Mạch đo điện áp DC cao áp (lên đến 1000V)

Tôi là sinh viên E & E năm cuối và tôi đang cố gắng chế tạo một đồng hồ đo điện phải có khả năng đo điện áp DC khá cao, lên đến 1000 V DC. Tôi đang đo bằng một bộ ADC 12 bit đơn giản có dải điện áp đầu vào là 0 - 2,5 V. Bộ chia điện áp đơn giản và bộ đệm op-amp có đủ cho ứng dụng không hoặc có một loại mạch tương tự đầu cuối nào khác bởi vì điện áp có cao không?

Một bộ chia điện trở sẽ làm những gì bạn muốn, nhưng ở điện áp này có một số vấn đề bạn thường có thể bỏ qua:

1. Các điện trở trên phải có khả năng xử lý 1 kV. Những cái đó khó lấy hơn điện trở "thông thường" và thường không tuyến tính với điện áp ở đầu cao.

2. Sự thât thoat năng lượng. Ngay cả những gì thường là điện trở "lớn", như 1 MΩ, sẽ tiêu tan toàn bộ watt khi áp 1 kV vào nó.

3. Bạn cần khoảng cách vật lý giữa hai điểm có kV giữa chúng để đảm bảo an toàn và để ngăn chặn không khí đẩy qua không khí.

Do tất cả những lý do này, tôi sẽ thực hiện điện trở trên cùng của bộ chia điện áp với nhiều điện trở thông thường hơn nối tiếp. Ví dụ, điện trở 0805 thường được đánh giá là 150 V (công việc của bạn để kiểm tra biểu dữ liệu). Mười điện trở 1 MΩ 0805 nối tiếp, được đặt vật lý từ đầu đến cuối, có thể được sử dụng làm điện trở 1 kV 10 MΩ. Điện áp trên mỗi điện trở sẽ là 100 V hoặc ít hơn, giữ chúng trong phạm vi spec.

Tất cả cùng nhau, chuỗi điện trở 10 MΩ chỉ tiêu tan 100 mW, vì vậy mỗi điện trở riêng lẻ chỉ 10 mW. Không có vấn đề ở đây.

Với điện trở trên 10 MΩ, điện trở dưới của dải phân cách lý tưởng sẽ là 25,06 kΩ để lấy ra 2,50 V với 1000 V. Bạn muốn có một khoảng không nhỏ phía trên thông số điện áp đầu vào tối đa 1000 V, vì vậy 24 kΩ hoặc thậm chí một chút điện trở dưới thấp hơn nên làm điều đó.

Trở kháng đầu ra của một bộ chia với tỷ lệ cao như vậy về cơ bản là giá trị điện trở dưới. 24 kΩ có thể quá cao đối với một số A / D, vì vậy bạn có thể muốn đệm cái này với opamp được sử dụng làm tín hiệu điện áp.

Có, bạn có thể sử dụng một bộ chia điện áp (trên thực tế có một vài cách tiếp cận thực tế khác).

Bạn sẽ cần sử dụng một điện trở chính xác cho điện trở có giá trị cao được đánh giá để hoạt động an toàn ở 1000V. Đừng bỏ qua chi tiết này. Bạn cũng sẽ phải tuân theo các khuyến nghị về cách bố trí - có thể liên quan đến việc phay một khe cách ly dưới điện trở để tăng khoảng cách dây leo trừ khi bản thân điện trở thực sự dài và chắc chắn sẽ liên quan đến các cân nhắc PCB khác ở đầu vào điện áp cao.

Điện trở chung của bộ chia sẽ bị giới hạn bởi trở kháng đầu ra mà bạn cần đạt được và điều đó sẽ được xác định bởi ADC nếu bạn cố gắng đi thẳng vào đầu vào ADC. Nhiều khả năng điều này sẽ không được mong muốn bởi vì (để có độ chính xác hoàn toàn), ADC cần nhìn thấy một vài K ohms ở đầu vào của nó. Nói là 2,5K. Sau đó, bạn sẽ cần sử dụng 1M (hoặc ít hơn) cho điện trở giá trị cao và nó sẽ tiêu tan 1W (hoặc nhiều hơn) ở 1000VDC- không tuyệt vời cho độ chính xác (và nó tải đầu vào đáng kể- 1mA @ 1kV).

Có thể tốt hơn khi sử dụng bộ đệm op-amp hiệu suất cao ở đầu vào ADC, cho phép bạn sử dụng nhiều hơn như 10M và 25K.

Nếu bạn có điện áp cung cấp cao hơn trong hệ thống của mình, có thể có một lợi thế nhỏ trong việc phân chia thành điện áp cao hơn, chẳng hạn như 10V với nguồn cung cấp 15V, sau đó đệm và sử dụng bộ chia thụ động thứ hai để giảm xuống 2,5V, nhưng có lẽ không phải vậy cần thiết với độ phân giải chỉ 12 bit. Nó sẽ làm giảm hiệu ứng của op-amp offset và offset trôi, với chi phí liên quan đến hai điện trở hơn trong ngân sách lỗi (nhưng điện áp cao phải là nguồn quan tâm chính của bạn).

Hãy nhớ rằng mỗi bộ chia điện trở có một bộ chia điện dung ký sinh. Tùy thuộc vào thiết kế điện trở vật lý nào được sử dụng, tỷ lệ của bộ chia này có thể rất khác với tỷ lệ điện trở; điều này có thể làm cho các xung điện áp cao đáng ngạc nhiên xuất hiện ở đầu vào IC của bạn, vì vậy bạn nên kẹp đầu vào IC của mình ở mức an toàn bằng điốt nhanh và / hoặc bù cho bộ chia (có thể "bù quá mức" nó bằng một tụ điện lớn qua điện trở thấp hơn).

Vấn đề với bộ chia sẽ là V ² / R (mức công suất). Ở 1000V, chia nó xuống 2,5V, deltaV của bạn sẽ là 997,5V. Ngay cả khi bạn sử dụng điện trở 1 MegaOhm, bạn đang nói về việc sử dụng khoảng điện trở 1W và trong thực tế, bạn không muốn có điện trở lớn như vậy bởi vì nó sẽ là một phần đáng kể của trở kháng đầu vào op-amp của bạn và ném tắt độ chính xác đo lường của bạn. Với tốc độ 100kOms, bạn sẽ trông giống như 10W, và có lẽ bạn sẽ cần tổ chức một tổ hợp các điện trở song song và loạt cung cấp cho bạn điện trở hiệu quả mà bạn sẽ đạt được trong khi phân phối các yêu cầu tiêu tán điện.

Vấn đề khác sẽ là phạm vi năng động. Bạn sẽ chia 1000V thành 2,5V, vì vậy hệ số 400. Điều đó có nghĩa là tín hiệu 1V tự nhiên sẽ hiển thị cho ADC của bạn dưới dạng tín hiệu 0,0025. Độ phân giải điện áp ngây thơ của bạn với ADC 2,5V @ 12 bit là 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352V / LSB, nhưng số bit hiệu quả của bạn có thể gần hơn với 10, hoặc 0,002441406V / LSB. Vì vậy, bạn vẫn tốt miễn là bạn chấp nhận rằng giới hạn đo lường thấp hơn của bạn sẽ là khoảng 1V. Các kỹ thuật trung bình có thể cải thiện độ phân giải điện áp hiệu quả của bạn, với chi phí giảm độ phân giải thời gian / làm biến dạng tín hiệu của bạn trong miền thời gian.

Cách "vạn năng" này sẽ là sạc một tụ điện có điện trở lớn và lấy mẫu định kỳ để bạn có thể tìm ra điện áp lái xe. Rõ ràng bạn cần phải kẹp điện áp dưới mức điện áp tối đa của tụ điện và bạn cũng cần một cách để xả tụ điện. Một phóng điện tranzito (hoặc mosfet) đơn giản sẽ không cho kết quả lý tưởng vì không có chất bán dẫn nào có điện áp ec hoặc DS bằng không. Nhưng đó có lẽ là đi vào quá nhiều chi tiết.

Lợi ích của việc này là bạn có được dải điện áp khả thi rộng, bộ chia điện trở thẳng phù hợp với 1kV không hữu ích lắm khi đo 1V ..

Đối với bộ chia điện trở loạt megaohm, hãy tìm ra điện trở và điện áp thevenin. Về bản chất rth chỉ là bộ chia điện áp trên / dưới song song và vth là điện áp đầu ra của bộ chia. Điều này sẽ cung cấp cho bạn trở kháng đầu ra và dòng điện chạy vào opamp / adc.