ตัวแบ่งแรงดันหนีบนี้สำหรับอินพุตความต้านทานสูงการออกแบบที่ดีและทนทานหรือไม่

ฉันมีอินพุต AC ดังนี้:

1. สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่± 10V ถึงอย่างน้อย± 500V ต่อเนื่อง
2. ทำงานจากประมาณ 1 Hz ถึง 1 kHz
3. ต้องการอิมพีแดนซ์> 100 kΩต่อมิฉะนั้นแอมพลิจูดจะเปลี่ยนไป
4. อาจถูกตัดการเชื่อมต่อเป็นครั้งคราวและอาจทำให้ระบบเกิดเหตุการณ์ ESD

เมื่ออินพุตต่ำกว่า 20V ฉันต้องแปลงรูปคลื่นเป็นดิจิทัลด้วย ADC เมื่อมันสูงกว่า 20V ฉันสามารถเพิกเฉยได้ว่าอยู่นอกช่วง แต่ระบบของฉันต้องไม่เสียหาย

เนื่องจาก ADC ของฉันต้องการสัญญาณที่ค่อนข้างแข็งฉันจึงต้องการบัฟเฟอร์อินพุตสำหรับสเตจต่อไป (ในนั้นฉันจะตั้งค่าให้มันยึด 0V ถึง 5V และป้อนไปยัง ADC)

ฉันออกแบบวงจรต่อไปนี้สำหรับสเตจอินพุตเริ่มต้นของฉันเพื่อรับเอาต์พุตที่ปลอดภัยและแข็งแกร่งที่ฉันสามารถป้อนไปยังสเตจต่อไป:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เป้าหมายของฉันคือ:

1. ตรวจสอบให้แน่ใจ> 100 kΩของความต้านทานต่อแหล่งจ่าย
2. เปลี่ยนอินพุต± 20V เป็นประมาณ± 1.66V เอาต์พุต
3. จัดทำเอาต์พุตแบบแข็ง
4. จัดการอินพุตแรงดันสูงอย่างต่อเนื่องได้อย่างปลอดภัย (อย่างน้อย± 500V)
5. จัดการกับเหตุการณ์ ESD โดยไม่ต้องทิ้งกระแสไฟ / แรงดันเข้าไปในราง± 7.5V

นี่คือเหตุผลของฉันสำหรับการออกแบบวงจรของฉัน:

1. R1และR2สร้างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าลดแรงดัน 12X
2. TVSทำปฏิกิริยาไดโอดได้อย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันเหตุการณ์ ESD กับการป้อนข้อมูลที่ทิ้งพวกเขาไปที่พื้นดินที่แข็งแกร่งของฉันโดยไม่ทิ้งอะไรลงบน (อ่อน) ± 7.5V รางของฉัน
3. TVSไดโอดยังจับไฟแรงดันสูงมาก (อย่างยั่งยืน± 500V) โดยแบ่งลงไปที่พื้น R1นั้นผ่านมาเพื่อ จำกัด กระแสในกรณีเหล่านี้
4. D1และD2หนีบแรงดันไฟฟ้าที่ถูกหารไว้ที่± 8.5V ดังนั้นฉันไม่ต้องการตัวเก็บประจุแรงดันสูงสำหรับC1 ; หลังจากผ่านR1กระแสก็จะถูก จำกัด เช่นกัน
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. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

วงจรนี้เหมาะสมที่สุดสำหรับเป้าหมายของฉันหรือไม่ ฉันสามารถคาดหวังปัญหาใด ๆ กับมันได้หรือไม่? มีการปรับปรุงใด ๆ ที่ฉันควรทำหรือมีวิธีที่ดีกว่าในการบรรลุเป้าหมายของฉันหรือไม่?

แก้ไข 1

1. ฉันเดิมบอกว่าสิ่งนี้จำเป็นต้องจัดการ± 200V อย่างต่อเนื่อง แต่ฉันคิดว่า± 500V เป็นเป้าหมายที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น

2. เพื่อให้ไดโอดTVSทำงานได้ตามปกติR1จะต้องแบ่งเป็นตัวต้านทานสองตัวที่นี่R1aและR1bตามที่แนะนำโดย@ jp314 :

^{จำลองวงจรนี้}

แก้ไข 2

นี่คือวงจรที่ได้รับการแก้ไขซึ่งรวมเอาข้อเสนอแนะที่ได้รับ:

1. Zeners ข้ามแหล่งจ่ายไฟ ( @Autistic )
2. ตัวต้านทานที่นำไปสู่พวกมัน ( @Spehro Pefhany )
3. Fast BAV199 diodes ( @Master ; ทางเลือกที่ลดการรั่วไหลของ BAV99 ที่@Spehro Pefhanyแนะนำถึงแม้ว่าจะมีความจุสูงสุดประมาณ 2 pF มากกว่า 1.15 pF)
4. ทีวีไดโอดออกด้านหน้าและปรับถึง 500 V ( @Master ) ดังนั้นจึงจัดการเพียง ESD เหตุการณ์ปกป้องR1
5. ตายสั้น ๆ จากเอาต์พุต op-amp เป็นอินพุตลบ ( @Spehro Pefhanyและ@Master )
6. ลดลงC1ถึง10μF ( @Spehro Pefhany ); สิ่งนี้แนะนำให้ลดแรงดันไฟฟ้า 0.3% ที่ 1 Hz ซึ่งไม่ดีเท่าฝา220μFดั้งเดิม แต่จะทำให้การจัดหาตัวเก็บประจุง่ายขึ้น
7. เพิ่มตัวต้านทาน 1 kΩ R6เพื่อ จำกัด กระแสในOA1 ( @Autisticและ@Master )

^{จำลองวงจรนี้}

D1 & D2 ของคุณจะใช้สัญญาณอินพุทไม่ใช่ TVS - แยก 220k เป็น 200k + 20k และใส่ส่วน 20k ระหว่าง TVS และไดโอด

หรือเพียงใช้ zener 4.7 V จากโหนดนั้นไปยัง GND

คุณไม่จำเป็นต้องใช้ R3 / C2 อินพุต op-amp ที่ไม่กลับด้าน 'เห็น' R2 (20K) บนเส้นทาง DC ปัจจุบันของไบอัส (ไม่ใช่ 220K) ดังนั้นการชดเชยจะไม่น่าสนใจหากคุณแทนที่ด้วยระยะสั้น หากคุณยืนยันใน R3 / C2 ดูการคำนวณด้านล่าง

220K แสดงถึงปฏิกิริยารีแอคทีฟของ 0.7 ยูเอฟที่ 1Hz ดังนั้นฉันคิดว่าตัวเก็บประจุเซรามิกขนาด 10 ยูเอฟและราคาไม่แพง (และไม่รั่ว) จะดีขึ้นเพิ่มในพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสประมาณ 7% ดังนั้นผลรวมน้อยกว่า 0.3% . อย่างไรก็ตามอาจจะมีผลกระทบเพราะหนีบบางอย่างเพื่อให้ดีที่สุดในการตรวจสอบเรื่องนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการว่าคุณคาดหวังให้ประพฤติ เมื่อหนีบมันจะเห็น '20k ในซีรีส์ที่มีแคลมป์อิมพีแดนซ์ต่ำดังนั้นค่าคงที่เวลาจึงสั้นลง 11x

R1 มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความน่าเชื่อถือ - แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะถูกส่งผ่านมันต้องเป็นชนิดแรงดันสูงซึ่งได้รับการจัดอันดับให้ทนต่อการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่คุณคาดหวังโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าแรงดันไฟฟ้าขาเข้านี้มาจากแหล่งจ่ายไฟหลัก Vishay VR25 อาจเหมาะสม (มีสารตะกั่ว) อย่าปล่อยทิ้งที่นี่ เว้นแต่ว่าเพนนี่ไม่กี่ตัวสุดท้ายจะสำคัญกว่าความน่าเชื่อถือฉันไม่ได้เป็นแฟนตัวยงของการใช้ตัวต้านทานทั่วไปหลายตัวสำหรับจุดประสงค์นี้ - ส่วนที่จัดอันดับอย่างเหมาะสมควรจะโอเคเว้นแต่คุณจะต้องใช้ตัวต้านทานที่รับการจัดอันดับอย่างเหมาะสมสองชุด .

ฉันจะสูญเสีย TVS และพิจารณาการหนีบโดยตรงกับ shunt (เช่น zener pair) หรือ diode switching ที่มีความจุต่ำเช่น BAV99 pair ไปยัง shunts ที่มีลำเอียงก่อนเช่น Zeners หรือ TL431s (พร้อมตัวต้านทานไปยังรางอุปทาน) หลังจะมีความจุน้อยกว่าการใช้ zeners โดยตรงและจะทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสน้อยกว่าที่ 1kHz ถ้ามันสำคัญสำหรับคุณ กระแสหนีบน้อยกว่า 1mA ที่ 200V ในดังนั้นจึงไม่ต้องเสียภาษีมากนักตราบใดที่ R1 ยังคงรับมือกับสิ่งที่ EMF ต้องเผชิญ ตัวเลือกทั้งสองที่ฉันแนะนำสามารถหนีบได้ 100mA อย่างน้อยเป็นเวลาสั้น ๆ

R3 / C2 ไม่ได้เป็นตัวกรองความถี่ต่ำ - R3 และความจุอินพุตของรูปแบบตัวกรองความถี่ต่ำผ่านแอมป์และ C2 นั้นจะถูกเลือกให้มีขนาดใหญ่กว่ามากดังนั้นหากความจุอินพุตเป็น 15pF คุณอาจใช้ 1nF หรืออะไรทำนองนั้น คุณจะประสบปัญหากับ 20K เพียงอย่างเดียวหากคุณมี op-amp ที่ไม่เหมาะสมอย่างดุเดือด (ความสามารถของความถี่สูงมาก) ซึ่งการเปลี่ยนเฟสผลลัพธ์ส่งผลกระทบต่อความเสถียรและแน่นอนว่าสั้น ๆ ไม่มีปัญหานั้น

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

P / N ของ OP AMP และไดโอดบนแผนผังไม่มีความหมาย ไดโอด D3 D4 เป็นหนึ่งใน BAV199 หรือ 2 ทางแยกระหว่างเกตกับช่องทางของ jFET MMBF4117 OA1 คือ OPA365 ต้องเลือก C3 เพื่อให้ความถี่ผ่านต่ำที่เพียงพอสำหรับตัวกรองใน C3, R1 / 2

R2 และ R3 เป็นตัวต้านทานฟิล์มบางที่มีความแม่นยำมากกว่าหรือแม้แต่สองส่วนของเครือข่ายตัวต้านทานเดียว พวกเขากำหนดศูนย์ของคุณดริฟท์

ต้องจัดอันดับ R5 สำหรับแรงดันไฟฟ้า 1 kV คุณสามารถใช้ตัวต้านทานจำนวน 0603 หลายตัวในอนุกรม

และเพื่อความปลอดภัยจริงๆคุณสามารถเพิ่มตัวต้านทาน 1 kOhm บางส่วนระหว่างอินพุตที่ไม่กลับหัวกลับหางของ OPA365 และจุดกึ่งกลางของ R1 R2 มันจะช่วย จำกัด การป้อนกระแสหากมีบางอย่างผิดปกติ

ตัว จำกัด แรงดันไฟฟ้ากำลังสูง (เช่น TVS diode หรือ varistor) ควรเชื่อมต่อระหว่าง INPUT และ GND แรงดันประมาณ 600-800 V

คุณใช้ OPA ประเภทใด หากเป็นอินพุต FET OP AMP (กระแสอินพุตต่ำกว่า 100 pA) คุณไม่จำเป็นต้องใช้ R3 C2 นอกจากนี้หากคุณไม่สนใจเกี่ยวกับการชดเชย DC จะดีกว่ามากในการลบ R3 C2

ฉันไม่เห็นคุณค่าใด ๆ ใน TVS diode 30 V. เห็นด้วยอย่างยิ่งกับ @Autistic คุณสามารถวางตรงขนานกับอินพุต (ก่อน R1) และเปลี่ยนเป็นประเภท 500-700 V ฟังก์ชั่นของมันคือ: เพื่อปกป้อง R1 และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ จาก spikes สั้น ๆ มากกว่า 800 V (ฉันไม่รู้ว่าแอปพลิเคชันของคุณอาจมีปัญหาเช่นนี้หรือไม่)

R1 จะต้องได้รับการจัดอันดับ 1,000 V หรือนำไปใช้เป็นชุดของตัวต้านทาน 0603 หรือใหญ่กว่าโดยคำนึงถึงช่องว่างแยก

สำหรับแคลมป์ "ของจริง": แนวคิดของ @Spehro Pefhany ของ BAV199 ก่อนลำเอียง (สองไดโอดการรั่วไหลต่ำในหนึ่ง SOT แพ็คเกจ) ดูดีที่สุด ฉันจะไม่แคร์เรื่องกระแสไฟฟ้าต่อรางไฟฟ้ามากเกินไป: พวกมันถูก จำกัด โดย 4 mA (800 V / 200 kOhms), มันน่าจะน้อยกว่ากระแสไฟของแอมป์ OP หนึ่งที่คุณใช้

ทำไมไม่ใส่ R2 (ฉันเชื่อว่ามันเป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า) ก่อน C1 และใช้ตัวต้านทานขนาดใหญ่มาก (1 MOhm) แทน R2 - นี่ช่วยให้ C1 มีขนาดเล็กเพียงไม่กี่ uF