Verstärkung des Hochspannungs-nA-Stroms

Ich habe eine Schaltung, die im Wesentlichen nur eine 1-kV-Gleichstromquelle ist, die an einen sehr hohen Widerstand angeschlossen ist ( Grundschaltung ), innerhalb derer Strom im Bereich von 0,1 nA bis 500 uA fließt, den ich mit einem Arduino messen möchte (der Strom variiert, weil Der Widerstand variiert aufgrund äußerer Faktoren. Ich hatte die Idee, dieses (oder ein ähnliches) Gerät zu verwenden, das mit einem Arduino verbunden ist: https://www.adafruit.com/product/904

Dies funktioniert jedoch bis zu 26 V und hat nur eine Auflösung von 0,8 mA.

Um dies zu lösen, dachte ich zuerst daran, einen Potentialteiler zu verwenden, um einen parallelen Abschnitt der Schaltung mit einer auf ~ 13 V reduzierten Spannung zu haben, in den der INA219 gehen kann ( Abschnitt mit reduzierter Spannung ), mit hochohmigen Widerständen, so dass im Wesentlichen der gesamte Strom durch diesen Abschnitt fließt.

Jetzt muss ich jedoch den Strom in diesem Abschnitt auf einen Wert verstärken, den der INA219 messen kann. Nachdem ich nachgeschlagen hatte, dachte ich, dass eine gute Idee dafür ein Darlington-Paar sein würde, und implementierte es so: mit Darlington-Paar . Ich finde jedoch, dass es dafür keine Verstärkung gibt. Implementiere ich das Darlington-Paar falsch oder funktioniert es nicht für so kleine Ströme, oder ist ein Darlington-Paar hier völlig die falsche Idee, um den Strom zu verstärken? Wenn dies der falsche Weg ist, was wäre ein guter Weg, um den Strom dieser Niederspannungs-Hochspannungsschaltung mit einem Arduino zu messen?

Bearbeiten: Ich habe ein Schema des Diagramms beigefügt, das meiner Meinung nach durch die Antwort von Olin Lathrop beschrieben wird

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Dies wäre das Schema, über das Olin nachdachte, mit ein paar Boni.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Zeners können einen ziemlich hohen Leckstrom haben, und Sie benötigen einen Schutz mit sehr geringem Leckstrom, da der Strom, den Sie messen möchten, winzig ist.

D3 erstellt also eine 3-V-Referenz mit der Fähigkeit, überschüssigen Strom nach Masse zu leiten. D1 / D2 schaltet sich nur ein, wenn etwas schief geht. D1 und D2 sind normale Siliziumdioden, die Sie für einen geringen Leckstrom auswählen sollten.

Der Schaltplaneditor verwendete 1N4148, aber laut Datenblatt ist die Leckage ziemlich hoch. Sie könnten 1N3595 ausprobieren, das eine viel geringere Leckage aufweist. Ich habe absichtlich ein Durchgangslochteil ausgewählt, weil es aufgrund des größeren Stiftabstands einfacher ist, eine geringe Leckage mit Durchgangsloch zu haben ...

C1 bietet bei Bedarf eine Tiefpassfilterung. Wenn nicht, entfernen Sie R5 / C1.

Beachten Sie, dass dies nur dann vollständig gegen einen Kurzschluss über R1 geschützt ist, wenn R3 1 kV ohne Lichtbogenbildung oder Brennen aushält oder wenn die Versorgung aufgrund von Überstrom usw. unterbrochen wird.

Wenn Ihre 1-kV-Versorgung nur wenige mA ausgeben kann, schützen die Dioden D2-D3 den ADC Ihres Mikros, aber R2 / R3 würde einen Lichtbogen bilden und sterben. Nicht sehr teure Teile, also entscheiden Sie sich für ein Überdesign oder nicht.

Sie möchten mit einem Mikrocontroller bis zu 500 µA messen. Ein Low-Side-Stromerfassungswiderstand scheint die naheliegende Wahl zu sein, es sei denn, es gibt Einschränkungen, über die Sie uns nichts erzählen. Bei 1 kV sollte es akzeptabel sein, ein oder mehrere Volt abzusenken.

Angenommen, Sie möchten 3,0 V bei 500 µA. Rechne nach. (3,0 V) / (500 uA) = 6 kΩ. Mit diesem Wert zwischen dem unteren Ende der Last und Masse erhalten Sie ein Signal von 0 bis 3,0 V, das 0 bis 500 µA anzeigt.

Mit der großen Spannung würde ich einen gewissen Schutz zwischen diesem 3-V-Signal und dem A / D setzen. Fügen Sie einen Serienwiderstand hinzu, gefolgt von einem Diodenclip gegen Masse und 3,3 V oder so.

Mit einem 12-Bit-A / D (heutzutage einfach in einen Mikrocontroller zu integrieren) erhalten Sie eine Auflösung von ca. 122 nA. Wenn das nicht gut genug ist, verwenden Sie ein externes A / D wie Delta-Sigma, wenn Ihre Bandbreite niedrig genug ist.

Hinzugefügt

Die Platzierung der Dioden und R4 macht in Ihrem Schaltplan keinen Sinn.

Folgendes habe ich oben beschrieben:

R2 ist der Strom-Spannungs-Wandler. Es macht 3,0 V bei 500 uA. D1 und D2 klemmen das Ergebnis auf ein sicheres Niveau, und R1 liefert die Impedanz, gegen die sie arbeiten können.

Ein Nachteil des Clippings besteht darin, dass die Impedanz von OUT hoch wird. Der oben gezeigte OUT muss gepuffert werden, bevor ein A / D-Eingang angesteuert wird. Dies könnte mit einem Operationsverstärker als Spannungsfolger erfolgen.

Da Sie dort ohnehin einen Opamp haben, können Sie R2 senken und den Opamp zur Verstärkung verwenden. Ob dies sinnvoll ist, hängt von verschiedenen Kompromissen ab, von denen Sie uns noch nichts erzählt haben.

Eine Möglichkeit besteht darin, einen Optoisolator in Reihe mit der Last zu verwenden:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Dies hat den Vorteil, dass Sie die Hochspannung vollständig von Ihrem Mikrocontroller trennen können.

Der Hauptnachteil besteht darin, dass das Stromübertragungsverhältnis (CTR) von Optoisolatoren variiert, sodass eine gewisse Kalibrierung erforderlich ist. Abhängig davon, wie genau die Messung ist, können Sie ein generisches Modell mit einer Klickrate von 100% bis 1000%, aber einer etwas nichtlinearen Reaktion verwenden. Wenn Sie zusätzliche Genauigkeit benötigen, gibt es linearisierte Optoisolatoren, deren Klickrate jedoch nur etwa 1% beträgt. Dies bedeutet, dass Sie das Signal nicht verstärkt, sondern gedämpft haben und auf der Niederspannungsseite einen Operationsverstärker hinzufügen müssten.