Obwód do pomiaru napięcia stałego wysokiego napięcia (do 1000 V)

Jestem studentem ostatniego roku E&E i próbuję zbudować miernik mocy, który musi być w stanie zmierzyć dość wysokie napięcia prądu stałego, do 1000 V prądu stałego. Mierzę za pomocą prostego 12-bitowego przetwornika ADC o zakresie napięcia wejściowego od 0 do 2,5 V. Czy prosty dzielnik napięcia i bufor wzmacniacza operacyjnego byłyby wystarczające do zastosowania, czy potrzebny jest inny rodzaj obwodów analogowych z przodu, ponieważ napięcie jest tak wysokie?

Dzielnik rezystora zrobi to, co chcesz, ale przy tym napięciu są pewne problemy, które normalnie możesz zignorować:

1. Górny opornik musi być w stanie wytrzymać 1 kV. Są trudniejsze do uzyskania niż „zwykłe” rezystory i często nie są liniowe z napięciem na wysokim końcu.

2. Rozpraszanie mocy. Nawet to, co normalnie byłoby „dużym” rezystorem, jak 1 MΩ, rozprasza cały wat, gdy przyłożony jest do niego 1 kV.

3. Potrzebujesz fizycznej odległości między dwoma punktami, które mają kV między nimi dla bezpieczeństwa i aby zapobiec wyładowaniu łukowemu w powietrzu.

Z tych wszystkich powodów zastosowałbym górny rezystor dzielnika napięcia z wieloma innymi zwykłymi rezystorami połączonymi szeregowo. Na przykład rezystory 0805 są zwykle znamionowane na 150 V (zadanie sprawdzenia arkusza danych). Dziesięć szeregowych rezystorów 1 MΩ 0805, rozmieszczonych fizycznie od końca do końca, można zastosować jako rezystor 1 kV 10 MΩ. Napięcie na każdym oporniku będzie wynosić 100 V lub mniej, co utrzymuje je w granicach specyfikacji.

Łącznie ciąg rezystorów o mocy 10 MΩ rozprasza tylko 100 mW, więc każdy pojedynczy rezystor ma tylko 10 mW. Tutaj nie ma problemu.

W przypadku górnego rezystora 10 MΩ dolny rezystor dzielnika idealnie wynosiłby 25,06 kΩ, aby uzyskać 2,50 V przy 1000 V. W celu uzyskania odrobiny nadciśnienia powyżej maksymalnej specyfikacji napięcia wejściowego wynoszącej 1000 V, a więc 24 kΩ lub powinien to zrobić nawet trochę niższy dolny rezystor.

Impedancja wyjściowa dzielnika o tak wysokim stosunku jest w zasadzie dolną wartością rezystora. 24 kΩ może być zbyt wysokie dla niektórych A / D, więc możesz buforować to za pomocą opampa jako popychacza napięcia.

Tak, możesz użyć dzielnika napięcia (w rzeczywistości istnieje kilka innych praktycznych rozwiązań).

Będziesz musiał użyć precyzyjnego rezystora dla rezystora o wysokiej wartości, który jest przeznaczony do bezpiecznego działania przy 1000 V. Nie przeocz tego szczegółu. Będziesz także musiał przestrzegać zaleceń dotyczących układu - które mogą obejmować frezowanie szczeliny izolacyjnej pod rezystorem, aby zwiększyć odległość upływu, chyba że sam rezystor jest naprawdę długi, i na pewno będą wymagały innych rozważań dotyczących PCB na wejściu wysokiego napięcia.

Ogólna rezystancja dzielnika będzie ograniczona impedancją wyjściową, którą należy osiągnąć, a to zostanie określone przez ADC, jeśli spróbujesz wejść bezpośrednio na wejście ADC. Najprawdopodobniej nie będzie to pożądane, ponieważ (dla pełnej dokładności) ADC musi zobaczyć na wejściu kilka kiloomów. Powiedzmy, że to 2.5K. Następnie będziesz musiał użyć 1M (lub mniej) dla rezystora o wysokiej wartości, a on rozproszy 1 W (lub więcej) przy 1000 VDC - niezbyt dobre dla dokładności (i znacząco ładuje wejście - 1 mA przy 1 kV).

Lepszym rozwiązaniem może być użycie wysokowydajnego bufora wzmacniacza operacyjnego na wejściu ADC, co pozwala na użycie więcej jak 10M i 25K.

Jeśli masz wyższe napięcie zasilania w systemie, może być niewielka zaleta w podziale na wyższe napięcie, takie jak 10 V z zasilaniem 15 V, a następnie buforowanie i użycie drugiego dzielnika pasywnego, aby obniżyć do 2,5 V, ale prawdopodobnie nie jest to konieczne tylko przy 12-bitowej rozdzielczości. Zmniejszyłoby to efekt przesunięcia wzmacniacza operacyjnego i przesunięcia przesunięcia, kosztem zaangażowania dwóch dodatkowych rezystorów w budżet błędów (ale wysokie napięcie powinno być twoim głównym źródłem obaw).

Pamiętaj, że każdy dzielnik oporowy ma pasożytniczy dzielnik pojemnościowy. W zależności od zastosowanych konstrukcji rezystorów fizycznych stosunek tego dzielnika może być bardzo różny od stosunku rezystancji; może to spowodować zaskakująco wysokie skoki napięcia na wejściach układu scalonego, dlatego powinieneś przymocować wejścia układu scalonego do bezpiecznego poziomu za pomocą szybkich diod i / lub zrekompensować dzielnik (być może „zrekompensować” go dużym kondensatorem na dolnym oporniku).

Problem z dzielnikiem to V ² / R (moc znamionowa). Przy 1000 V, dzieląc ją na 2,5 V, deltaV wyniesie 997,5 V. Nawet jeśli używasz rezystora 1 MegaOhm, mówisz o użyciu rezystora o mocy 1 W. W praktyce nie chcesz rezystora tak dużego, ponieważ będzie to znaczna część impedancji wejściowej wzmacniacza operacyjnego poza dokładnością pomiaru. Przy 100kOhm będziesz wyglądał bardziej jak 10 W. Prawdopodobnie będziesz musiał zorganizować kombinację rezystorów równoległych i szeregowych, które zapewnią ci skuteczny opór, którego potrzebujesz, jednocześnie rozkładając wymagania dotyczące rozpraszania mocy.

Innym problemem będzie zakres dynamiczny. Zamierzasz podzielić 1000 V na 2,5 V, czyli współczynnik 400. Oznacza to, że naturalny sygnał 1 V przejdzie do ADC jako sygnał 0,0025. Twoja naiwna rozdzielczość napięcia z ADC 2,5 V @ 12 bitów wynosi 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352 V / LSB, ale liczba efektywnych bitów jest prawdopodobnie bliższa 10 lub 0,002441406 V / LSB. Więc jesteś dobry, dopóki akceptujesz, że dolna granica twojego pomiaru będzie wynosić około 1 V. Techniki uśredniania mogą poprawić efektywną rozdzielczość napięcia, kosztem zmniejszenia rozdzielczości czasowej / zniekształcenia sygnału w dziedzinie czasu.

„Multimetr” może to polegać na ładowaniu kondensatora z dużym rezystorem i okresowym próbkowaniu go, aby można było wyliczyć napięcie sterujące. Oczywiście należy docisnąć napięcie poniżej maksymalnego napięcia kondensatora, a także potrzebujesz sposobu na rozładuj kondensator. Proste rozładowanie tranzystora (lub mosfeta) nie da idealnych wyników, ponieważ żaden półprzewodnik nie ma napięcia ec ani ds. Ale to chyba zbyt wiele szczegółów.

Zaletą tego jest to, że otrzymujesz szeroki zakres napięcia roboczego, prosty dzielnik rezystorowy odpowiedni dla 1kV nie jest bardzo przydatny do pomiaru 1V.

W przypadku dzielnika rezystorowego serii megaohm sprawdź rezystancję i napięcievenin. Zasadniczo rth to tylko dzielnik napięcia góra / dół równolegle, a vth to napięcie wyjściowe dzielnika. To da ci impedancję wyjściową i prąd płynący do opamp / adc.