วงจรสำหรับวัดแรงดัน DC แรงดันสูง (สูงถึง 1000V)

ฉันเป็นนักเรียน E&E ปีสุดท้ายและฉันพยายามสร้างมิเตอร์ไฟฟ้าที่ต้องสามารถวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้ค่อนข้างสูงถึง 1,000 V DC ฉันกำลังวัดด้วย ADC แบบ 12 บิตอย่างง่ายที่มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็น 0 - 2.5 V. ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบเรียบง่ายและบัฟเฟอร์ op-amp จะเพียงพอสำหรับการใช้งานหรือมีวงจรแอนะล็อก front end อีกประเภทหนึ่งที่จำเป็นเนื่องจาก แรงดันไฟฟ้าสูงหรือไม่

ตัวต้านทานแบบตัวต้านทานจะทำในสิ่งที่คุณต้องการ แต่ด้วยแรงดันไฟฟ้านี้มีปัญหาบางอย่างที่คุณสามารถมองข้ามได้:

1. ตัวต้านทานบนสุดจะต้องสามารถรองรับ 1 kV สิ่งเหล่านี้ยากที่จะได้รับมากกว่าตัวต้านทาน "ธรรมดา" และมักจะไม่เป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ระดับสูงสุด

2. การกระจายอำนาจ แม้แต่สิ่งที่ปกติจะเป็นตัวต้านทาน "ใหญ่" เช่น 1 MΩจะกระจายไปทั่วทั้งวัตต์เมื่อใช้ 1 kV

3. คุณต้องการระยะทางกายภาพระหว่างสองจุดที่มี kV ระหว่างจุดนั้นเพื่อความปลอดภัยและเพื่อป้องกันการพุ่งทะลุผ่านอากาศ

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ฉันจะใช้ตัวต้านทานสูงสุดของตัวแบ่งแรงดันพร้อมตัวต้านทานธรรมดาหลายตัวในอนุกรม ตัวอย่างเช่นตัวต้านทาน 0805 มักได้รับการจัดอันดับ 150 V (งานของคุณเพื่อตรวจสอบแผ่นข้อมูล) ตัวต้านทานจำนวน 1 MΩ 0805 ในซีรีส์ซึ่งวางโครงสร้างตั้งแต่ต้นจนจบสามารถใช้เป็นตัวต้านทาน 1 kV 10 MΩ แรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทานแต่ละตัวจะอยู่ที่ 100 V หรือน้อยกว่าซึ่งจะเก็บไว้ในข้อมูลจำเพาะ

รวมกันแล้วตัวต้านทาน 10 MΩจะสลายตัวเพียง 100 mW ดังนั้นตัวต้านทานแต่ละตัวจะมีเพียง 10 mW เท่านั้น ไม่มีปัญหาที่นี่

ด้วยตัวต้านทานสูงสุด 10 MΩตัวต้านทานด้านล่างของตัวแบ่งจะเป็น 25.06 kΩที่จะได้รับ 2.50 V ด้วย 1000 V คุณต้องการมี headroom เล็ก ๆ น้อย ๆ เหนือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ป้อนได้ที่ 1,000 V ดังนั้น 24 kΩหรือ แม้แต่ตัวต้านทานล่างล่างเพียงเล็กน้อยก็ควรทำเช่นนั้น

ความต้านทานเอาท์พุทของตัวหารที่มีอัตราส่วนสูงเช่นนั้นก็คือค่าตัวต้านทานด้านล่าง 24 kΩอาจสูงเกินไปสำหรับ A / D ดังนั้นคุณอาจต้องการบัฟเฟอร์นี้ด้วย opamp ที่ใช้เป็นตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า

ใช่คุณสามารถใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า (อันที่จริงมีวิธีการปฏิบัติอื่น ๆ ไม่กี่)

คุณจะต้องใช้ตัวต้านทานความแม่นยำสำหรับตัวต้านทานค่าสูงที่จัดอันดับให้ทำงานอย่างปลอดภัยที่ 1000V อย่ามองข้ามรายละเอียดนี้ คุณจะต้องทำตามคำแนะนำในการจัดวาง - ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการกัดสล็อตแยกใต้ตัวต้านทานเพื่อเพิ่มระยะ Creepage เว้นแต่ตัวต้านทานจะยาวจริง ๆ และจะเกี่ยวข้องกับการพิจารณา PCB อื่น ๆ ที่อินพุตแรงดันไฟฟ้าสูง

ความต้านทานโดยรวมของตัวหารจะถูก จำกัด ด้วยอิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่คุณต้องการเพื่อให้บรรลุและนั่นจะถูกกำหนดโดย ADC หากคุณพยายามเข้าไปยังอินพุต ADC โดยตรง เป็นไปได้มากว่าสิ่งนี้จะไม่เป็นที่ต้องการเพราะ (เพื่อความแม่นยำเต็มที่) ADC ต้องเห็น K ohms สองสามตัวที่อินพุต บอกว่ามันคือ 2.5K จากนั้นคุณจะต้องใช้ 1M (หรือน้อยกว่า) สำหรับตัวต้านทานค่าสูงและมันจะกระจาย 1W (หรือมากกว่า) ที่ 1000VDC - ไม่เหมาะสำหรับความแม่นยำ (และโหลดอินพุตอย่างมีนัยสำคัญ - 1mA @ 1kV)

อาจเป็นการดีกว่าถ้าใช้บัฟเฟอร์ op-ampประสิทธิภาพสูงที่อินพุต ADC ซึ่งจะช่วยให้คุณใช้งานได้มากกว่าเช่น 10M และ 25K

หากคุณมีแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายสูงกว่าในระบบของคุณอาจมีข้อได้เปรียบเล็กน้อยในการแบ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเช่น 10V กับแหล่งจ่าย 15V จากนั้นบัฟเฟอร์และใช้ตัวแบ่งแฝงตัวที่สองเพื่อลดลงถึง 2.5V แต่อาจไม่ จำเป็นด้วยความละเอียด 12 บิตเท่านั้น มันจะลดผลกระทบของ op-amp offset และ offset drift ด้วยค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับ resistors อีกสองตัวในงบประมาณข้อผิดพลาด (แต่แรงดันสูงควรเป็นแหล่งที่มาหลักของคุณ

จำไว้ว่าตัวต้านทานแบบแบ่งทุกตัวจะมีตัวแบ่งตัวต้านทานแบบกาฝาก ขึ้นอยู่กับการออกแบบตัวต้านทานทางกายภาพที่ใช้อัตราส่วนของตัวแบ่งนี้อาจแตกต่างจากอัตราส่วนตัวต้านทานมาก สิ่งนี้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงได้อย่างน่าประหลาดใจปรากฏขึ้นที่อินพุต IC ของคุณดังนั้นคุณควรหนีบอินพุต IC ของคุณให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยด้วยไดโอดอย่างรวดเร็วและ / หรือชดเชยตัวแบ่ง (อาจจะ "ชดเชย" ด้วยตัวเก็บประจุขนาดใหญ่

ปัญหาของตัวหารจะเป็น V ² / R (ระดับกำลังไฟ) ที่ 1000V หารด้วย 2.5V deltaV ของคุณจะเท่ากับ 997.5V แม้ว่าคุณจะใช้ตัวต้านทาน 1 MegaOhm คุณกำลังพูดถึงการใช้ตัวต้านทานขนาด 1W และในทางปฏิบัติคุณไม่ต้องการตัวต้านทานที่มีขนาดใหญ่เพราะมันจะเป็นส่วนที่เห็นได้ของอิมพีแดนซ์อินพุตแอมป์ของคุณ ปิดความแม่นยำในการวัดของคุณ ที่ 100kOhms คุณจะมีลักษณะเหมือน 10W และคุณอาจต้องจัดเรียงตัวต้านทานแบบขนานและอนุกรมที่ให้ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพที่คุณต้องการในขณะที่กระจายความต้องการกำลังงานออกไป

ปัญหาอื่นจะเป็นช่วงไดนามิก คุณจะแบ่ง 1,000V เป็น 2.5V ดังนั้นปัจจัยที่ 400 นั่นหมายความว่าสัญญาณ 1V แบบธรรมชาติจะแสดงให้เห็นถึง ADC ของคุณเป็นสัญญาณ 0.0025 ความละเอียดแรงดันไฟฟ้าไร้เดียงสาของคุณด้วย ADV 2.5V @ 12 บิตคือ 2.5 / 2 ¹² = 0.000610352V / LSB แต่จำนวนบิตที่มีประสิทธิภาพของคุณน่าจะใกล้เคียงกับ 10 หรือ 0.002441406V / LSB ดังนั้นคุณจะดีตราบใดที่คุณยอมรับว่าขีด จำกัด ล่างของการวัดของคุณจะอยู่ที่ประมาณ 1V เทคนิคการหาค่าเฉลี่ยสามารถปรับปรุงความละเอียดของแรงดันไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยลดค่าความละเอียดเวลา / บิดเบือนสัญญาณในโดเมนเวลา

วิธีการ "มัลติมิเตอร์" ในการทำเช่นนี้คือการชาร์จตัวเก็บประจุที่มีตัวต้านทานขนาดใหญ่และเก็บตัวอย่างเป็นระยะเพื่อให้คุณสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าในการขับขี่ .. เห็นได้ชัดว่าคุณจำเป็นต้องยึดแรงดันด้านล่าง ปล่อยประจุ การปล่อยทรานซิสเตอร์ง่าย ๆ (หรือมอสเฟต) จะไม่ให้ผลลัพธ์ที่สมบูรณ์แบบเนื่องจากไม่มีเซมิคอนดักเตอร์มีศูนย์ ec หรือแรงดัน ds แต่นั่นอาจจะเป็นการลงรายละเอียดที่มากเกินไป

ประโยชน์ของการทำเช่นนี้คือคุณจะได้รับช่วงแรงดันไฟฟ้าที่สามารถใช้งานได้หลากหลายตัวแบ่งความต้านทานแบบตรงที่เหมาะสมสำหรับ 1kV นั้นไม่มีประโยชน์สำหรับการวัด 1V ..

สำหรับตัวต้านทานตัวต้านทานชุด megaohm ให้หาค่าความต้านทานและแรงดัน thevenin ในสาระสำคัญ rth เป็นเพียงแรงดันไฟฟ้าแบ่งด้านบน / ล่างในแบบคู่ขนานและ vth เป็นแรงดันเอาท์พุทตัวหาร สิ่งนี้จะให้ความต้านทานเอาต์พุตและกระแสไหลเข้าสู่ opamp / adc