Meten van de bronimpedantie van het lichtnet in het audiofrequente gebied.
Voorzichtig! Gevaarlijke spanningen
Andere hoofdstukken in het EMC deel:
Omdat ik twijfels had aan de effectiviteit van de "kortsluit tak" in het Elektor-filter wilde ik de bron-impedantie van het lichtnet meten.
Een Ohm-meter aansluiten op het stopcontact is een optie die alleen werkt als de stroom in de hele wijk uitgevallen is en dat gebeurt niet zo vaak in dit land. Normaal staat er 230 Volt op en dat zal je meter verwoesten. Bovendien meet je dan alleen de weerstand bij DC, en ik wilde juist weten of de impedantie bij pakweg 1.5 of 3 kHz al-of-niet erg laag is. Er moest iets slimmers komen.
Ik heb gekozen om een 1.5 of 3 kHz signaal stroom in het lichtnet te injecteren, en dan te kijken hoeveel signaal spanning dat oplevert.
Aanvankelijk dacht ik aan een filter met wat spoelen en condensatoren dat 50 Hz zou tegenhouden, en boven 1 kHz een voldoend lage impedantie heeft. Na wat Spice simulaties bleek dat je dan o.a. heeeel erg grote condensatoren nodig hebt, en die had ik niet voorhanden.
Zoiets meten met een oscilloscoop kun je ook wel vergeten; in de aanwezigheid van 230 Volt 50 Hz kun je een handvol milliVolt aan 1.5 kHz niet meer zien, en ik had niet de mogelijkheid om ampères te injecteren zodat er misschien Volts zouden ontstaan.
Gelukkig hebben we tegenwoordig bijna allemaal een meetinstrument in huis dat in combinatie met geschikte software -en die kun je van het internet plukken- een meting over een zeer groot dynamisch bereik mogelijk maakt, en met ruim voldoende frequentie selectiviteit. Ik doel op een PC met een geluidskaart en software voor spectraal analyse.
Ik gebruik voor zulke metingen het feeeware programma SpectrumLab. Zie het hoofdstuk over meetgereedschappen voor de download details.
We gaan een bekende stroom met frequenties van ca. 1.4 en 3 kHz injecteren in het lichtnet. Met de spectrum analyser kun je dat frequentie gebied uitvergroten en bepalen hoeveel spanning dat oplevert. De frequentie wordt zo afgeregeld dat die tussen de harmonischen van de 50 Hz in valt Spanning en stroom op elkaar delen levert de (schijnbare) weerstand op.
Calibratie vindt plaats
door meten aan bekende weerstanden.
De meetopstelling bestaat uit een injectie deel en een meetprobe. Beide zijn op een transformator gebaseerd voor het aanpassen aan de signaal novo's en de scheiding van het lichtnet.
Fig. 1. Injectie van een
audiofrequent signaal in het lichtnet.
T1 moet een lichtnet trafo zijn voor ca. 6-10 Volt bij een paar Ampere, de weerstand
moet iets groter zijn dan 8 Ohm en een Watt of 20 kunnen dissiperen.
De versterker moet liefst van een type met een lage uitgangs impedantie zijn. De meeste transistor versterkers zijn dat.
Fig. 2. De meetprobe
Hier voldoet een kleine printtrafo. Kies de weerstanden zo dat de ingang van de geluidskaart niet overstuurd wordt. Met 0.5 tot 1 Volt gaat dat meestal wel goed.
Beide kanalen van de geluidskaart krijgen hetzelfde signaal. Ik had een 12-volt trafo ter beschikking.
Fig. 3. De spullen
Linksboven trafo 1 met de weerstanden. De rood/zwarte draad komt van de versterker.
Rechtsonder de referentie weerstanden met een probe naar de oscilloscope.
Links de soundblaster (externe geluidskaart, USB), en het in het midden het scheidings trafo'tje T2.
Voorzichtig! Gevaarlijke spanningen.
Velen zullen ervoor terugschrikken om een audio versterker aan het lichtnet te koppelen, maar op deze manier gaat dat prima, al is het verstandig om niet je allernieuwste dure spullen te gebruiken.
Vergeet vooral die weerstand van ca. 10 Ohm niet, en zorg dat die flink wat kan dissiperen. Ik had 5 weerstanden van 56 Ohm / 5 Watt voorhanden.
Even wat rekenen: De 6.3 Volt van deze trafo levert een stroom van 0.56 A op door de weerstand. Dat is 3.6 Watt. De versterker mag je als een kortsluiting beschouwen voor 50 Hz. De stroom loopt echter wel door de transistoren, en die hebben hun voedingsspanning en dissiperen dus. In mijn geval was de voedingspanning plus-en min 30 Volt, dus de totale eindtrap dissipeert 17 Watt (elke transistor krijgt de helft van de stroom te verwerken), alleen al door de 50 Hz. Een beetje eindtrap kan dat met gemak hebben.
Voor het injecteren werd de versterker voor ca. 80 % uitgestuurd (controleren met een oscilloscope). In mijn geval 50 Volt piek-piek op de uitgang van de versterker.
Indien aan de 220 Volt kant een belasting aangesloten is (lichtnet of een referentie weerstand) is dat aan de 6.3 V kant praktisch een kortsluiting. De hele spanning staat dan over de weerstand. 50 Vpp is 17 V effectief, dat geeft in 11.2 Ohm 27 Watt dissipatie. (mijn weerstanden werden knap heet) De dissipatie van de versterker neemt hierdoor ook toe, dus voel zo af en toe aan de koelplaten of ze niet te heet worden.
Let erop dat je met lichtnet spanning bezig bent. Aanraken kan ernstige gevolgen hebben. Een fout in de schakeling kan rook en vuur doen ontstaan. Als je over een (scheidings) regeltransformator kunt beschikken gebruik die dan om voorzichtig de spanning op te voeren en te zien dat alles volgens plan gaat.
Als de injector nergens op aangesloten is staat er een paar honderd volt aan 1.5 kHz op de stekkerpennen. Dat is minder gevaarlijk dan de 50 Hz netspanning, maar het voelt bijna net zo onprettig aan. Let er ook op dat die spanning niet zo groot wordt dat de trafo doorslaat.
Fig. 4. De lichtnet spanning bij mij thuis op een gewone oscilloscope. Wat typisch opvalt zijn de afgeplatte toppen. Dat komt omdat tegenwoordig een belangrijke belasting van het lichtnet gevormd wordt door allerlei elektronische apparatuur. Al die apparaten vragen alleen stroom als de spanning bijna op de top is.
Fig. 5. Het spectrum van het lichtnet, links van 10Hz tot 10 kHz. Je ziet de 50Hz en de oneven harmonischen, dus 150, 250, 350 Hz enz. Je ziet dat deze harmonischen 3,5 en 7 ongeveer 36 dB zwakker zijn dan de 230 Volt van de 50 Hz. 36 dB betekent een spanningsverhouding van een factor 63, dus dat is 3.6 Volt. De 9e harmonische is 50 dB zwakker dan de 50 Hz of 0.76 Volt en de rest is nog zwakker.
Het rechter deel geeft een uitvergroting van het frequentiegebied tussen 1000 en 2000 Hz. Je ziet daar de harmonischen 1050, 1150, 1250, enz. tot 1950 Hz
Fig. 6. Zelfde situaties als in fig. 5, maar nu is er een stroom met frequentie 1409 geinjecteerd. Deze frequentie is met de fijnregeling zo gekozen dat de spectraallijn tussen de harmonischen van de 50 Hz staat. Als je goed kijkt kun je 'm ook in het linker plaatje zien, daar staat het rode kruisje op dezelfde plek.
Om van deze meetwaardes in dB tot de bronimpedantie van het lichtnet te komen moeten er calibraties en berekeningen gemaakt worden.
Daartoe sluiten we injector en de probe eerst aan op enkele bekende weerstanden. Ik had 12 Ohm, 2.7 Ohm en 0.33 Ohm voorradig.
Met de 12 Ohm weerstand vond ik met de oscilloscope een spanning van 1.2 Volt piek-piek. Dat is 0.43 Volt effectief, en daarmee loopt er een stroom van 36 mA.
Als je een andere weerstand neemt wordt die stroom niet anders, want de injector is een goede stroombron. De 11.2 Ohm levert aan de 220V kant nl. 11.2 * (220 / 6.3)2 = 13.7 kOhm op.
In het linker plaatje zie je de 230 Volt 50 Hz op -5.1 dB. Dat betekent dat 0dB overeen komt met 10 ^ (5.1 / 20) * 228 = 410 Volt.
Met deze kennis kun je nu de spanningen die bij de diverse dB waardes horen uitrekenen als: U = 410 / 10^ (dB-waarde/20)
Ik heb een reeks metingen gedaan:
Drie referentie weerstanden van 0.33, 2.7 en 12 Ohm.
Een slof bij mijn werktafel achter in de schuur. Die is via 3 andere sloffen aangesloten op een wandcontactdoos (het echte stopcontact) Deze wandcontactdoos heeft ca. 35 meter gewone leiding -2.5 mm2- naar de meterkast. Dat is 0.5 Ohm heen en weer. (uit te rekenen)
Een losse tussenmeter, aan de andere kant kortgesloten. Ik had nl. het vermoeden dat de zelfinductie van de stroomspoel in de kWh meter een rol zou spelen.
Een wandcontactdoos vlak bij de meterkast, die ook nog eens op een andere eindgroep maar wel dezelfde fase zit. Daarbij werd de injectie nog steeds achter in de schuur gedaan.
En dat alles bij 1.4 kHz en bij 3 kHz.
Fig. 7. Meetresultaten en berekeningen. Klik op de afbeelding voor het echte Excel sheet Je kunt dan m'n berekeningen controleren.
Het Excel sheet is zo opgebouwd dat je op regel 3 de eigen gemeten dB waarde voor de 50 Hz component en de echt gemeten spanning kunt invullen. Op regel 5 moet je de gemeten geinjecteerde stroom opgeven. In kolom B kun je vanaf regel 7 de gemeten dB waardes invoeren. Het sheet berekent dan de bijbehorende spanning en de bijbehorende schijnbare weerstand.
De gebruikte
meetmethode geeft een redelijk betrouwbaar resultaat, in het bijzonder omdat
er (ook) aan bekende weerstanden gemeten is.
Er zijn meetfouten bij die bekende weerstanden, maar die liggen binnen 30%
en dat is voor dit doel -bepalen van de orde van grootte- ruim voldoende.
Bedenk ook dat een afleesfout van 1dB al 12% vertegenwoordigt in de spanning
of -hier- weerstand.
Bij de metingen aan
leidingen is er zeker ook zelfinductie in het spel. De weerstand is
gemakkelijk te berekenen als je weet wat voor leiding het is, maar het
bepalen van de zelfinductie is een stuk lastiger. Een praktische aanname
voor een losse draad is 1 uH per meter. Passen we dit toe op de leiding van
35 meter naar de schuur dan vinden we 70 uH, en dat is bij 1.4 kHz goed voor
0.6 Ohm reactief. Dat past bij wat er gemeten is, het verschil tussen
de weerstand bij de meterkast en in de schuur.
De kabel in de
dijk/straat naar het transformator huisje waar ik mijn energie van betrek is
ca. 800 meter lang en opgebouwd als 4 x 95 mm2 Aluminium Dat is
goed voor 0.48 Ohm heen-en-weer. De meting bij de meterkast is daar niet
strijdig mee; de rest van de impedantie zal zelfinductie zijn.
Een vergelijk tussen de
metingen bij 1400 en 3000 Hz wijst in de richting van zelfinductie. Alleen
de meting bij de meterkast geeft geen verschil terwijl dat wel te verwachten
zou zijn. Dit kan echter binnen de meetfout vallen, dus ik besteed er verder
geen
aandacht aan.
In elk woonhuis zal de situatie anders zijn. Ik vermoed echter dat ik hier met een meer dan gemiddelde lichtnet impedantie te maken heb (gunstig voor de beoogde werking van het filter) gezien de vrij lange leiding binnenshuis, en ook de betrekkelijk lange leiding naar het transformator huisje. Ik woon in het buitengebied met een betrekkelijk geringe woningdichtheid.
Conclusie:
De bronimpedantie van het
lichtnet is in de meeste woonhuizen waarschijnlijk zodanig laag dat het
"kortsluiten" van differentiele storing in het "belangrijke"
frequentie gebied van 1 kHz tot 3 kHz door het filter in het gewraakte
artikel zo goed als niet werkt.