Схема для измерения высокого напряжения постоянного тока (до 1000 В)

Я студент последнего курса E & E, и я пытаюсь построить измеритель мощности, который должен быть способен измерять довольно высокие напряжения постоянного тока, вплоть до 1000 В постоянного тока. Я измеряю с помощью простого 12-разрядного АЦП с диапазоном входного напряжения 0–2,5 В. Будет ли достаточно простой делитель напряжения и буфер операционного усилителя для применения или существует другой тип аналоговой схемы внешнего интерфейса, поскольку напряжение такое высокое?

Резисторный делитель будет делать то, что вы хотите, но при этом напряжении есть некоторые проблемы, которые вы обычно можете игнорировать:

1. Верхний резистор должен выдерживать 1 кВ. Их сложнее получить, чем «обычных» резисторов, и часто они не линейны с напряжением на верхнем уровне.

2. Рассеяние мощности. Даже то, что обычно представляет собой «большой» резистор, например 1 МОм, рассеивает целый ватт, когда на него подается 1 кВ.

3. Вам необходимо физическое расстояние между двумя точками, которые имеют кВ между ними для безопасности и предотвращения образования дуги через воздух.

По всем этим причинам я бы включил верхний резистор делителя напряжения с несколькими последовательными резисторами. Например, резисторы 0805 обычно рассчитаны на 150 В (ваша задача - проверить таблицу). В качестве резистора 1 кВ 10 МОм можно использовать последовательно включенный последовательно 10 резисторов сопротивлением 1 МОм 0805. Напряжение на каждом резисторе будет 100 В или меньше, что удерживает их в пределах спецификации.

В совокупности цепочка резисторов 10 МОм рассеивает только 100 мВт, поэтому каждый отдельный резистор только 10 мВт. Здесь нет проблем.

С верхним резистором 10 МОм, нижний резистор делителя в идеале должен быть 25,06 кОм, чтобы вывести 2,50 В при 1000 В на входе. Вы хотите иметь небольшой запас выше максимального входного напряжения, равного 1000 В, так что 24 кОм или даже маленький нижний резистор должен это сделать.

Выходной импеданс делителя с таким высоким коэффициентом в основном является значением нижнего резистора. 24 кОм может быть слишком высоким для некоторых АЦП, поэтому вы можете захотеть сделать это с помощью операционного усилителя, используемого в качестве повторителя напряжения.

Да, вы можете использовать делитель напряжения (на самом деле есть несколько других практических подходов).

Вам нужно будет использовать прецизионный резистор для резистора высокого значения, который рассчитан на безопасную работу при 1000В. Не забывайте эту деталь. Вы также должны будете следовать рекомендациям по компоновке, которые могут включать фрезерование прорези под резистором, чтобы увеличить расстояние утечки, если только сам резистор не очень длинный и определенно будет учитывать другие соображения, касающиеся платы на входе высокого напряжения.

Общее сопротивление делителя будет ограничено выходным сопротивлением, которое вам необходимо достичь, и оно будет определяться АЦП, если вы попытаетесь перейти непосредственно к входу АЦП. Скорее всего, это нежелательно, потому что (для полной точности) АЦП должен видеть несколько кОм на своем входе. Скажите, что это 2.5K. Тогда вам нужно будет использовать 1М (или меньше) для резистора высокого значения, и он будет рассеивать 1 Вт (или больше) при 1000 В пост. Тока, что не очень хорошо для точности (и это значительно увеличивает нагрузку на вход - 1 мА при 1 кВ).

Может быть лучше использовать высокопроизводительный буфер операционного усилителя на входе АЦП, что позволяет использовать больше, например, 10M и 25K.

Если у вас более высокое напряжение питания в вашей системе, может быть небольшое преимущество в делении на более высокое напряжение, например, 10 В с источником питания 15 В, а затем буферизация и использование второго пассивного делителя для снижения до 2,5 В, но, вероятно, это не так. необходимо только с 12-битным разрешением. Это уменьшило бы эффект смещения операционного усилителя и дрейфа смещения за счет привлечения еще двух резисторов в бюджете ошибок (но высокое напряжение должно быть вашим основным источником беспокойства).

Помните, что у каждого резистивного делителя есть паразитный емкостный делитель. В зависимости от используемой конструкции физического резистора, отношение этого делителя может сильно отличаться от коэффициента сопротивления; это может привести к появлению на входах IC неожиданно высоких пиков напряжения, поэтому вы должны зажимать входы IC до безопасного уровня с помощью быстрых диодов и / или компенсировать делитель (возможно, «перекомпенсировать» его большим конденсатором через нижний резистор).

Проблема с делителем будет V ² / R (номинальная мощность). При 1000 В, делив его на 2,5 В, ваш deltaV будет 997,5 В. Даже если вы используете резистор на 1 мегаом, вы говорите об использовании резистора на 1 Вт, и на практике вы не хотите, чтобы резистор был таким большим, потому что он составляет значительную долю входного сопротивления вашего операционного усилителя, и от вашей точности измерений. При 100 кОм вы будете больше похожи на 10 Вт, и вам, вероятно, потребуется организовать комбинацию параллельных и последовательных резисторов, которые дадут вам эффективное сопротивление, к которому вы стремитесь при распределении требований по рассеиваемой мощности.

Другой проблемой будет динамический диапазон. Вы будете делить на 1000 В до 2,5 В, то есть с коэффициентом 400. Это означает, что естественный сигнал 1 В будет поступать на ваш АЦП в виде сигнала 0,0025. Ваше исходное разрешение по напряжению с 2,5 В при 12-разрядном АЦП составляет 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352 В / МЗБ, но число действующих битов, вероятно, ближе к 10 или 0,002441406 В / МЗБ. Таким образом, вы хорошо, если вы принимаете, что нижний предел вашего измерения будет около 1 В. Методы усреднения могут улучшить ваше эффективное разрешение по напряжению за счет уменьшения вашего временного разрешения / искажения вашего сигнала во временной области.

«Мультиметровый» способ сделать это - зарядить конденсатор большим резистором и периодически производить его выборку, чтобы вы могли определить напряжение возбуждения. Очевидно, что вам необходимо зафиксировать напряжение ниже максимального напряжения конденсатора, а также вам нужен способ разрядить конденсатор. Простой транзисторный (или полевой) разряд не даст идеальных результатов, так как ни один полупроводник не имеет нулевого значения ес или дц напряжения. Но это, наверное, слишком много деталей.

Преимущество этого состоит в том, что вы получаете широкий работоспособный диапазон напряжения, прямой резисторный делитель, подходящий для 1 кВ, не очень полезен для измерения 1 В.

Для резисторного делителя серии Megaohm определите сопротивление и напряжение thevenin. По сути, rth - это параллель сверху / снизу делителя напряжения, а vth - выходное напряжение делителя. Это даст вам выходное сопротивление и ток, протекающий в операционный усилитель / АЦП.