Чи хороший, надійний дизайн цього затискаючого дільника напруги для входу з високим опором?

У мене вхід змінного струму наступним чином:

1. Може становити від ± 10В до принаймні ± 500В безперервно.
2. Працює приблизно від 1 Гц до 1 кГц.
3. Потреби> 100 кОм імпедансу на ньому, інакше його амплітуда змінюється.
4. Інколи може бути відключено та піддавати системі події ОУР.

Коли вхід нижче 20 В, мені потрібно оцифровувати форму хвилі за допомогою АЦП. Коли вона вище 20 В, я можу проігнорувати це як поза діапазоном, але моя система не повинна пошкоджуватися.

Оскільки мій АЦП потребує відносно жорсткого сигналу, я хотів захистити вхід для подальших етапів (в тих, я буду його зміщувати, затискати на 0В до 5В і подавати на АЦП).

Я створив наступну схему для моєї початкової стадії введення, щоб отримати безпечний, сильний вихід, який я можу подати на наступні етапи:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Мої цілі:

1. Переконайтесь, що> 100 кОм опору джерела.
2. Змініть вхід ± 20 В приблизно на вихід ± 1,66 В.
3. Забезпечити жорсткий вихід.
4. Безпечно обробляти безперервні високовольтні входи (принаймні ± 500 В).
5. Обробляйте події ОУР, не скидаючи багато струму / напруги на рейки ± 7,5 В.

Ось моє обгрунтування моєї схеми дизайну:

1. R1 і R2 утворюють дільник напруги, зменшуючи напругу на 12X.
2. У TVS діод реагує швидко для захисту від подій ОУР на вході, скидаючи їх до моєї сильної землі, не скидаючи нічого на моєму (слабкий) ± 7.5V рейки.
3. TVS діод також обробляє крайнє перенапруження (підтримуються ± 50) шунтування до землі. Раніше R1 обмежувати струм у цих випадках.
4. D1 і D2 затискають розділене напруга до ± 8,5 В, тому мені не потрібен високовольтний конденсатор для С1 ; перебуваючи після R1 , струм через них також обмежений.
5. $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

Чи оптимальна ця схема для моїх цілей? Чи можу я очікувати будь-яких проблем з цим? Чи я можу внести якісь вдосконалення, чи є кращий спосіб досягти своїх цілей?

РЕДАКТ 1

1. Спочатку я говорив, що це потрібно для роботи ± 200 В постійно, але я думаю, що ± 500 В є більш безпечною ціллю.

2. Для того, щоб діод TVS працював так, як R1 потрібно розділити на два резистори, тут R1a і R1b , як це запропоновано @ jp314 :

^{моделювати цю схему}

EDIT 2

Ось переглянута схема, яка включає в себе отримані пропозиції:

1. Зерни через електроживлення ( @Autistic ).
2. Резистори, що ведуть до них ( @Spehro Pefhany ).
3. Швидкі діоди BAV199 ( @Master ; альтернатива нижчого витоку BAV99, яку запропонував @Spehro Pefhany , хоча з максимальною ємністю близько 2 пФ, а не 1,15 пФ).
4. Диод TVS вийшов спереду та оновлений до 500 В ( @Master ), тому він обробляє лише події ESD, захищаючи R1 .
5. Відключений від вихідного підсилювача до негативного входу ( @Spehro Pefhany та @Master ).
6. Зниження С1 до 10 мкФ ( @Spehro Pefhany ); це вводить 0,3% падіння напруги на 1 Гц, що не так добре, як оригінальний ковпачок 220 мкФ, але полегшить пошук конденсатора.
7. Додано 1 кОм резистор R6 для обмеження струму в OA1 ( @Autistic і @Master ).

^{моделювати цю схему}

Ваші D1 і D2 приймуть вхідні сплески, а не TVS - розділіть 220k на 200k + 20k і покладете 20k частину між ТВС та діодами.

Або просто використовуйте 4,7 В стабілітрони від цього вузла до GND.

Вам не потрібен R3 / C2. Неінвертуючий вхідний підсилювач "бачить" R2 (20K) на поточному струмі зміщення струму (не 220 К), тому зміщення, ймовірно, буде незначним, якщо замінити його на короткий. Якщо ви наполягаєте на R3 / C2, див. Нижче для розрахунку.

220 К представляє ємнісну реактивність 0,7 мкФ на 1 Гц, тому я думаю, що невеликий і недорогий (і негерметичний) керамічний конденсатор 10 мкФ буде просто чудовим, додавши, у квадратурі, близько 7%, тому загальний ефект менше 0,3% . Однак через затискання можуть виникнути певні наслідки, тому краще дослідити це залежно від того, як саме ви очікуєте, що він повинен вести себе . При затисканні він «бачить» 20k послідовно із затискачем низького опору, тому константа часу на 11 разів коротша.

R1 є критично важливим для надійності - практично вся напруга падає через нього - вона повинна бути високої напруги, яка може витримувати будь-які перехідні періоди, які ви очікуєте, особливо якщо це вхідне напруга надходить від електромережі, що може означати пару кВ. Vishay VR25 може бути підходящим (свинцевим). Не скупіться тут. Якщо останні кілька копійок не є більш важливими, ніж надійність, я не є великим прихильником використання декількох звичайних резисторів для цієї мети, або одна з належним чином оцінених деталей повинна бути нормальною, якщо вам не потрібно використовувати два належно оцінених резистора послідовно для ще більшої надійності .

Я б втратив телевізор і подумав би затискати або безпосередньо шунтом (наприклад, ценером), або діодами з комутацією низької ємності, як пара BAV99, до попередньо зміщених шунтів, таких як Zeners або TL431 (з резисторами до рейок живлення). Останні матимуть набагато меншу ємність, ніж безпосередньо використовувати ценери, і таким чином спричинять менший зсув фази на 1 кГц, якщо це важливо для вас. Струм затиску менше 1 мА при 200 В в, тому це не дуже податково, якщо R1 тримається проти будь-якого ЕРС, якому він підлягає. Обидва запропоновані мною варіанти можуть легко зафіксувати 100mA, принаймні на короткий час.

R3 / C2 насправді не утворюють фільтр низьких частот - R3, а вхідна ємність оп-підсилювача утворює фільтр низьких частот, і C2 в ідеалі буде обраний значно більшим, тому якщо вхідна ємність становить 15 пФ, ви можете використовувати 1nF чи щось подібне. Ви зіткнулися б з проблемою лише 20K, тільки якщо у вас був дико невідповідний підсилювач (здатний на дуже високих частотах), коли результуючий фазовий зсув вплинув на стабільність, і звичайно короткий не має цієї проблеми.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

P / N OP AMP та діоди на схемах нічого не означають. Діоди D3 D4 - це один BAV199 або 2 переходи між воротами та каналами jFET MMBF4117. OA1 - OPA365. C3 повинен бути обраний таким чином, щоб забезпечити достатньо низьку частоту пропускання для фільтра на C3, R1 / 2.

R2 і R3 - це переважно точні тонкоплівкові резистори або навіть дві частини однієї резисторної мережі. Вони визначають ваш нульовий дрейф.

R5 повинен бути розрахований на напругу 1 кВ, можна використовувати кілька резисторів 0603 послідовно.

І, щоб бути справді безпечним, ви можете додати деякий резистор 1 кОм між неінвертуючим входом OPA365 та середньою точкою R1 R2. Це допомагає обмежити вхідний струм, якщо щось піде дуже погано.

Обмежувач напруги високої потужності (наприклад, діод або варистор ТВС), переважно, з'єднаний між ВХОД і GND. Його напруга становить близько 600-800 В.

Яку OPA ви використовуєте? Якщо це FET-вхід OP AMP (вхідні струми нижче 100 pA), то R3 C2 вам не потрібен. Крім того, якщо ви не переймаєтесь зміщенням постійного струму, набагато краще видалити R3 C2.

Я не бачу значення в діоді TVS 30 V. Абсолютно згоден з @Autistic. Ви можете поставити його прямо паралельно входу (до R1) та змінити на тип 500-700 В. Його функція тоді: захистити R1 та іншу електроніку від дійсно коротких шипів понад 800 В (я не знаю, чи може ваш додаток потрапляє в подібні проблеми).

R1 повинен бути або розрахований на 1000 В, або реалізований як серія резисторів 0603 або більше, з урахуванням прогалин ізоляції.

Що стосується "справжнього" затискача: ідея @Spehro Pefhany про попередньо зміщений BAV199 (два діоди з низьким витоком в одному пакеті СОТ) виглядає найкраще. Я б не переймався струмами до силових рейок: вони обмежені 4 мА (800 В / 200 кОм), це, мабуть, менше, ніж струм живлення однієї ОМ AMP, яку ви використовуєте.

Чому б не поставити R2 (я вважаю, що це дільник напруги) перед C1, а на місці R2 використовувати дуже великий резистор (1 МОм) - це дозволяє C1 бути меншим, як мало UF.