Khuếch đại điện áp cao nA

Tôi có một mạch về cơ bản chỉ là nguồn DC 1kV được kết nối với điện trở rất cao ( phác thảo mạch cơ bản ), trong đó dòng điện trong phạm vi từ 0,1nA đến 500uA mà tôi đang cố gắng đo bằng Arduino (dòng điện thay đổi vì điện trở thay đổi do các yếu tố bên ngoài). Tôi đã có ý tưởng sử dụng cái này (hoặc tương tự) được kết nối với Arduino: https://www.adafbean.com/product/904

Tuy nhiên, điều này hoạt động lên đến 26V và chỉ có độ phân giải 0,8mA.

Để giải quyết điều này, trước tiên tôi nghĩ đến việc sử dụng một bộ chia tiềm năng để có một phần song song của mạch có điện áp giảm xuống ~ 13V trong đó INA219 có thể đi ( phần điện áp giảm ), với các điện trở cao nên về cơ bản tất cả các dòng điện chạy qua phần này.

Tuy nhiên, bây giờ tôi cần khuếch đại dòng điện trong phần này thành giá trị mà INA219 có thể đo được. Sau khi tìm kiếm mọi thứ, tôi nghĩ rằng một ý tưởng hay cho việc này sẽ là một cặp Darlington và thực hiện nó như thế này: với cặp Darlington . Tuy nhiên tôi thấy không có sự khuếch đại cho điều này. Tôi đang thực hiện cặp Darlington không chính xác hay nó không hoạt động đối với các dòng điện nhỏ như vậy, hay một cặp Darlington hoàn toàn là ý tưởng sai ở đây để khuếch đại dòng điện? Nếu đây là cách sai để thực hiện, thì đâu là cách tốt để đo dòng điện của mạch điện áp cao dòng thấp này với Arduino?

Chỉnh sửa: Tôi đã bao gồm một sơ đồ của sơ đồ mà tôi nghĩ được mô tả bởi câu trả lời của Olin Lathrop

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

Đây sẽ là sơ đồ mà Olin đã nghĩ đến, với một vài phần thưởng.

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

Zeners có thể có dòng rò khá cao, và bạn cần một sự bảo vệ với độ rò rỉ rất thấp, vì dòng điện bạn muốn đo là rất nhỏ.

Vì vậy, D3 sẽ tạo ra một tham chiếu 3V với khả năng đẩy dòng điện dư xuống đất. D1 / D2 sẽ bật, chỉ khi có sự cố. D1 và D2 ​​là các điốt silicon bình thường, bạn nên chọn dòng điện rò rỉ thấp.

Trình chỉnh sửa sơ đồ đã sử dụng 1N4148 nhưng theo bảng dữ liệu, rò rỉ khá cao. Bạn có thể thử 1N3595 có độ rò rỉ thấp hơn nhiều. Tôi đã chọn một phần lỗ thông qua mục đích, bởi vì nó dễ bị rò rỉ thấp hơn với lỗ thông qua do khoảng cách pin rộng hơn ...

C1 cung cấp một số bộ lọc thông thấp, nếu cần. Nếu không loại bỏ R5 / C1.

Lưu ý rằng điều này sẽ chỉ được bảo vệ hoàn toàn trước một đoạn ngắn trên R 1 nếu R3 có thể chịu được 1kV mà không bị cháy hoặc cháy, hoặc nếu nguồn cung cấp bị tắt do quá dòng, v.v.

Nếu nguồn cung cấp 1kV của bạn chỉ có thể tạo ra một vài mA, thì điốt D2-D3 sẽ bảo vệ ADC của micro của bạn, nhưng R2 / R3 sẽ bị chết và chết. Không phải là bộ phận rất đắt tiền, vì vậy sự lựa chọn của bạn để quá mức hay không.

Bạn muốn đo tới 500 LờiA bằng vi điều khiển. Một điện trở cảm giác hiện tại bên thấp có vẻ như là sự lựa chọn rõ ràng trừ khi có những ràng buộc mà bạn không cho chúng tôi biết. Với 1 kV, nên chấp nhận giảm một volt hoặc một vài.

Giả sử bạn muốn 3.0 V ở 500 LờiA. Làm toán. (3.0 V) / (500 PhaA) = 6 kΩ. Với khoảng cách giữa đầu dưới cùng của tải và mặt đất, bạn sẽ nhận được tín hiệu từ 0 đến 3.0 V cho biết 0 đến 500 KhănA.

Với điện áp lớn xung quanh, tôi sẽ đặt một số bảo vệ giữa tín hiệu 3 V này và A / D. Thêm một số điện trở loạt theo sau là diode cắt xuống đất và 3,3 V hoặc một cái gì đó.

Với A / D 12 bit (ngày nay dễ dàng tích hợp sẵn vi điều khiển), bạn có được độ phân giải khoảng 122 nA. Nếu điều đó không đủ tốt, hãy sử dụng A / D bên ngoài, như delta-sigma nếu băng thông của bạn đủ thấp.

Thêm

Vị trí của điốt và R4 không có ý nghĩa trong sơ đồ của bạn.

Đây là những gì tôi mô tả ở trên:

R2 là bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp. Nó tạo ra 3.0 V ở 500 LờiA. D1 và D2 ​​đưa kết quả về mức an toàn và R1 cung cấp trở kháng để chúng hoạt động.

Một nhược điểm của việc cắt là trở kháng của OUT trở nên cao. OUT hiển thị ở trên cần được đệm trước khi lái đầu vào A / D. Điều này có thể được thực hiện với một opamp như người theo dõi điện áp.

Vì dù sao bạn cũng kết thúc với một opamp trong đó, nên bạn có thể xem xét hạ R2 và sử dụng opamp để khuếch đại. Điều đó có hợp lý hay không phụ thuộc vào sự đánh đổi khác nhau mà bạn chưa nói với chúng tôi.

Một tùy chọn là sử dụng một optoisolator nối tiếp với tải:

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

Điều này có lợi ích là bạn hoàn toàn có thể cách ly điện áp cao khỏi vi điều khiển của mình.

Nhược điểm chính là tỷ lệ truyền (TLB) hiện tại của optoisolators thay đổi, vì vậy nó sẽ cần một số hiệu chuẩn. Tùy thuộc vào cách đo chính xác mà bạn cần, bạn có thể sử dụng một số mô hình chung với 100% -1000% TLB, nhưng đáp ứng hơi phi tuyến tính. Nếu bạn cần độ chính xác cao hơn, có các máy quang điện được tuyến tính hóa, nhưng TLB của chúng chỉ khoảng 1%, điều đó có nghĩa là thay vì khuếch đại bạn đã làm suy giảm tín hiệu và sẽ cần thêm bộ khuếch đại hoạt động ở phía điện áp thấp.