Схема вимірювання високої напруги постійного струму (до 1000 В)

Я студент E&E випускного курсу, і я намагаюся побудувати лічильник потужності, який повинен вміти вимірювати досить високі напруги постійного струму, до 1000 В постійного струму. Я вимірюю простий 12-бітний АЦП, що має діапазон вхідної напруги 0 - 2,5 В. Чи буде достатньо простого дільника напруги та буфера підсилювача для застосування, чи потрібен інший тип аналогової схеми переднього кінця, оскільки напруга така висока?

Роздільник резистора зробить все, що ви хочете, але при цій напрузі є деякі проблеми, які ви можете ігнорувати:

1. Верхній резистор повинен вміти обробляти 1 кВ. Їх важче дістати, ніж "звичайні" резистори, і вони часто не лінійні з напругою на високому кінці.

2. Розсіювання потужності. Навіть те, що зазвичай було б "великим" резистором, як 1 МОм, розсіює цілий ват, коли на нього подається 1 кВ.

3. Вам потрібна фізична відстань між двома точками, які мають між собою кВ для безпеки та для запобігання стрільбі через повітря.

З-за всіх цих причин я б реалізував верхній резистор дільника напруги з кількома більш простими резисторами послідовно. Наприклад, 0805 резисторів зазвичай оцінюються на 150 В (ваше завдання перевірити таблицю). Десять резисторів 1 МОм 0805 послідовно, фізично розкладених від кінця до кінця, можна використовувати як резистор 1 кВ 10 МОм. Напруга на кожному резисторі становитиме 100 В або менше, що утримує їх у межах специфікації.

Разом резистори 10 МОм розсіюють лише 100 мВт, тому кожен окремий резистор лише 10 мВт. Тут немає жодних проблем.

При верхньому резисторі 10 МОм нижній резистор дільника в ідеалі буде 25,06 кОм, щоб вийти 2,50 В при 1000 В дюйма. Ви хочете мати невеликий зазор вище максимальної специфікації напруги в 1000 В, так що 24 кОм або навіть трохи нижній нижній резистор повинен це зробити.

Вихідний опір дільника з таким високим співвідношенням є в основному значенням нижнього резистора. 24 кОм може бути занадто високим для деяких A / D, тому ви, можливо, захочете буферизувати це за допомогою підсилювача, який використовується як послідовник напруги.

Так, ви можете використовувати дільник напруги (адже інших практичних підходів мало).

Вам потрібно буде використовувати точний резистор для резистора високого значення, який оцінюється для безпечної роботи при 1000 В. Не забувайте про цю деталь. Вам також доведеться дотримуватися рекомендацій щодо компонування, які можуть включати фрезерування ізоляційного гнізда під резистором, щоб збільшити відстань повзучості, якщо резистор сам по собі дійсно не довгий, і обов'язково буде враховувати інші міркування на друкованій платі на вході високої напруги.

Загальний опір дільника буде обмежений вихідним опором, який вам потрібно досягти, і це буде визначатися АЦП, якщо ви спробуєте перейти безпосередньо на вхід АЦП. Швидше за все, це не буде бажано, оскільки (для повної точності) АЦП має бачити кілька К Ом на своєму вході. Скажімо, це 2,5K. Тоді вам потрібно буде використовувати 1 М (або менше) для резистора високого значення, і він буде розсіювати 1 Вт (або більше) при 1000 В постійного струму - не дуже для точності (і він значно завантажує вхід - 1 мА @ 1 кВ).

Можливо, краще використовувати високопродуктивний буфер підсилювача на вході АЦП, що дозволяє використовувати більше, як 10 М і 25 К.

Якщо ви маєте більш високі напруги живлення у вашій системі, можливо, є невелика перевага в розділенні на більш високу напругу, наприклад, 10 В з напругою 15 В, а потім буферизації та використанні другого пасивного дільника, щоб знизитися до 2,5 В, але це, мабуть, не необхідно лише з 12-бітовою роздільною здатністю. Це призведе до зменшення ефекту зміщення оп-підсилювача та відхилення зміщення за рахунок залучення до бюджету помилок ще двох резисторів (але високе напруга повинно бути вашим головним джерелом стурбованості).

Пам'ятайте, що кожен резистивний дільник має паразитичний ємнісний дільник. Залежно від того, які конструкції фізичного резистора використовуються, співвідношення цього дільника може сильно відрізнятися від коефіцієнта опору; це може призвести до появи напрочуд високих шипів напруги на входах ІС, тому вам слід зафіксувати входи ІС на безпечні рівні швидкими діодами та / або компенсувати дільник (можливо, «перекомпенсуйте» його великим конденсатором через нижній резистор).

Проблема з роздільником буде V ² / R (номінальна потужність). При 1000 В, розділивши його на 2,5 В, ваш deltaV буде 997,5 В. Навіть якщо ви використовуєте резистор 1 MegaOhm, ви говорите про використання резистора потужністю 1 Вт, і на практиці ви не хочете, щоб резистор був таким великим, оскільки це буде значною частиною вашого вхідного опору підсилювача і кидайте від точності вимірювання. При 100kOhms ви будете схожі на 10 Вт, і вам, мабуть, доведеться організувати комбінацію паралельних і послідовних резисторів, які дають вам ефективний опір, який ви збираєтеся, розподіляючи вимоги до розсіювання потужності.

Іншою проблемою буде динамічний діапазон. Ви збираєтесь розділити 1000 В на 2,5 В, тобто коефіцієнт 400. Це означає, що природний сигнал 1 В буде проявлятися до вашого АЦП як сигнал 0,0025. Ваша наївна роздільна здатність напруги з 2,5 В @ 12-бітним АЦП становить 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352V / LSB, але ваше число ефективних бітів, ймовірно, ближче до 10, або 0,002441406В / LSB. Тож ви добрі, доки ви приймете, що нижня межа вашого вимірювання буде близько 1В. Методи усереднення можуть покращити ваше ефективне дозвіл напруги за рахунок зниження вашої часової роздільної здатності / спотворення сигналу у часовій області.

"Мультиметровим" способом цього було б зарядити конденсатор з великим резистором і періодично його випробовувати, щоб ви могли відпрацьовувати напругу. Очевидно, вам потрібно затиснути напругу нижче максимальної напруги конденсатора, а також вам потрібен спосіб розрядити конденсатор. Простий транзисторний (або MOSFET) розряд не дасть ідеальних результатів, оскільки жоден напівпровідник не має нульового напруги ec або ds. Але це, мабуть, потрапляє в надто багато деталей.

Перевага цього полягає в тому, що ви отримуєте широкий працездатний діапазон напруги, прямий дільник резистора, придатний для 1кВ, не дуже корисний для вимірювання 1В.

Для подільника резисторів серії megaohm розробіть опір і напругу thevenin. По суті rth - це просто дільник напруги верх / низ паралельно, а vth - вихідна напруга дільника. Це дасть вам вихідний опір і струм, що надходить в opamp / adc.