Підсилюючий струм високої напруги nA

У мене є схема, яка по суті є лише джерелом постійного струму 1 кВ, підключеною до дуже високого опору ( базовий контур контуру ), в межах якого протікає струм в діапазоні від 0,1nA до 500uA, який я намагаюся виміряти за допомогою Arduino (струм змінюється, оскільки опір змінюється через зовнішні фактори). У мене виникла ідея використання цього (або подібного) підключення до Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Однак це працює до 26 В і має лише роздільну здатність 0,8 мА.

Щоб вирішити це, я спершу подумав про використання роздільника потенціалу, щоб мати паралельний ділянку ланцюга з напругою, зниженою до ~ 13 В, де може перейти INA219 ( секція зниженої напруги ), з резисторами високого опору, так що по суті весь струм протікає через цю секцію.

Однак зараз мені потрібно посилити струм у цьому розділі до значення, яке може вимірювати INA219. Переглянувши речі, я подумав, що гарною ідеєю для цього буде пара Дарлінгтонів, і реалізував це так: з парою Дарлінгтон . Однак я вважаю, що для цього немає посилення. Чи я неправильно реалізую пару Дарлінгтону, чи вона не працює для таких малих струмів, чи пара Дарлінгтонів тут абсолютно неправильна ідея посилити струм? Якщо це неправильний шлях для вирішення цього питання, який би був хороший спосіб виміряти струм цієї ланцюга високого вольта низького струму за допомогою Arduino?

Редагувати: Я включив схему діаграми, яку, на мою думку, описує відповідь Оліна Летропа

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

Це була б схема, про яку думав Олін, з кількома бонусами.

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

Зеннери можуть мати досить високий струм витоку, і вам потрібен захист з дуже малим витоком, оскільки струм, який ви хочете виміряти, невеликий.

Таким чином, D3 створить 3В-посилання з можливістю шунтувати надлишковий струм на землю. D1 / D2 вмикається, лише якщо щось піде не так. D1 і D2 - це звичайні діоди кремнію, які слід вибрати для низького струму витоку.

Схематичний редактор використовував 1N4148, але згідно з таблицею, витік досить високий. Ви можете спробувати 1N3595, який має значно менший витік. Я вибрав деталь із отвором спеціально, тому що легше мати низький протікання з отвором через ширший інтервал між штифтами ...

C1, якщо це потрібно, забезпечує деяку фільтрацію низьких частот. Якщо не видалити R5 / C1.

Зауважте, що це буде повністю захищено від короткого поперек R1, якщо R3 здатний витримати 1 кВ без вигину або вигорання, або якщо живлення відключається через надмірний струм тощо.

Якщо ваш джерело живлення 1 кВ здатний виводити лише кілька мА, то діоди D2-D3 захистять АЦП вашого мікрофона, але R2 / R3 буде дугою і загине. Не дуже дорогі деталі, тому ваш вибір переоформляти чи ні.

За допомогою мікроконтролера потрібно виміряти до 500 мкА. Резистор низького бічного струму відчувається як очевидний вибір, якщо немає обмежень, про які ви нам не говорите. При 1 кВ слід допустимо скинути вольт або кілька.

Скажімо, вам потрібно 3,0 В при 500 мкА. Зробіть математику. (3,0 В) / (500 мкА) = 6 кОм. При цьому між нижнім кінцем навантаження та землею ви отримаєте сигнал від 0 до 3,0 В, що вказує від 0 до 500 мкА.

З великою напругою навколо, я б поставив деякий захист між цим 3 В сигналом та A / D. Додайте серійний опір з подальшим відсіканням діода на землю та 3,3 В або щось.

З 12-бітовим A / D (що легко вбудується сьогодні в мікроконтролер), ви отримаєте приблизно 122 нА. Якщо це недостатньо добре, використовуйте зовнішній A / D, наприклад, дельта-сигма, якщо пропускна здатність досить низька.

Додано

Розміщення діодів і R4 не має сенсу у вашій схемі.

Ось що я описав вище:

R2 - перетворювач напруги в напругу. Він складає 3,0 В при 500 мкА. D1 і D2 вирізають результат на безпечний рівень, а R1 забезпечує імпеданс для протидії.

Одним недоліком відсікання є те, що опір OUT стає високим. Виведений вище вихід повинен бути буферизований перед тим, як вводити A / D вхід. Це можна зробити з підсилювачем в якості послідовника напруги.

Оскільки ви все-таки опинилися з підсилювачем, ви можете розглянути можливість зниження рівня R2 і використання підсилювача для посилення. Чи має це сенс, залежить від різних компромісів, про які ви нам не розповідали.

Один з варіантів - використовувати оптоізолятор послідовно з навантаженням:

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

Це має перевагу в тому, що ви можете повністю ізолювати високу напругу від мікроконтролера.

Основний недолік полягає в тому, що коефіцієнт передачі струму (CTR) оптоізоляторів змінюється, тому знадобиться деяка калібрування. Залежно від того, наскільки точне вимірювання вам потрібно, ви можете використовувати деяку загальну модель зі 100% -1000% CTR, але дещо нелінійною відповіддю. Якщо вам потрібна додаткова точність, існують лінеаризовані оптоізолятори, але їх CTR становить лише близько 1%, це означає, що замість посилення ви послабили сигнал і потрібно було б додати операційний підсилювач на стороні низької напруги.