Schaltung zur Messung von Hochspannungsgleichspannung (bis 1000V)

Ich bin ein E & E-Student im letzten Jahr und versuche, ein Leistungsmessgerät zu bauen, das in der Lage sein muss, ziemlich hohe Gleichspannungen bis zu 1000 V Gleichspannung zu messen. Ich messe mit einem einfachen 12-Bit-ADC, der einen Eingangsspannungsbereich von 0 - 2,5 V hat. Wäre ein einfacher Spannungsteiler und ein Operationsverstärkerpuffer für die Anwendung ausreichend oder wird eine andere Art von analoger Front-End-Schaltung benötigt, weil die Spannung ist so hoch?

Ein Widerstandsteiler wird tun, was Sie wollen, aber bei dieser Spannung gibt es einige Probleme, die Sie normalerweise ignorieren können:

1. Der obere Widerstand muss 1 kV aushalten. Diese sind schwerer zu bekommen als "gewöhnliche" Widerstände und oft nicht linear mit der Spannung am oberen Ende.

2. Energieverschwendung. Sogar was normalerweise ein "großer" Widerstand wie 1 MΩ wäre, verbraucht ein ganzes Watt, wenn 1 kV daran angelegt wird.

3. Sie benötigen einen physischen Abstand zwischen zwei Punkten, zwischen denen ein kV-Abstand besteht, um Lichtbögen durch die Luft zu vermeiden.

Aus all diesen Gründen würde ich den oberen Widerstand des Spannungsteilers mit mehreren gewöhnlichen Widerständen in Reihe schalten. Zum Beispiel sind 0805-Widerstände normalerweise für 150 V ausgelegt (Ihre Aufgabe ist es, das Datenblatt zu überprüfen). Zehn physikalisch aneinander gereihte 1-MΩ-0805-Widerstände können als 1-kV-10-MΩ-Widerstand verwendet werden. Die Spannung an jedem Widerstand beträgt 100 V oder weniger, wodurch die Spezifikationen eingehalten werden.

Insgesamt verbraucht die 10-MΩ-Widerstandskette nur 100 mW, jeder einzelne Widerstand also nur 10 mW. Kein Problem hier.

Bei einem oberen Widerstand von 10 MΩ wäre der untere Widerstand des Teilers idealerweise 25,06 kΩ, um 2,50 V bei 1000 V zu erhalten Sogar ein kleiner unterer Widerstand sollte dies tun.

Die Ausgangsimpedanz eines Teilers mit einem so hohen Verhältnis ist im Grunde der untere Widerstandswert. 24 kΩ können für einige A / D zu hoch sein, daher können Sie dies mit einem als Spannungsfolger verwendeten Operationsverstärker puffern.

Ja, Sie können einen Spannungsteiler verwenden (in der Tat gibt es nur wenige andere praktische Ansätze).

Sie müssen einen Präzisionswiderstand für den hochohmigen Widerstand verwenden, der für einen sicheren Betrieb bei 1000 V ausgelegt ist. Übersehen Sie dieses Detail nicht. Sie müssen auch die Empfehlungen zum Layout befolgen, bei denen möglicherweise ein Isolationsschlitz unter dem Widerstand gefräst wird, um die Kriechstrecke zu erhöhen, es sei denn, der Widerstand selbst ist sehr lang, und bei der Hochspannungseingabe sind definitiv andere Überlegungen zur Platine erforderlich.

Der Gesamtwiderstand des Teilers wird durch die Ausgangsimpedanz begrenzt, die Sie erreichen müssen, und dies wird vom ADC bestimmt, wenn Sie versuchen, direkt in den ADC-Eingang einzusteigen. Dies ist höchstwahrscheinlich nicht wünschenswert, da der ADC (für volle Genauigkeit) einige kOhm an seinem Eingang sehen muss. Sagen wir, es ist 2.5K. Dann müssen Sie 1 M (oder weniger) für den hochohmigen Widerstand verwenden, und dieser verbraucht 1 W (oder mehr) bei 1000 VDC - nicht sehr genau (und belastet den Eingang erheblich - 1 mA bei 1 kV).

Es ist möglicherweise besser, einen Hochleistungs -Operationsverstärkerpuffer am ADC-Eingang zu verwenden, sodass Sie mehr als 10M und 25K verwenden können.

Wenn Sie in Ihrem System höhere Versorgungsspannungen haben, kann das Herunterteilen auf eine höhere Spannung, z. B. 10 V bei einer 15-V-Versorgung und anschließendes Puffern und Verwenden eines zweiten passiven Teilers zum Herunterteilen auf 2,5 V, von geringem Vorteil sein. Dies ist jedoch wahrscheinlich nicht der Fall bei nur 12 bit auflösung notwendig. Dies würde die Auswirkung von Op-Amp-Offset und Offset-Drift verringern, wobei zwei weitere Widerstände in das Fehlerbudget einbezogen würden (aber die Hochspannungsquelle sollte Ihre Hauptursache sein).

Denken Sie daran, dass jeder Widerstandsteiler einen parasitären kapazitiven Teiler hat. Abhängig davon, welche physikalischen Widerstandsdesigns verwendet werden, kann das Verhältnis dieses Teilers sehr unterschiedlich vom Widerstandsverhältnis sein; Dadurch können an Ihren IC-Eingängen überraschend hohe Spannungsspitzen auftreten. Sie sollten Ihre IC-Eingänge daher mit schnellen Dioden auf einen sicheren Pegel klemmen und / oder den Teiler kompensieren (möglicherweise mit einem großen Kondensator über dem unteren Widerstand "überkompensieren").

Das Problem mit einem Teiler ist V ² / R (die Nennleistung). Bei 1000 V, dividiert auf 2,5 V, wird Ihr DeltaV 997,5 V betragen. Selbst wenn Sie einen 1-MegaOhm-Widerstand verwenden, sprechen Sie von einem 1-W-Widerstand, und in der Praxis möchten Sie keinen so großen Widerstand, da dieser einen nennenswerten Teil Ihrer Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ausmacht aus Ihrer Messgenauigkeit. Bei 100 kOhm sehen Sie eher wie 10 W aus, und Sie müssen wahrscheinlich eine Kombination aus Parallel- und Serienwiderständen organisieren, die Ihnen den effektiven Widerstand bieten, den Sie bei der Verteilung der Verlustleistung benötigen.

Das andere Problem wird der dynamische Bereich sein. Sie werden 1000 V auf 2,5 V herunterteilen, was einem Faktor von 400 entspricht. Dies bedeutet, dass sich ein natürliches 1-V-Signal für Ihren ADC als 0,0025-Signal manifestiert. Ihre naive Spannungsauflösung mit einem 2,5 V @ 12-Bit-ADC beträgt 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352 V / LSB, aber Ihre Anzahl der effektiven Bits liegt wahrscheinlich näher bei 10 oder 0,002441406 V / LSB. Sie sind also gut, solange Sie akzeptieren, dass die untere Grenze Ihrer Messung bei 1 V liegt. Mittelungstechniken können Ihre effektive Spannungsauflösung verbessern, auf Kosten der Reduzierung Ihrer Zeitauflösung / Verzerrung Ihres Signals im Zeitbereich.

Eine "Multimeter" -Methode wäre, einen Kondensator mit einem großen Widerstand aufzuladen und ihn in regelmäßigen Abständen abzutasten, damit Sie die Treiberspannung ermitteln können. Natürlich müssen Sie die Spannung unter die maximale Nennspannung des Kondensators klemmen, und Sie müssen auch eine Methode verwenden, um Kondensator entladen. Eine einfache Transistor- (oder Mosfet-) Entladung liefert keine idealen Ergebnisse, da kein Halbleiter eine Spannung von null ec oder ds aufweist. Aber das wird wahrscheinlich zu detailliert.

Dies hat den Vorteil, dass Sie einen breiten Spannungsbereich erhalten. Ein gerader Widerstandsteiler, der für 1 kV geeignet ist, ist für die Messung von 1 V nicht sehr nützlich.

Ermitteln Sie für den Megaohm-Widerstandsteiler den Widerstand und die Spannung. Im Wesentlichen ist rth nur der Spannungsteiler oben / unten parallel und vth ist die Ausgangsspannung des Teilers. Dadurch erhalten Sie die Ausgangsimpedanz und den Strom, der in den Operationsverstärker / ADC fließt.