Bộ chia điện áp kẹp này cho đầu vào có trở kháng cao có phải là một thiết kế tốt, mạnh mẽ không?

Tôi có một đầu vào AC như sau:

1. Có thể dao động từ ± 10V đến ít nhất ± 500V liên tục.
2. Chạy từ khoảng 1 Hz đến 1 kHz.
3. Cần> 100 kΩ trở kháng trên nó, nếu không thì biên độ của nó thay đổi.
4. Thỉnh thoảng có thể bị ngắt kết nối và khiến hệ thống gặp phải các sự kiện ESD.

Khi đầu vào dưới 20V, tôi cần số hóa dạng sóng với ADC. Khi nó ở trên 20V, tôi có thể bỏ qua nó ngoài phạm vi, nhưng hệ thống của tôi cần không bị hỏng.

Vì ADC của tôi cần tín hiệu tương đối cứng, tôi muốn đệm đầu vào cho các giai đoạn tiếp theo (trong đó, tôi sẽ thiên vị nó, kẹp nó thành 0V đến 5V và đưa nó vào ADC).

Tôi đã thiết kế mạch sau cho giai đoạn đầu vào ban đầu của mình để có được đầu ra mạnh mẽ, an toàn mà tôi có thể cung cấp cho các giai đoạn tiếp theo:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Mục tiêu của tôi là:

1. Đảm bảo> 100 kΩ trở kháng trên nguồn.
2. Thay đổi đầu vào ± 20V thành đầu ra xấp xỉ ± 1,66V.
3. Cung cấp một đầu ra cứng.
4. Xử lý an toàn các đầu vào điện áp cao liên tục (ít nhất là ± 500V).
5. Xử lý các sự kiện ESD mà không đổ nhiều dòng điện / điện áp vào đường ray ± 7.5V.

Đây là lý do của tôi cho thiết kế mạch của tôi:

1. R1 và R2 tạo thành một bộ chia điện áp, giảm điện áp xuống 12 lần.
2. Các TVS diode tạo ra phản ứng một cách nhanh chóng để bảo vệ chống ESD sự kiện vào đầu vào, bán phá giá chúng xuống đất mạnh mẽ của tôi, mà không bán phá giá bất cứ điều gì vào (yếu) ± ray 7.5V của tôi.
3. Các diode TVS cũng xử lý quá điện áp cực đoan (duy trì ± 500V) bằng cách chuyển xuống đất. Đó là quá khứ R1 để hạn chế hiện nay ở những trường hợp này.
4. D1 và D2 kẹp điện áp chia thành ± 8,5V vì vậy tôi không cần tụ điện cao áp cho C1 ; sau R1 , dòng điện qua chúng cũng bị giới hạn.
5. C1 tách tín hiệu đầu vào. Nó sẽ là một chất điện phân lưỡng cực. Nó cần phải có điện dung tương đối lớn để cho phép tín hiệu 1 Hz không bị ảnh hưởng: C 1 » $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. R3 và C2 , với R3 = R1 , bù cho độ lệch hiện tại đầu vào và bù trong op-amp (thay vì chỉ rút ngắn đầu ra về đầu vào âm); cũng tạo thành bộ lọc thông thấp: $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

Là mạch này tối ưu cho mục tiêu của tôi? Tôi có thể mong đợi bất kỳ vấn đề với nó? Có bất kỳ cải tiến nào mà tôi nên thực hiện, hoặc có cách nào tốt hơn để thực hiện mục tiêu của tôi không?

CHỈNH SỬA 1

1. Ban đầu tôi đã nói điều này cần thiết để xử lý liên tục ± 200V, nhưng tôi nghĩ rằng ± 500V là mục tiêu an toàn hơn.

2. Để các diode TVS hoạt động như hiện tại, R1 cần phải được chia thành hai điện trở, ở đây là R1a và R1b , như được đề xuất bởi @ jp314 :

^{mô phỏng mạch này}

CHỈNH SỬA 2

Đây là một mạch sửa đổi kết hợp các đề xuất nhận được cho đến nay:

1. Zeners trên toàn bộ cung cấp năng lượng ( @Autistic ).
2. Các điện trở dẫn vào chúng ( @Spehro Pefhany ).
3. Điốt BAV199 nhanh ( @Master ; thay thế rò rỉ thấp hơn BAV99 mà @Spehro Pefhany đề xuất, mặc dù có điện dung tối đa khoảng 2 pF thay vì 1,15 pF).
4. Diode TVS ở phía trước và được nâng cấp lên 500 V ( @Master ), do đó, nó chỉ xử lý các sự kiện ESD, bảo vệ R1 .
5. Chết ngắn từ đầu ra op-amp đến đầu vào tiêu cực ( @Spehro Pefhany và @Master ).
6. Giảm C1 xuống 10μF ( @Spehro Pefhany ); điều này làm giảm điện áp 0,3% ở tần số 1 Hz, không tốt như nắp 220μF ban đầu, nhưng sẽ giúp việc tìm nguồn tụ dễ dàng hơn.
7. Đã thêm 1 kΩ điện trở R6 để giới hạn dòng điện vào OA1 ( @Autistic và @Master ).

^{mô phỏng mạch này}

D1 & D2 của bạn sẽ tăng đột biến đầu vào, không phải TVS - chia 220k thành 200k + 20k và đặt phần 20k giữa TVS và điốt.

Hoặc chỉ sử dụng zener 4,7 V từ nút đó đến GND.

Bạn không cần R3 / C2. Đầu vào op-amp không đảo ngược 'thấy' R2 (20K) trên đường dẫn DC hiện tại sai lệch (không phải 220K), do đó, phần bù có thể sẽ không đáng kể nếu bạn thay thế bằng một đoạn ngắn. Nếu bạn nhấn mạnh vào R3 / C2, xem bên dưới để tính toán.

220K đại diện cho phản ứng điện dung 0,7uF ở tần số 1Hz, vì vậy tôi nghĩ rằng một tụ gốm 10uF nhỏ và rẻ tiền (và không rò rỉ) sẽ ổn, thêm vào, trong hình cầu, khoảng 7%, do đó tổng hiệu suất dưới 0,3% . Tuy nhiên, có thể có một số hiệu ứng do kẹp, vì vậy tốt nhất để điều tra điều này tùy thuộc vào cách bạn mong đợi nó hoạt động . Khi kẹp nó 'thấy' 20k nối tiếp với kẹp trở kháng thấp, vì vậy hằng số thời gian ngắn hơn 11 lần.

R1 rất quan trọng đối với độ tin cậy - hầu như tất cả điện áp bị rơi trên nó - nó phải là loại điện áp cao, được xếp hạng để chịu được mọi điện áp mà bạn mong đợi, đặc biệt nếu điện áp đầu vào này đến từ nguồn chính có nghĩa là một vài kV. Vishay VR25 có thể phù hợp (chì). Đừng bỏ qua ở đây. Trừ khi một vài đồng xu cuối cùng quan trọng hơn độ tin cậy, tôi không phải là một fan hâm mộ lớn của việc sử dụng nhiều điện trở thông thường cho mục đích này - một phần được đánh giá đúng sẽ không sao trừ khi bạn cần sử dụng hai điện trở được xếp hạng chính xác trong loạt để có độ tin cậy cao hơn .

Tôi sẽ mất TVS và xem xét việc kẹp trực tiếp bằng shunt (chẳng hạn như cặp zener) hoặc điốt chuyển đổi điện dung thấp như cặp BAV99 sang các shunt trước thiên vị, chẳng hạn như Zeners hoặc TL431 (có điện trở với đường ray cung cấp). Loại thứ hai sẽ có điện dung ít hơn nhiều so với việc sử dụng trực tiếp zener và do đó sẽ gây ra sự dịch pha ít hơn ở tần số 1kHz, nếu điều đó quan trọng với bạn. Dòng điện kẹp nhỏ hơn 1mA ở mức 200V, do đó, nó không bị đánh thuế nhiều, miễn là R1 giữ được bất kỳ EMF nào mà nó phải chịu. Cả hai tùy chọn tôi đề xuất có thể dễ dàng kẹp 100mA, ít nhất là trong một thời gian ngắn.

R3 / C2 không thực sự tạo thành bộ lọc thông thấp - R3 và điện dung đầu vào của op-amp tạo thành bộ lọc thông thấp và lý tưởng nhất là C2 sẽ được chọn lớn hơn nhiều, vì vậy nếu điện dung đầu vào là 15pF, bạn có thể sử dụng 1nF hoặc điều tương tự. Bạn sẽ chỉ gặp rắc rối với 20K một mình nếu bạn có một op-amp cực kỳ không phù hợp (có khả năng tần số rất cao) trong đó sự thay đổi pha kết quả ảnh hưởng đến sự ổn định, và tất nhiên là không có vấn đề gì.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

P / N của OP AMP và điốt trên sơ đồ không có nghĩa gì. Điốt D3 D4 là một trong các nút giao BAV199 hoặc 2 Gate to Channel của jFE MMBF4117. OA1 là OPA365. Phải chọn C3 để cung cấp đủ tần số thông thấp cho bộ lọc trên C3, R1 / 2.

R2 và R3 tốt nhất là điện trở màng mỏng chính xác hoặc thậm chí hai phần của một mạng điện trở. Họ xác định trôi không của bạn.

R5 phải được định mức cho điện áp 1 kV, bạn có thể sử dụng một số điện trở 0603 nối tiếp.

Và, để thực sự an toàn, bạn có thể thêm một số điện trở 1 kOhm giữa đầu vào không đảo ngược của OPA365 và điểm giữa của R1 R2. Nó giúp hạn chế dòng điện đầu vào nếu một cái gì đó thực sự xấu.

Bộ giới hạn điện áp cao (như diode TVS hoặc varistor) tốt nhất là được kết nối giữa INPUT và GND. Điện áp của nó là khoảng 600-800 V.

Bạn sử dụng loại OPA nào? Nếu đó là đầu vào FET OP AMP (dòng đầu vào dưới 100 pA) thì bạn không cần R3 C2. Ngoài ra, nếu bạn không quan tâm đến bù DC, tốt hơn hết là loại bỏ R3 C2.

Tôi thấy không có giá trị trong diode TVS 30 V. Hoàn toàn đồng ý với @Autistic. Bạn có thể đặt nó song song với đầu vào (trước R1) và thay đổi thành loại 500-700 V. Chức năng của nó sau đó là: bảo vệ R1 và các thiết bị điện tử khác khỏi các gai thực sự ngắn trên 800 V (Tôi không biết liệu ứng dụng của bạn có thể gặp phải loại rắc rối này không).

R 1 phải được xếp hạng 1000 V hoặc được thực hiện dưới dạng một loạt các điện trở 0603 hoặc lớn hơn, tính đến các khoảng cách cách ly.

Đối với kẹp "thực": ý tưởng của @Spehro Pefhany về BAV199 thiên vị trước (hai điốt rò rỉ thấp trong một gói SOT) có vẻ tốt nhất. Tôi sẽ không quan tâm quá nhiều về dòng điện đối với đường ray điện: chúng bị giới hạn bởi 4 mA (800 V / 200 kOhms), nó có thể ít hơn dòng điện cung cấp của một OP AMP bạn sử dụng.

Tại sao không đặt R2 (tôi tin rằng nó là một bộ chia điện áp) trước C1 và sử dụng điện trở rất lớn (1 MOhm) thay cho R2 - điều này cho phép C1 nhỏ như vài uF.