Czy ten zaciskowy dzielnik napięcia dla wejścia o wysokiej impedancji jest dobrą, solidną konstrukcją?

Mam wejście AC w ​​następujący sposób:

1. Może stale wynosić od ± 10 V do co najmniej ± 500 V.
2. Działa w przybliżeniu od 1 Hz do 1 kHz.
3. Wymaga impedancji> 100 kΩ, w przeciwnym razie zmienia się jego amplituda.
4. Czasami może zostać odłączony i narażać system na zdarzenia ESD.

Kiedy napięcie wejściowe jest niższe niż 20 V, muszę digitalizować przebieg za pomocą ADC. Gdy jest powyżej 20 V, mogę zignorować go jako poza zakresem, ale mój system nie powinien zostać uszkodzony.

Ponieważ mój ADC potrzebuje stosunkowo sztywnego sygnału, chciałem zbuforować sygnał wejściowy dla dalszych etapów (w tych przypadkach będę go polaryzować, zacisnąć do 0V do 5V i podać do ADC).

Dla mojego początkowego stopnia wejściowego zaprojektowałem następujący obwód, aby uzyskać bezpieczną, mocną moc wyjściową, którą mogę zasilić kolejne stopnie:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Moje cele to:

1. Zapewnić> 100 kΩ impedancji na źródle.
2. Zmień wejście ± 20 V na około ± 1,66 V.
3. Zapewniają sztywną moc wyjściową.
4. Bezpiecznie obsługuj ciągłe wejścia wysokiego napięcia (co najmniej ± 500 V).
5. Obsługa zdarzeń ESD bez zrzucania dużego prądu / napięcia na szyny ± 7,5 V.

Oto moje uzasadnienie mojego projektu obwodu:

1. R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia, zmniejszając napięcie o 12X.
2. W TVS reaguje dioda szybko w celu ochrony przed ESD wydarzenia na wejściu, dumpingu je do mojego mocnego podłoża, bez niczego dumping na moich (słaby) ± szyn 7.5V.
3. TVS diody obsługuje również ekstremalną przepięcia (trwały ± 500V) przez manewrowych do ziemi. W tych przypadkach przekroczenie limitu R1 .
4. D1 i D2 zaciskają podzielone napięcie na ± 8,5 V, więc nie potrzebuję kondensatora wysokiego napięcia dla C1 ; będąc za R1 , prąd przez nie jest również ograniczony.
5. $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

Czy ten obwód jest optymalny dla moich celów? Czy mogę się spodziewać jakichkolwiek problemów? Czy są jakieś ulepszenia, które powinienem wprowadzić, czy jest lepszy sposób na osiągnięcie moich celów?

EDYCJA 1

1. Początkowo powiedziałem, że musi to obsługiwać w sposób ciągły ± 200 V, ale myślę, że ± 500 V jest bezpieczniejszym celem.

2. Aby dioda TVS działała bez zmian , R1 musi zostać podzielony na dwa oporniki, tutaj R1a i R1b , jak sugeruje @ jp314 :

^{zasymuluj ten obwód}

EDYCJA 2

Oto poprawiony obwód, który uwzględnia dotychczas otrzymane sugestie:

1. Zenery w zasilaczu ( @Autistic ).
2. Rezystory prowadzące do nich ( @Spehro Pefhany ).
3. Szybkie diody BAV199 ( @Master ; alternatywa o mniejszym przecieku do BAV99, którą sugerowała @Spehro Pefhany , aczkolwiek o maksymalnej pojemności około 2 pF zamiast 1,15 pF).
4. Dioda TVS z przodu i uaktualniona do 500 V ( @Master ), więc obsługuje tylko zdarzenia ESD, chroniąc R1 .
5. Zupełnie zwarte od wyjścia wzmacniacza operacyjnego do wejścia ujemnego ( @Spehro Pefhany i @Master ).
6. Zmniejszony C1 do 10μF ( @Spehro Pefhany ); wprowadza to spadek napięcia o 0,3% przy 1 Hz, co nie jest tak dobre jak oryginalna nasadka 220μF, ale ułatwi pozyskiwanie kondensatora.
7. Dodano 1 k rezystor R6 do ograniczania prądu do OA1 ( @Autistic i @Master ).

^{zasymuluj ten obwód}

Twoje D1 i D2 przyjmą skoki wejściowe, a nie TVS - podziel 220k na 200k + 20k i umieść 20k pomiędzy TVS a diodami.

Lub po prostu użyj zenera 4,7 V z tego węzła do GND.

Nie potrzebujesz R3 / C2. Nieodwracające wejście wzmacniacza operacyjnego „widzi” R2 (20K) na ścieżce prądu stałego polaryzacji (nie 220K), więc przesunięcie będzie prawdopodobnie nieistotne, jeśli zastąpisz je zwarciem. Jeśli nalegasz na R3 / C2, zobacz poniżej obliczenia.

220K reprezentuje reaktancję pojemnościową 0,7uF przy 1 Hz, więc myślę, że mały i niedrogi (i nieszczelny) kondensator ceramiczny 10uF będzie w porządku, dodając kwadraturę około 7%, więc całkowity efekt mniejszy niż 0,3% . Jednak mogą wystąpić pewne efekty z powodu zaciskania, więc najlepiej zbadać to w zależności od tego, jak dokładnie się zachowasz . Podczas zaciskania „widzi” 20k szeregowo z zaciskiem o niskiej impedancji, więc stała czasowa jest 11 razy krótsza.

R1 ma krytyczne znaczenie dla niezawodności - praktycznie całe napięcie spada na nim - musi być typu wysokiego napięcia, przystosowanego do wszelkich przewidywanych stanów nieustalonych, zwłaszcza jeśli napięcie wejściowe pochodzi z sieci, co może oznaczać kilka kV. Vishay VR25 może być odpowiedni (ołowiowy). Nie skąp tutaj. O ile kilka ostatnich groszy nie jest ważniejszych niż niezawodność, nie jestem wielkim fanem używania wielu zwykłych rezystorów do tego celu - jedna odpowiednio oceniona część powinna być w porządku, chyba że musisz użyć dwóch odpowiednio ocenianych rezystorów szeregowo dla jeszcze większej niezawodności .

Straciłbym TVS i rozważę mocowanie albo bezpośrednio bocznikiem (takim jak para Zenera), albo diodami przełączającymi o niskiej pojemności, takimi jak para BAV99, do wstępnie obciążonych boczników, takich jak Zeners lub TL431 (z rezystorami do szyn zasilających). Ta ostatnia będzie miała znacznie mniejszą pojemność niż bezpośrednie używanie zenerów, a zatem spowoduje mniejsze przesunięcie fazowe przy 1 kHz, jeśli jest to dla ciebie ważne. Prąd zaciskania jest mniejszy niż 1 mA przy 200 V, więc nie jest to bardzo obciążające, dopóki R1 wytrzyma każdy EMF, któremu podlega. Obie opcje, które zasugerowałem, mogą z łatwością zablokować 100 mA, przynajmniej przez krótki czas.

R3 / C2 tak naprawdę nie tworzą filtra dolnoprzepustowego - R3, a pojemność wejściowa wzmacniacza operacyjnego tworzy filtr dolnoprzepustowy, a najlepiej byłoby wybrać C2, aby był znacznie większy, więc jeśli pojemność wejściowa wynosi 15 pF, możesz użyć 1 nF czy jakoś tak. Miałbyś kłopoty z samym 20K tylko, gdybyś miał bardzo nieodpowiedni wzmacniacz operacyjny (zdolny do bardzo wysokich częstotliwości), w którym wynikowe przesunięcie fazowe wpłynęło na stabilność, i oczywiście krótkie nie ma tego problemu.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

P / N OP AMP i diody na schematach nic nie znaczą. Diody D3 D4 są albo jednym połączeniem BAV199, albo 2 bramami do kanału jFET MMBF4117. OA1 to OPA365. C3 należy wybrać, aby zapewnić wystarczająco niską częstotliwość przejścia dla filtra na C3, R1 / 2.

R2 i R3 są korzystnie precyzyjnymi rezystorami cienkowarstwowymi lub nawet dwiema częściami jednej sieci rezystorów. Określają twój dryft zerowy.

R5 musi być przystosowane do napięcia 1 kV, można stosować szeregowo szereg rezystorów 0603.

Aby być naprawdę bezpiecznym, można dodać rezystor 1 kOhm między nieodwracającym wejściem OPA365 a punktem środkowym R1 R2. Pomaga ograniczyć prąd wejściowy, jeśli coś pójdzie naprawdę źle.

Ogranicznik napięcia dużej mocy (jak dioda TVS lub warystor) jest korzystnie podłączony między WEJŚCIEM a GND. Jego napięcie wynosi około 600-800 V.

Jakiego rodzaju OPA używasz? Jeśli jest to wejście FET OP AMP (prądy wejściowe poniżej 100 pA), wówczas nie potrzebujesz R3 C2. Ponadto, jeśli nie przejmujesz się przesunięciem DC, znacznie lepiej jest usunąć R3 C2.

Nie widzę żadnej wartości w diodzie TVS 30 V. Absolutnie zgadzam się z @Autistic. Możesz ustawić go równolegle do wejścia (przed R1) i zmienić na typ 500-700 V. Jego funkcją jest zatem: ochrona R1 i innej elektroniki przed naprawdę krótkimi skokami powyżej 800 V (nie wiem, czy twoja aplikacja może wpaść w tego rodzaju kłopoty).

R1 musi mieć wartość znamionową dla 1000 V lub być realizowany jako szereg rezystorów 0603 lub większych, biorąc pod uwagę przerwy izolacyjne.

Jeśli chodzi o „prawdziwy” zacisk: pomysł @Spehro Pefhany z uprzedzonego BAV199 (dwie diody o niskim wycieku w jednym pakiecie SOT) wygląda najlepiej. Nie przejmowałbym się zbytnio prądami do szyn zasilających: są one ograniczone przez 4 mA (800 V / 200 kOhm), prawdopodobnie jest to mniej niż prąd zasilający jednego OP AMP, którego używasz.

Dlaczego nie postawić R2 (uważam, że jest to dzielnik napięcia) przed C1 i zastosować bardzo duży rezystor (1 MOhm) zamiast R2 - to pozwala C1 być tak małe, jak kilka uF.