การขยายกระแสไฟฟ้าแรงสูง nA

ฉันมีวงจรที่เป็นเพียงแหล่ง DC 1kV ที่เชื่อมต่อกับความต้านทานสูงมาก ( โครงร่างวงจรพื้นฐาน ) ซึ่งภายในกระแสในช่วงจาก 0.1nA ถึง 500uA กระแสที่ฉันพยายามวัดโดยใช้ Arduino (กระแสแตกต่างกันไปเพราะ ความต้านทานแตกต่างกันไปเนื่องจากปัจจัยภายนอก) ฉันมีความคิดที่จะใช้สิ่งนี้ (หรือคล้ายกัน) ที่เชื่อมต่อกับ Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

อย่างไรก็ตามมันใช้งานได้ถึง 26V และมีความละเอียดเพียง 0.8mA

ในการแก้ปัญหานี้ฉันแรกคิดว่าการใช้ตัวแบ่งที่อาจเกิดขึ้นเพื่อให้มีส่วนที่ขนานของวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าลดลงถึง ~ 13V ซึ่ง INA219 สามารถไป ( ส่วนแรงดันไฟฟ้าลดลง ) กับตัวต้านทานความต้านทานสูง

อย่างไรก็ตามตอนนี้ฉันต้องขยายกระแสในส่วนนี้เป็นค่าที่ INA219 สามารถวัดได้ หลังจากดูสิ่งขึ้นผมคิดว่าเป็นความคิดที่ดีสำหรับการนี้จะเป็นคู่ดาร์ลิงตันและดำเนินการเช่นนี้กับดาร์ลิงตันคู่ อย่างไรก็ตามฉันพบว่าไม่มีการขยายสัญญาณสำหรับเรื่องนี้ ฉันกำลังใช้คู่ดาร์ลิงตันอย่างไม่ถูกต้องหรือมันไม่ทำงานสำหรับกระแสเล็ก ๆ เช่นนี้หรือคู่ดาร์ลิงตันเป็นความคิดที่ผิดที่นี่เพื่อขยายกระแสหรือไม่ หากนี่เป็นวิธีที่ผิดที่จะไปเกี่ยวกับเรื่องนี้จะเป็นวิธีที่ดีในการวัดกระแสของวงจรโวลต์สูงต่ำในปัจจุบันด้วย Arduino

แก้ไข: ฉันได้รวมแผนผังของแผนภาพที่ฉันคิดว่าถูกอธิบายโดยคำตอบของ Olin Lathrop

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

นี่จะเป็นแผนผังที่ Olin กำลังคิดเกี่ยวกับโบนัสเล็กน้อย

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

Zeners สามารถมีกระแสรั่วไหลค่อนข้างสูงและคุณต้องการการป้องกันที่มีการรั่วไหลต่ำมากเนื่องจากกระแสที่คุณต้องการวัดมีขนาดเล็ก

ดังนั้น D3 จะสร้างการอ้างอิง 3V พร้อมความสามารถในการปัดกระแสไฟฟ้าส่วนเกินลงสู่พื้นดิน D1 / D2 จะเปิดขึ้นเมื่อมีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้น D1 และ D2 เป็นไดโอดซิลิคอนปกติซึ่งคุณควรเลือกกระแสไฟรั่วต่ำ

เครื่องมือแก้ไขแผนผังใช้ 1N4148 แต่ตามแผ่นข้อมูลการรั่วไหลค่อนข้างสูง คุณสามารถลอง1N3595ซึ่งมีการรั่วไหลที่ต่ำกว่ามาก ฉันเลือกส่วนรูที่ต้องการเพราะมันง่ายกว่าที่จะมีรูรั่วน้อยกว่าเนื่องจากรูที่กว้างกว่า ...

C1 มีตัวกรอง lowpass บางส่วนหากจำเป็น ถ้าไม่ลบ R5 / C1

โปรดทราบว่านี่จะได้รับการป้องกันอย่างเต็มรูปแบบต่อการลัดวงจรข้าม R1 หาก R3 สามารถทนต่อ 1kV ได้โดยไม่ต้องมีการเผาหรือการเผาไหม้หรือถ้าแหล่งจ่ายไฟปิดเนื่องจากกระแสเกิน ฯลฯ

หากแหล่งจ่าย 1kV ของคุณสามารถส่งออกได้ไม่กี่ mA ดังนั้นไดโอด D2-D3 จะปกป้อง ADC ของไมโครของคุณ แต่ R2 / R3 จะเป็นส่วนโค้งและตาย ไม่ใช่ชิ้นส่วนที่แพงมากดังนั้นคุณเลือกที่จะออกแบบมากเกินไปหรือไม่

คุณต้องการวัดสูงสุด 500 withA ด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัวต้านทานความรู้สึกกระแสไฟต่ำดูเหมือนตัวเลือกที่ชัดเจนเว้นแต่จะมีข้อ จำกัด ที่คุณไม่ได้บอกเรา ด้วย 1 kV มันควรจะเป็นที่ยอมรับที่จะลดลงโวลต์หรือไม่กี่

สมมติว่าคุณต้องการ 3.0 V ที่ 500 µA ทําคณิตศาสตร์. (3.0 V) / (500 µA) = 6 kΩ เมื่ออยู่ระหว่างปลายด้านล่างของโหลดและกราวด์คุณจะได้รับสัญญาณ 0 ถึง 3.0 V ซึ่งแสดงถึง 0 ถึง 500 µA

ด้วยแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ฉันจะใส่การป้องกันระหว่างสัญญาณ 3 V และ A / D เพิ่มความต้านทานอนุกรมตามด้วย diode clipping กับ ground และ 3.3 V หรืออะไรบางอย่าง

ด้วย 12 บิต A / D (ง่ายต่อการติดตั้งไมโครคอนโทรลเลอร์ในปัจจุบัน) คุณจะได้รับความละเอียดประมาณ 122 nA หากยังไม่ดีพอให้ใช้ A / D ภายนอกเช่นเดลตาซิกมาถ้าแบนด์วิดท์ของคุณต่ำพอ

ที่เพิ่ม

การจัดวางไดโอดและ R4 ไม่มีความหมายในแผนผังของคุณ

นี่คือสิ่งที่ฉันอธิบายข้างต้น:

R2 เป็นตัวแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นแรงดันไฟฟ้า มันทำ 3.0 V ที่ 500 µA D1 และ D2 คลิปผลลัพธ์ไปยังระดับที่ปลอดภัยและ R1 ให้ความต้านทานสำหรับพวกเขาในการทำงาน

ข้อเสียอย่างหนึ่งของการตัดคือความต้านทานของ OUT สูง OUT ที่แสดงด้านบนจะต้องได้รับการบัฟเฟอร์ก่อนขับ A / D อินพุต สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วย opamp ในฐานะผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากคุณจบลงด้วย opamp ในนั้นคุณสามารถพิจารณาลด R2 และใช้ opamp เพื่อขยาย ไม่ว่าจะเหมาะสมหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนที่หลากหลายที่คุณยังไม่ได้บอกเรา

ทางเลือกหนึ่งคือการใช้ optoisolator ในซีรีย์กับโหลด:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

นี่คือข้อดีที่คุณสามารถแยกไฟฟ้าแรงสูงจากไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณได้อย่างสมบูรณ์

ข้อเสียเปรียบหลักคืออัตราส่วนการถ่ายโอนปัจจุบัน (CTR) ของ optoisolators แตกต่างกันดังนั้นจึงจะต้องมีการสอบเทียบ คุณสามารถใช้แบบจำลองทั่วไปกับ 100% -1000% CTR ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำในการวัดที่คุณต้องการ แต่เป็นการตอบสนองที่ไม่ใช่เชิงเส้น หากคุณต้องการความแม่นยำเป็นพิเศษมีออพติออลเชิงเส้น แต่ CTR ของพวกเขานั้นมีเพียงประมาณ 1% ซึ่งหมายความว่าแทนที่จะขยายสัญญาณคุณได้ลดทอนสัญญาณและจะต้องเพิ่มแอมพลิฟายเออร์ด้านแรงดันต่ำ