Yüksek voltaj DC voltajını ölçme devresi (1000V'a kadar)

Son sınıf bir E&E öğrencisiyim ve 1000 V DC'ye kadar oldukça yüksek DC voltajlarını ölçmesi gereken bir güç ölçer oluşturmaya çalışıyorum. Giriş gerilimi aralığı 0 - 2.5 V olan basit bir 12-bit ADC ile ölçüyorum. Basit bir voltaj bölücü ve op-amp tamponu uygulama için yeterli olur mu yoksa başka bir tür ön uç analog devre var mı? voltaj yüksek mi?

Bir direnç bölücü istediğinizi yapar, ancak bu voltajda normalde göz ardı edebileceğiniz bazı sorunlar vardır:

1. Üst direnç 1 kV ile çalışabilmelidir. Bunlar "sıradan" dirençlerden daha zordur ve genellikle üst uçtaki voltajla doğrusal değildir.

2. Güç dağılımı. Normalde 1 MΩ gibi "büyük" bir direnç bile olsa, ona 1 kV uygulandığında tam bir watt dağıtır.

3. Güvenlik ve havaya karışmayı önlemek için aralarında kV bulunan iki nokta arasında fiziksel mesafeye ihtiyacınız vardır.

Tüm bu nedenlerden dolayı, voltaj bölücünün üst direncini seri olarak çok daha sıradan dirençlerle uygulayacağım. Örneğin, 0805 dirençler genellikle 150 V olarak derecelendirilir (veri sayfasını kontrol etme işiniz). Fiziksel olarak uçtan uca serilmiş on adet 1 MΩ 0805 direnç, 1 kV 10 MΩ direnç olarak kullanılabilir. Her dirençteki voltaj 100 V veya daha düşük olacaktır, bu da onları spesifikasyon dahilinde tutar.

Hep birlikte, 10 MΩ direnç dizisi sadece 100 mW dağıtır, bu nedenle her bir direnç sadece 10 mW'dir. Burada sorun yok.

10 MΩ üst direnç ile bölücünün alt direnci ideal olarak 1000 V inç ile 2,50 V çıkışı elde etmek için 25,06 k would olacaktır. biraz alt alt direnç bile yapmalıdır.

Bu kadar yüksek bir orana sahip bir bölücünün çıkış empedansı temel olarak alt direnç değeridir. 24 kΩ bazı A / D'ler için çok yüksek olabilir, bu yüzden bunu voltaj takipçisi olarak kullanılan bir opamp ile tamponlamak isteyebilirsiniz.

Evet, bir voltaj bölücü kullanabilirsiniz (aslında başka birkaç pratik yaklaşım vardır).

1000V'de güvenle çalışacak şekilde derecelendirilmiş yüksek değerli direnç için hassas bir direnç kullanmanız gerekecektir . Bu ayrıntıyı göz ardı etmeyin. Ayrıca, direncin kendisi çok uzun olmadıkça ve kesinlikle yüksek voltaj girişindeki diğer PCB hususlarını içerecek şekilde, kaçak mesafesini arttırmak için direncin altında bir izolasyon yuvasının frezelenmesini içerebilecek yerleşim hakkındaki önerileri izlemeniz gerekecektir.

Bölücünün genel direnci, elde etmeniz gereken çıkış empedansı ile sınırlandırılacak ve doğrudan ADC girişine girmeye çalıştığınızda ADC tarafından belirlenecektir. Büyük olasılıkla bu istenmeyecektir, çünkü (tam doğruluk için) ADC'nin girişinde birkaç K ohm görmesi gerekir. 2.5K olduğunu söyle. Daha sonra yüksek değer direnci için 1M (veya daha az) kullanmanız gerekir ve 1000VDC'de 1W (veya daha fazla) dağıtır - doğruluk için büyük değildir (ve girişi önemli ölçüde yükler - 1mA @ 1kV).

ADC girişinde yüksek performanslı bir op-amp tamponu kullanmak daha iyi olabilir ve 10M ve 25K gibi daha fazla kullanmanıza izin verir.

Sisteminizde daha yüksek besleme gerilimlerine sahipseniz, 15V besleme ile 10V gibi daha yüksek bir gerilime bölünmenin ve daha sonra 2.5V'a kadar inmek için ikinci bir pasif ayırıcıyı tamponlama ve kullanmada küçük bir avantaj olabilir, ancak muhtemelen yalnızca 12 bit çözünürlükle gereklidir. Op-amp ofset ve ofset sapmasının etkisini, hata bütçesine iki direnç daha eklemek pahasına azaltacaktır (ancak yüksek voltaj, ana endişe kaynağınız olmalıdır).

Her dirençli bölücünün parazitik kapasitif bir bölücüye sahip olduğunu unutmayın. Hangi fiziksel direnç tasarımlarının kullanıldığına bağlı olarak, bu bölücünün oranı direnç oranından çok farklı olabilir; bu, IC girişlerinizde şaşırtıcı derecede yüksek voltaj artışlarının görünmesini sağlayabilir, bu nedenle IC girişlerinizi hızlı diyotlarla güvenli seviyelere sıkıştırmalı ve / veya bölücüyü telafi etmelisiniz (belki de alt direnç boyunca büyük bir kapasitör ile "aşırı telafi edin").

Bir bölücü ile ilgili sorun V ² / R (güç derecesi) olacaktır. 1000V'da, 2.5V'a bölerek deltaV'ınız 997.5V olacak. 1 MegaOhm direnç kullansanız bile, 1W direnç hakkında konuşuyorsunuz ve pratikte bu kadar büyük bir direnç istemiyorsunuz çünkü op-amp giriş empedansınızın kayda değer bir kısmı olacak ve ölçüm hassasiyetinizi kesin. 100kOhms'da, 10W gibi görüneceksiniz ve muhtemelen güç dağılımı gereksinimlerini dağıtırken size etkili bir direnç sağlayan paralel ve seri dirençlerin bir kombinasyonunu organize etmeniz gerekecektir.

Diğer sorun dinamik aralık olacaktır. 1000V'dan 2.5V'ye bölüneceksiniz, yani 400 faktörü. Bu, doğal bir 1V sinyalinin ADC'nize 0.0025 sinyali olarak tezahür edeceği anlamına gelir. 2.5V @ 12 bit ADC ile saf voltaj çözünürlüğünüz 2.5 / 2 ¹² = 0.000610352V / LSB'dir, ancak etkili bit sayınız muhtemelen 10 veya 0.002441406V / LSB'ye yakındır. Bu nedenle, ölçümünüzün alt sınırının 1V civarında olacağını kabul ettiğiniz sürece iyisiniz. Ortalama teknikleri, zaman çözünürlüğünüzü azaltma / zaman alanındaki sinyalinizi bozma pahasına etkili voltaj çözünürlüğünüzü artırabilir.

Bunu yapmak için "Multimetre" yolu, büyük bir direnç ile bir kapasitör şarj ve periyodik olarak örnekleme olacaktır, böylece sürüş voltajını çalıştırabilirsiniz .. Açıkçası, kapasitör maksimum voltaj değerinin altındaki voltajı kelepçelemeniz ve ayrıca kapasitörü deşarj edin. Basit bir transistör (veya mosfet) deşarjı, hiçbir yarı iletken sıfır ec veya ds voltajına sahip olmadığından ideal sonuçlar vermez. Ama bu muhtemelen çok fazla ayrıntıya giriyor.

Bunu yapmanın yararı, geniş bir uygulanabilir voltaj aralığı elde etmenizdir, 1kV için uygun düz bir direnç bölücü, 1V'yi ölçmek için çok yararlı değildir.

Megaohm serisi direnç bölücü için thevenin direncini ve voltajını hesaplayın. Özünde rth, paralel olarak sadece üst / alt voltaj bölücüdür ve vth, bölücü çıkış voltajıdır. Bu, opamp / adc'ye akan çıkış empedansını ve akımını verecektir.