Wzmacnianie prądu o wysokim napięciu nA

Mam obwód, który jest w zasadzie tylko źródłem prądu stałego 1kV podłączonym do bardzo wysokiej rezystancji ( podstawowy zarys obwodu ), w którym przepływa prąd w zakresie od 0,1nA do 500uA, który próbuję zmierzyć za pomocą Arduino (prąd zmienia się, ponieważ rezystancja zmienia się w zależności od czynników zewnętrznych). Miałem pomysł użycia tego (lub podobnego) podłączonego do Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Działa to jednak do 26 V i ma rozdzielczość tylko 0,8 mA.

Aby rozwiązać ten problem, najpierw pomyślałem o zastosowaniu dzielnika potencjałów, aby mieć równoległą sekcję obwodu o napięciu zmniejszonym do ~ 13 V, gdzie może iść INA219 ( sekcja o zmniejszonym napięciu ), z rezystorami o wysokiej rezystancji, więc zasadniczo cały prąd przepływa przez tę sekcję.

Jednak teraz muszę wzmocnić prąd w tej sekcji do wartości, którą INA219 może zmierzyć. Po sprawdzeniu rzeczy pomyślałem, że dobrym pomysłem będzie para Darlington i zastosowałem to w ten sposób: z parą Darlington . Uważam jednak, że nie ma na to wzmocnienia. Czy niewłaściwie wdrażam parę Darlingtona, czy nie działa ona na tak małe prądy, czy też para Darlingtona jest całkowicie niewłaściwym pomysłem na zwiększenie prądu? Jeśli jest to niewłaściwy sposób, to jaki byłby dobry sposób pomiaru prądu tego niskonapięciowego obwodu wysokiego napięcia za pomocą Arduino?

Edycja: zawarłem schemat diagramu, który moim zdaniem jest opisany przez odpowiedź Olin Lathrop

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

Byłby to schemat, o którym myślał Olin, z kilkoma bonusami.

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

Zenery mogą mieć dość wysoki prąd upływowy i potrzebujesz ochrony z bardzo niskim prądem upływowym, ponieważ prąd, który chcesz zmierzyć, jest niewielki.

Tak więc D3 utworzy napięcie odniesienia 3 V z możliwością przetaczania nadmiaru prądu do ziemi. D1 / D2 włączy się, tylko jeśli coś pójdzie nie tak. D1 i D2 są normalnymi diodami krzemowymi, które należy wybrać dla niskiego prądu upływu.

W edytorze schematów zastosowano 1N4148, ale zgodnie z arkuszem danych wyciek jest dość wysoki. Możesz spróbować 1N3595, który ma znacznie niższy wyciek. Celowo wybrałem część przelotową, ponieważ dzięki szerszemu rozstawowi sworzni łatwiej jest uzyskać niski przeciek z otworem przelotowym ...

C1 zapewnia w razie potrzeby pewne filtrowanie dolnoprzepustowe. Jeśli nie, usuń R5 / C1.

Należy pamiętać, że będzie to w pełni chronione przed zwarciem w R1, jeśli R3 jest w stanie wytrzymać 1kV bez wyładowania łukowego lub spalania, lub jeśli zasilanie zostanie odcięte z powodu przetężenia itp.

Jeśli twoje źródło 1kV jest w stanie wyprowadzić tylko kilka mA, wówczas diody D2-D3 ochronią ADC twojego mikro, ale R2 / R3 wygasną. Niezbyt drogie części, więc zdecyduj się na przeprojektowanie lub nie.

Chcesz zmierzyć do 500 µA za pomocą mikrokontrolera. Rezystor czujnikowy prądu niskiej strony wydaje się oczywistym wyborem, chyba że istnieją ograniczenia, o których nam nie mówisz. Przy 1 kV dopuszczalne jest upuszczenie wolta lub kilku.

Powiedzmy, że chcesz 3,0 V przy 500 µA. Zrobić matematykę. (3,0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Dzięki temu między dolnym końcem ładunku a ziemią otrzymasz sygnał od 0 do 3,0 V wskazujący od 0 do 500 µA.

Przy dużym napięciu położyłem pewną ochronę między tym sygnałem 3 V a A / D. Dodaj rezystancję szeregową, a następnie przyciśnij diodę do ziemi i 3,3 V lub coś w tym rodzaju.

Dzięki 12-bitowemu przetwornikowi A / D (obecnie łatwo wbudowanemu w mikrokontroler) otrzymujesz rozdzielczość około 122 nA. Jeśli to nie wystarczy, użyj zewnętrznego A / D, takiego jak delta-sigma, jeśli twoje pasmo jest wystarczająco niskie.

Dodany

Umieszczenie diod i R4 nie ma sensu na schemacie.

Oto, co opisałem powyżej:

R2 jest konwerterem prądu na napięcie. Wytwarza 3,0 V przy 500 µA. D1 i D2 ustawiają wynik na bezpiecznym poziomie, a R1 zapewnia im impedancję, z którą działają.

Jedną z wad wycinania jest to, że impedancja OUT staje się wysoka. Przedstawione powyżej wyjście OUT musi zostać zbuforowane przed wysterowaniem wejścia A / D. Można to zrobić za pomocą opampa jako popychacza napięcia.

Ponieważ i tak kończy się opamp, możesz rozważyć obniżenie R2 i użycie opampa do wzmocnienia. To, czy ma to sens, zależy od różnych kompromisów, o których nam nie powiedziałeś.

Jedną z opcji jest użycie optoizolatora szeregowo z obciążeniem:

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

Ma to tę zaletę, że można całkowicie odizolować wysokie napięcie od mikrokontrolera.

Główną wadą jest to, że aktualny współczynnik przeniesienia (CTR) optoizolatorów jest różny, więc będzie wymagał pewnej kalibracji. W zależności od tego, jak dokładny jest potrzebny pomiar, możesz użyć jakiegoś modelu ogólnego ze 100% -1000% CTR, ale nieco nieliniową odpowiedzią. Jeśli potrzebujesz dodatkowej dokładności, istnieją zlinearyzowane optoizolatory, ale ich CTR wynosi tylko około 1%, co oznacza, że ​​zamiast wzmocnienia osłabiłeś sygnał i będziesz musiał dodać wzmacniacz operacyjny po stronie niskiego napięcia.