La ce curent functioneaza creioanele de tensiune clasice cu neon?

[Vasile5]

@Stefan, @validae , sper să aveți răbdare să citiți până la capăt postul meu foarte lung. Luați o cafea, un ceai și așezați-vă confortabil. Prima jumătate a postului este neinteresantă, dar necesară, spre final lucrurile sunt interesante, eu așa cred.

 

Am plecat de la o problemă banală. Doresc să realizez un montaj pentru protecția  la inversarea fază-nul a unor aparate alimentate la rețea. Aparatele moderne nu sunt afectate de inversarea fază-nul, dar aparatele mai vechi aveau șasiul legat la nul și o astfel de protecție este utilă.

 

Nu doar la aparatele vechi, sunt și aparate moderne unde inversarea fază nul trebuie evitată.

 

Realizarea unui montaj care să detecteze faza este trivială, cu condiția ca montajul să aibă o  cale de legătură la pământ. Fără o legătură de împământare sau fără un cuplaj capacitiv la pământ, un astfel de montaj este imposibil de realizat. Într-adevăr, un circuit cu doar două intrări (fază și nul) nu va putea niciodată să diferențieze care dintre acestea este faza și care este nulul, neavând o referință. Dacă circuitul "observă" tensiune mai mare pe firul din stânga, el nu poate să știe dacă în stânga este faza și alternana este pozitivă, sau din contră, în dreapta este faza însă alternanța este negativă.

 

Toate aparatele care detectează faza (mă rog, toate care o fac în mod "reliable" și sunt abordabile) au cumva o cale de legătură la pământ, fie directă, fie capacitivă, și de cele mai multe ori folosec corpul uman pe post la de armătură a cuplajului capacitiv deoarece corpul uman are o capacitate deloc de neglijat.

 

Deoarece doresc ca montajul meu să protejeze un aparat cu doar două fire (fără fir de împământare) și neavând cum să folosesc corpul uman, a trebuit să improvizez o armătură cu rol de cuplaj capacitiv, dintr-un pcb de 10cm x 10cm.

Pentru teste am realizat diverse montaje, cu operațional, cu 555, cu tranzistori etc. Toate montajele făcute au funcționat, dar niciunul satisfăcător.

Prima dificultate apare din cauza suprafeței mici a acestei "armături" de 10 x 10 cm, aceasta fiind mică realizează un slab cuplaj capacitiv cu pământul (slab în comparație cu corpul uman) și deci curentul devine foarte mic, fapt ce mă obligă să cresc sensibilitatea circuitului foarte mult și apar alerte fals pozitive.

Ori, montajul meu fiind cu rol de protecție, trebuie să nu dea erori nici în sens pozitiv, dar nici negativ. Trebuie să te poți baza pe el.

Indiferent de schema pe care am conceput-o și de componentele folosite, problema se reduce în final la deschidera unui tranzistor mosfet, iar tranzistorii mosfet au tensiunea de deschidere relativ mică. Ori, dacă asociem un curent extrem de mic și o tensiune de deschidere mică, oricine își poate da seama că lucrurile nu sunt simple. Adăugarea unor componente suplimentare este dificilă deoarece la curent așa de mic simpla capacitate parazită a unui rezistor introduce pierderi majore. Se pot adăuga câteva componente, dar bine alese, nu e loc de manevră. Am încercat artificii care ajută, dar nu suficient. Pînă și curentul de scurgere  în conducție inversă al diodelor este de ordinul uA (adică foarte mare) și e o problemă.  Inițial m-am gândit la un etaj de amplificare ca la radio, dar am realizat repede că era o cale greșită! M-am gândit la diode de detecție radio, dar și această cale era greșită!

În fine, montajele pe care le-am făcut funcționează corect la baterie, dar nu  funcționează alimentate din sursă de tensiune provenită din tensiunea de la priză. Problema este că sursele de alimentare cu tensiune continuă  moderne (inclusiv cele în comutație) au un cuplaj parazit  cu tensiunea de rețea. Izolarea galvanică nu este perfectă, absolut. Ori, în aceste condiții, nulul montajelor alimentate de la tensiune provenită din aceste surse nu este stabil în raport cu pământul, el este flotant. Aceste mici variații dau alerte fals pozitive. Chiar dacă sursa oferă tensiune stabilizată perfect la ieșire, aceasta este irelevant, pentru că tensiunea de la ieșire este stabilă ca valoare dar flotantă (atât + cât și -) în raport cu pămîntul, deci nu ajută.

 

În fine, am decis să cercetez mai îndeaproape aparatele comerciale și să văd cum sunt construite.

Aparatele comerciale care detectează faza, lampa de tensiune, creion de tensiune noncontact, multimetru noncontact, toate au o legătură cu pământul într-o formă sau alta și, de cele mai multe ori, se folosesc de cuplajul capacitiv al corpului uman. Chiar și multimetrele noncontact izolate se folosesc de asta, ele realizează un cuplaj capacitiv între multimetru și palma în care sunt ținute (prin husa aparatului) și apoi un al doilea cuplaj este între picioarele omului și pământ. Problema î acestor aparate este că au rata de fals-negativ relativ mare. Se întâmplă uneori să rateze. Asta se poate întâmpla mai ales atunci când suntem cocoțați pe o scară de lemn de exemplu.

Există totuși un aparat care este capabil să aibă o sensibilitate extraordinară combinată cu o rată de fals-negativ aproape zero și fals pozitiv zero, sau în orice caz aproape zero, acest aparat este creionul de tensiune clasic cu lampă neon. Este și foarte iefti. Am decis deci să studiez mai îndeaproape ce secrete ascunde.

 

Nota:Pentru cei care decid să experimenteze cu astfel de lămpi, să știe în primul rând că ele au o rezistență aproape zero în conducție și au mereu nevoie de un rezistor serie de limitare a curentului (ca ledurile).

 

Experimentând cu lampa, am făcut o serie de "descoperiri" interesante, pe care vreau să le împărtășesc cu voi, poate inspiră pe cineva. "Descoperiri interesante" pentru mine, deoarece lucrurile acestea erau binecunoscute de câteva sute de ani ...dar nu de mine.

 

În primul rând, testând am realizat repede că lampa de neon, alimentată printr-un rezistor de sute de k sau chiar 1M, nu are nevoie să fie atinsă de mâna umană pentru a lumina. Este suficient să așezăm o simplă monedă pe unul din piciorușele lămpii pentru ca aceasta să realizeze un cuplaj capacitiv suficient de bun încât în semi-întuneric să fie vizibilă privind cu atenție de la un metru. Cunoscând capacitatea corpului uman, am calculat că fiind atinsă cu mâna, lampa luminează la un curent de aproximativ 4uA - 5uA, iar fără mână și folosind moneda care are o capacitate mult mai mică, lampa luminează la doar câțiva nA! Nu este extraordinar!?! Câte leduri moderne cunoașteți voi care să lumineze vizibil de la un metru la un curent de nA?

Mergând mai departe și îndepărtând moneda, am observat că simplul picioruș al lămpii are o suprafață suficient de mare încât lampa luminează în semi-întuneric fără a fi atinsă de nicio monedă,  luminează singură prin cuplajul parazit infim realizat de piciorușul lămpii, luminează suficient de puternic încât să poată fi observată privind foarte atent, de foarte aproape sau cu lupa. Nu credeți că  este remarcabil faptul că este extraordinar de sensibilă dar totodată are fals pozitive aproape 0? Aici cu siguranță se ascunde un mister!!! Circuitul ideal la care doream să ajung.

Am decis să nu mă rezum la calculele teoretice și să fac măsurători ale curentului minim de la care lampa începe să lumineze observabil, vizibil, dar mi-am dat imediat seama că ar fi imposibil! Ar fi trebuit un multimetru extrem de sensibil, cu o impedanță de intrare uriașă (simpla atingere a lămpii cu sonda multimetrului, fără ca sonda cealaltă să fie atinsă de mînă, este suficientă să adauge o capacitate parazită care face lampa să lumineze și poate fi observată dacă cineva cunoaște existența fenomenului și se uită cu atenție în semiîntuneric), iar pe de altă parte, știam că lampa cu neon nu este o lampă clasică cu incandescență, ea modifică forma de undă a curentului, care nu mai este sinusoidă (lampa cu neon funcționează prin ionizarea gazului la fiecare alternanță, ionizare care modifică forma de undă a curentului, introducând în circuit o rezistență variabilă, dinamică). Mi-ar fi trebuit deci un multimetru cu impedanță de intrare uriașă și true RMS. Nu am așa ceva.

Am decis deci să întreb pe forum, în speranța că cineva este familiarizat cu lămpile cu neon și-mi poate spune care este curentul, sau, în orice caz, cineva se va decide să măsoare și mă va ajuta. Un rezultat exact era imposibil de obținut prin măsurătoare, dar un rezultat aproximativ, obținut în condiții de zi, cu atingere la mână, era suficient să confirme observațiile mele și aproximările pe care le-am făcut din calcule.

Deși am căutat, nu am reușit să găsesc pe niciun site această informație legată de valoarea curentului minim.

În fine, era clar, indisputabil, că orcare ar fi valoarea exactă a curentului acela este  în jur de  4uA pentru condiții de zi și merge mult în jos pînă la nA pentru cazul în care nu e atinsă cu mîna, pentru semiîntuneric. Aveam nevoie doar de o confirmare.

Înainte de a discuta și cel de-al doilea mister, anume cum se face că nu dă fals pozitive, vreau să fac o paranteză. Ați observat că am folosit cuvântul semiîntuneric și nu întuneric. Nu este întâmplător. Lampa cu neon are nevoie de raze luminoase pentru a se ioniza mai ușor, pentru a se "declanșa". Ea pusă într-o cameră unde este întuneric complet are nevoie de tensiune mai mare pentru a se activa, nefiind lovită de raza luminoasă care o activează. Deci cel mai bine se poate testa în semi-întuneric unde se activează  mai ușor și se observă ușor și lumina. Eu ulterior, citind am înțeles acest fenomen pe care-l observasem dar nu-l înțelegeam. Acest fapt nu trebuie trecut cu vederea deoarece lampa poate fi folosită și pe post de "fotodiodă" sau chiar mai mult, detector de radiație neionizantă în afara vizibilului. Nu credeți că este interesant pentru o lampă așa mică, fără filament ca lămpile clasice? Poate cineva se decidă să facă un proiect folosind această proprietate.

Cât privește cel de-al doilea mister? Era clar că lipsa alertelor false se datorează tensiunii mari necesare pentru declanșarea lămpii. Cu alte cuvinte, curentul o fi de ordinul uA sau nA, dar tensiunea trebuie să fie mare. Totuși, asta nu rezolvă misterul. Nu iese la calcule! Dacă lampa funcționează înseriată cu o rezistență mare, uriașă aș zice (de sute de k sau M) și înseriată totodată cu un condensator extrem de mic, nu poate avea totodată și o cădere mare de tensiune? Dacă ar fi așa, ce facem cu căderea de tensiune pe rezistor și cea pe condensator? Adunându-le toate nu pot depăși tensiunea de rețea. Rezolvarea misterului am aflat-o citind. Lampa nefiind o lampă cu incandescență, în faza inițială (neionizată) nu lasă să treacă niciun curent prin ea, are curent de leakage 0 (mai bine chiar decât diodele care au pierderi de câțiva uA). Nefiind străbătută de curent, rezistențele în serie cu ea sunt irelevante, în aceste condiții ea are la borne tensiunea maximă. Odată ce gazul s-a ionizat, rezistența lămpii devine brusc extrem de mică, aproape 0, iar căderea de tensiune la bornele ei se stabilizează la valoarea corespunzătoare ionizării gazului din interior (90V sau 60V-70V, depinde de gazul cu care e umplută), rămânând ca "restul de volți" să fie distribuiți acum, existând și un curent de conducție, pe rezistorul și capacitatea înseriate.

Și aceasta este o proprietate interesantă a lămpii, anume că poate funcționa aproximativ ca dioda, dar ce diodă! - cu cădere de tensiune fixă  80V sau 90V! Interesant, nu? Poate ar merge folosit la un proiect, cine știe? Lămpile clasice cu filament pot face asta, dar sunt uriașie în comparație cu lampa neon.

 

Pentru cei interesați și care au avut răbdare să citească, adaug că principiul de funcționare al acestor lămpi, deși denumite cu neon și care într-adevăr conțin neon, este mai aproape de cel al tuburilor nixie decât cel al tuburilor clasice cu neon. Fenomenele de iluminare fiind oarecum diferite.

 

Adaug o ultimă proprietate intersantă pe care, cine știe, poate unul dintre colegii de pe forum o va folosi cîndva, anume că lămpile acestea fiind capabile să detecteze curenți extraordinar de mici  pot fi folosite ca senzor de flacără, putând detecta curentul de ionizare al unei flăcări. Am descoperit această utilizare nu experimentând, dar citind acest link, la pagina 16 din 34: https://www.giangrandi.org/electronics/neon/neon.shtml

 

Acolo, pentru curioși, puteți găsi și alte proprietăți și aplicații interesante

 

 

Editat Ieri la 08:42 de Vasile5

[Vasile5]

Cu toate aceste experimente și "descoperiri interesante", nu am reuști să realizez montajul propus.  Poate vine cineva cu sugestii. Nu doresc cuplaj inductiv și amplificare, unde nu mai contează pămîntul, doresc ceva simplu ca să fie practic. Așa, realizabile sunt multe dar devin nepractice.

 

Editat Ieri la 08:55 de Vasile5

[Ovidanie]

Ai testal și becurile ornamentale?

https://www.bizanticons.ro/ro/becuri-economice-candelabre/2065-bec-cruce.html?gad_source=1&gclid=Cj0KCQiAoJC-BhCSARIsAPhdfShh0lHVmAhrxjQkfxtfHloo2vIBZZa2ZSraJB5hYo9CR8ZeZXA9wtwaAvInEALw_wcB

 

Fiind mai mare, probabil și curenții sunt mai mari, poate ajută.

[Alic]

Fără împământare nu  se poate.  

Am făcut cândva un filtru de retea mai complex care indica și faza prin aprinderea a două leduri,  verde ok, roșu bagă ștecherul invers.

Fără o împământare  în parametri nu funcționa șmecheria cu indicarea fazei.  Adică nu funcționa corect. 

[mihaiaurul]

Nu ar merge cu două  mici transfomatoare de curent montate pe Faza si Nul si apoi un comparator pentru "zgomotul" de pe cele două fire ?

[antonvasileeee]

Tuburile clasice cu neon sunt de fapt tuburi cu descarcare in vapori de HG.

Editat Ieri la 09:39 de antonvasileeee

[PINTI]

Acum 1 oră, Alic a spus:

Fără împământare nu  se poate.  

Am făcut cândva un filtru de retea mai complex care indica și faza prin aprinderea a două leduri,  verde ok, roșu bagă ștecherul invers.

Fără o împământare  în parametri nu funcționa șmecheria cu indicarea fazei.  Adică nu funcționa corect. 

Ai dreptate. Fara impamintare nu se poate. Pamantul este borna de referinta

In magazinele L--l, a fost comercializat un astfel de produs. Introdus in priza iti afisa, prin intermediul a trei leduri, urmatoarele: conectarea corecta F-N, conectarea incorecta F-N, lipsa impamantare, lipsa N, lipsa F.

https://imgur.com/a/a9bG16V

 

Edit:

Priza trebuie sa fie cu impamantare.

 

Editat 22 ore în urmă de PINTI

[Vasile5]

Domnilor, nu știu dacă ați înțeles ce-am scris sau răspundeți la mișto.

Multe aparate de acest gen sunt pe piață de mulți ani, dar toate ,chiar dacă nu au împământare directă, nu e niciun fir de legătură (din contră, chiar detectează lipsa firului de pămînt), au totuși într-un fel sau altul raportare la potențialul zero, la pământ, fie prin cuplaj capacitiv, fie în altfel. Fără o raportare la ceva, o tensiune nu are sens.

Chiar în link-ul pe care l-am pus eu în primul post este un astfel de "ștecher smart" denumit: "AC outlet earth checker".  Credeți că am postat acel articol fiind nebun? Acele aparate sunt de un primitivism rar și  nu rezolvă problema.

 

 

@antonvasileeee, tuburile clasice cu "neon" emit UV. Tubul are pe pereți un strat de fosfor care transformă UV în vizibil. Principiul de funcționare e diferit. Acelea sunt altceva, sunt impropriu denumite "neoane".

Editat 22 ore în urmă de Vasile5

[Vasile5]

Eu însumi am încercat ieri  un astfel de montaj care detecta chiar și prin perete, chiar ținut în buzunarul hainei. Am folosit o simplă baterie de 9V și un banal 555. Acest montaj nu e ce-mi trebuie.

[Alic]

Acum 9 minute, Vasile5 a spus:

Domnilor, nu știu dacă ați înțeles ce-am scris sau răspundeți la mișto.

Dacă ne iei în stilul balcanic,  te lăsăm sa perorezi inutil.

Foloseste principiul acelui aparat de care pomenești și scutește-ne de critici aiurea. 

Nu vad la ce link faci referire în primul post, adică aparatul în sine. 

 

Acum 2 minute, Vasile5 a spus:

Acest montaj nu e ce-mi trebuie.

Tocmai.... 

[antonvasileeee]

Acum 3 ore, Vasile5 a spus:

decât cel al tuburilor clasice cu neon.

Sunt cuvintele tale .

Intre tub si bulb e ceva diferenta .

[Vasile5]

Caută folosind CTR+F după "AC outlet earth checker" și o să găsești. Dacă nu găsești, uite aici:

 

 

[Vasile5]

"Polologhia" pe care am scris-o, e adevărat, e mare, dar dacă citeai cu atenție mai ales link-ul pe care l-am dat cred că aveai ce învăța de acolo, nu de la mine, de la cel care a scris articolul, care are și meritul a prezenta fenomene complexe într-un limbaj accesibil tuturor. Să nu uităm că înainte să măsoare Validae curentul, n-a răspuns nimeni care e valoarea curentului. Că e mic știam cu toții, dar nimeni nu știa cât de mic, iar mulți nu realizează nici acum ce înseamnă această valoare.

Mie mi se pare remarcabil că un bec atât de mic și de banal se aprinde vizibil la un curent  atât de mic. Are o sensibilitate excepțională!

Cred că nu mulți nu conștientizează ce înseamnă 10 PICO amperi sau ce înseamnă ca o lampă să se aprindă prin simplul curent care străbate plasma din flacăra unei lumânări (folosirea pentru detecția flăcării). Se pot face de exemplu niște montaje de detecție în punte extraordinar de sensibile folosind un simplu bec de 50 bani (asta nu am citit nicăieri, mă gândesc eu că ar fi posibil)

Eu am scris sperând să inspire și pe alții care folosesc creioane dinastea de 50 ani dar care nu au luat în seamă toate "nimicurile".

 

Dacă scriam că vreau o sondă care să detecteze curenți de la câțiva pico-amperi, să coste 50 bani și să fie cât un bob de fasole, cred că era mai atractiv și nu mai eram luat la mișto.

Editat 21 ore în urmă de Vasile5

[Spitfire]

@Vasile5 Ehe...nu banuiti cate utilizari poate avea un mic balon cu neon rarefiat in care sunt infipte doua sarmulite.

Mie mi-ar trebui un astfel de balon cu neon rarefiat, dar fara niciun electrod, ceva in genul acelor globuri cu plasma.Fara niciun electrod in contact cu neonul rarefiat.

https://www.temu.com/ro/kuiper/n9.html?subj=googleshopping-landingpage&_bg_fs=1&_p_rfs=1&_x_ads_channel=google&_x_ads_sub_channel=shopping&_x_login_type=Google&_x_vst_scene=adg&mkt_rec=1&goods_id=601099575594629&sku_id=17592447742279&_x_ns_sku_id=17592447742279&_x_gmc_account=778689129&_x_ads_account=5683721747&_x_ads_set=21202180267&_x_ads_id=159818279726&_x_ads_creative_id=696844412100&_x_ns_source=g&_x_ns_gclid=Cj0KCQiAoJC-BhCSARIsAPhdfShnZjIqEeAQ2sBsh_7iClO8_UuRomPmYUaZ5gKzMyHjtDqPSfC-okkaAsnlEALw_wcB&_x_ns_placement=&_x_ns_match_type=&_x_ns_ad_position=&_x_ns_product_id=17592447742279&_x_ns_target=&_x_ns_devicemodel=&_x_ns_wbraid=Cj4KCAiA_Yq-BhBHEi4Aiw23ZL14ri8aCLzWotaUjmJb9jO2zu-90XABMytgl1GcB5J4wjzFLk5B53pyGgLagQ&_x_ns_gbraid=0AAAAAo4mICF68AXhjSsrpCNgSvEJRF7h0&_x_ns_targetid=pla-2295272971187&gad_source=1&gclid=Cj0KCQiAoJC-BhCSARIsAPhdfShnZjIqEeAQ2sBsh_7iClO8_UuRomPmYUaZ5gKzMyHjtDqPSfC-okkaAsnlEALw_wcB&adg_ctx=f-806a1463&refer_page_name=kuiper&refer_page_id=13554_1740918866591_2xjqmcw4e6&refer_page_sn=13554&_x_sessn_id=fhl9oavw15

 

Citat

Câte leduri moderne cunoașteți voi care să lumineze vizibil de la un metru la un curent de nA?

 Pai..toate LED-urile produc ceva fotoni si la 1nA, si la 1 pA, etc.,  doar ca nu vizibil de ochiul omului, un LED rosu care se deschide la 1,8V si consuma 1pA va produce fotoni chiar mai multi decat un beculet cu neon care ar consuma 1,8 picowatt, dar problema e ca doar un fotomultiplicator ii va vedea, atat sunt de putini!

Editat 20 ore în urmă de Spitfire

[Vasile5]

@Spitfire eu tocmai asta am spus, vizibil, adică folosibil de orice amator în montaje reale. Orice sârmuliță încălzită produce un foton dar nu-l vede nimeni niciodată.

Cât privește consumul becului cu neon, ai apreciat greșit, sau ai înțeles greșit ceea ce am scris. Consumul este mare și randamentul este mult inferior oricărui led deoarece deși curentul e mic, puterea consumată e mare în raport cu fluxul luminos generat, asta deoarece tensiunea este de 90V (ori un led n-are nevoie de 90V). Asta este și principalul motiv pentru care neoanele au fost înlocuite cu leduri. Acest dezavantaj i-a făcut din păcate pe unii să-i ignore și avantajele, iar însăși tensiunea mare de funcționare - iată - reprezintă un avantaj eliminînd fals pozitivele.

 

Gîndește-te de exemplu cu ce precizie ai putea măsura folosind un asfel de bec neon într-o punte Wheatstone. Eu nu cunosc niciun led (de fapt niciun aparat de pe piață accesibil amatorilor) capabil să măsoare cu o astfel de precizie  nu remarcabilă, ci uluitoare, precum un simplu bec neon montat într-o punte Wheatsone.

S-ar putea astfel cu un circuit "de nimic" echilibra cu mare precizie niște componente sensibile într-un etaj audio de exemplu. Eu n-am văzut nicăiri până acum o astfel de aplicație. Probabil o fi, dar n-am văzut.

 

Faptul că mă minunez de aceste observații și vi le scriu și vouă sau descriu cum înțeleg eu lucrurile (poate uneori greșit) nu cred că trebuie luat la mișto. Nu e productiv. Ești mai deștept, eu scriu tâmpenii, încearcă să-mi explici unde greșesc, suntem la secțiunea începători aici.

 

Din feedback-ul primit am înțeles că scriu numai tâmpenii. Ceva - ceva sper să fie și corect, iar restul 99% or fi greșeli. Coboară-te la nivelul unui începător care înțelege lucrurile pe dos (că suntem la începători) și explică aceste concepte. Câți dintre noi nu înțelegeam lucrurile pe dos la început?

 

Vino cu o propunere cu o soluție. A propus cineva să folosesc două transformatoare de curent. E o idee. Veniți și cu alte soluții aplicabile la nivelul de începător.

Acele simple ștechere inteligente propuse mai sus, eu cred că nu pot fi folosite, dar dacă cineva susține totușii că pot fi folosite să-mi explice și mie, însă nu luîndu-mă la mișto.

 

Cred că @mihaiaurul și @PINTI au răspuns serios și fiind după postul lui Ovidanie eu am interpretat greșit. Scuze.

Editat 19 ore în urmă de Vasile5