrcala iza skale koje služi za preciznije očitanje (kompenzaciju greške paralakse). U našem slučaju kao zrcalo se koristi neka vrsta sjajne folije tako da unatoč ispadanju ovakva folija nije mogla napraviti štetu na skali kao kad se odlijepi pravo stakleno zrcalo koje onda slobodno šeće u prostoru iza skale. Foliju smo ponovno zalijepili na mjesto kako bi uredno pokrivala čitav prorez skale.
