Усиливающий ток высокого напряжения нА

10

У меня есть схема, которая, по сути, представляет собой источник постоянного тока 1 кВ, подключенный к очень высокому сопротивлению ( контур базовой схемы ), внутри которого течет ток в диапазоне от 0,1 нА до 500 мкА, который я пытаюсь измерить с помощью Arduino (ток меняется, потому что сопротивление меняется из-за внешних факторов). У меня была идея использовать это (или подобное) подключенное к Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Однако это работает до 26 В и имеет разрешение всего 0,8 мА.

Чтобы решить эту проблему, я сначала подумал об использовании делителя потенциала для параллельного участка цепи с напряжением, уменьшенным до ~ 13 В, куда может идти INA219 ( секция пониженного напряжения ), с резисторами высокого сопротивления, так что практически весь ток протекает через этот участок.

Однако теперь мне нужно усилить ток в этом разделе до значения, которое может измерить INA219. После поиска вещей я подумал, что хорошей идеей для этого будет пара Дарлингтона, и реализовал это так: с парой Дарлингтона . Однако я считаю, что для этого нет усиления. Я неправильно реализую пару Дарлингтона или она не работает для таких малых токов, или пара Дарлингтона совершенно не подходит для усиления тока? Если это неправильный путь, какой будет хороший способ измерить ток этой низковольтной цепи высокого напряжения с Arduino?

Изменить: я включил схему диаграммы, которая, как мне кажется, описывается ответом Олина Латропа

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Джек
источник
4
1) Здесь есть инструмент для рисования схем, используйте его . (falstad.com для детей ) 2) пара Дарлингтона - совершенно неверная идея для усиления тока? Хм да. Причина этого заключается в том, что усиление тока очень непредсказуемо . 3) Следует рассмотреть возможность измерения тока на стороне заземления с использованием более чувствительного датчика тока. 4) 1 кВ в сочетании с отсутствием опыта в электронике пугает меня .
Bimpelrekkie
4
@Bimpelrekkie 1 кВ не обязательно опасен, в зависимости от сопротивления источника. Как вы должны знать, потирая воздушный шар на голове, вы можете получить более высокое напряжение.
τεκ
3
@ τεκ Вы правы, 1кв не обязательно опасен в опытных руках. Тем не менее, это может быть разрушительным и драматичным в новых руках ...
М.Ферру
Нет, это не то, что я описал. Смотрите дополнение к моему ответу.
Олин Латроп
1
@Bimpelrekkie Вы должны поспорить с этим человеком, который предпочел бы, чтобы встроенный редактор схем никогда не использовался, и, вероятно, предпочел бы Фальстад.
user253751

Ответы:

7

Это будет схема, о которой думал Олин, с несколькими бонусами.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Стабилизаторы могут иметь довольно высокий ток утечки, и вам нужна защита с очень малой утечкой, поскольку ток, который вы хотите измерить, крошечный.

Таким образом, D3 будет создать ссылку 3V с возможностью шунта избыточного тока на землю. D1 / D2 включится, только если что-то пойдет не так. D1 и D2 - нормальные кремниевые диоды, которые вы должны выбрать для низкого тока утечки.

В редакторе схемы использовался 1N4148, но, согласно данным, утечка довольно высока. Вы можете попробовать 1N3595, который имеет гораздо меньшую утечку. Я специально выбрал деталь с сквозным отверстием, потому что легче иметь малую утечку через сквозное отверстие из-за более широкого расстояния между пальцами ...

C1 обеспечивает некоторую фильтрацию нижних частот, если это необходимо. Если нет, удалите R5 / C1.

Обратите внимание, что это будет полностью защищено от короткого замыкания на R1 только в том случае, если R3 способен выдержать 1 кВ без искрения или возгорания, или если питание отключается из-за перегрузки по току и т. Д.

Если ваш источник питания 1 кВ способен выдавать только несколько мА, то диоды D2-D3 будут защищать АЦП вашего микро, но R2 / R3 будут дуги и умирают. Не очень дорогие запчасти, поэтому ваш выбор переоценить или нет.

peufeu
источник
Очень полезные детали, спасибо. Просто чтобы уточнить, вы упоминаете, что «[...] только полностью защищены от короткого замыкания на R1 [...]». Является ли дополнительная деталь с резисторами и конденсатором только для защиты от коротких замыканий в R1? Поскольку короткое замыкание в R1 физически невозможно в этом случае (я извиняюсь за то, что не упомянул об этом, я не понимал, что это будет иметь отношение к ответам). Еще раз спасибо.
Джек,
При замыкании цепи как-бы короткое замыкание на R1 сгорело бы R2 / R3, если бы у источника было достаточно выходного тока, но это не повредило бы микро, что и есть;) В любом случае дополнительная защита не может повредить, и это будет стоить вам дальше по частям ничего ...
peufeu
9

Вы хотите измерить до 500 мкА с помощью микроконтроллера. Чувствительный резистор низкого напряжения кажется очевидным выбором, если нет ограничений, о которых вы не говорите. С 1 кВ, должно быть приемлемо падение вольт или несколько.

Допустим, вы хотите 3,0 В при 500 мкА. Делать математику. (3,0 В) / (500 мкА) = 6 кОм. При этом между нижним концом нагрузки и землей вы получите сигнал от 0 до 3,0 В, указывающий от 0 до 500 мкА.

При большом напряжении я бы поставил некоторую защиту между этим сигналом 3 В и аналого-цифровым сигналом. Добавьте некоторое последовательное сопротивление с последующим ограничением диода на землю и 3,3 В или что-то в этом роде.

Благодаря 12-битному АЦП (который в настоящее время легко встроить в микроконтроллер) вы получаете разрешение около 122 нА. Если этого недостаточно, используйте внешний A / D, например delta-sigma, если ваша пропускная способность достаточно мала.

добавленной

Расположение диодов и R4 не имеет смысла в вашей схеме.

Вот что я описал выше:

R2 - преобразователь тока в напряжение. Он составляет 3,0 В при 500 мкА. D1 и D2 обрезают результат до безопасного уровня, а R1 обеспечивает сопротивление, с которым они могут работать.

Один недостаток ограничения состоит в том, что полное сопротивление OUT становится высоким. OUT, показанный выше, должен быть буферизован перед запуском A / D-входа. Это можно сделать с помощью операционного усилителя в качестве повторителя напряжения.

Так как вы в любом случае получите там операционный усилитель, вы можете подумать о снижении R2 и использовании операционного усилителя для усиления. Имеет ли это смысл, зависит от различных компромиссов, о которых вы нам не сказали.

Олин Латроп
источник
Ваш вольтметр в серии ... как это будет работать?
evildemonic
Привет большое спасибо за ваш ответ. Я включил принципиальную схему того, что, я думаю, вы имеете в виду в вопросе. Это правильно? (Я уверен, что неправильно понял, что вы подразумеваете под защитой с помощью диода и резистора)
Джек,
@evil: А? Какой вольтметр? Я ничего не сказал о каком-либо вольтметре, и я понятия не имею, с чем вы думаете, что это в серии, или почему это все равно будет плохо.
Олин Латроп
1
@OlinLathrop Я думаю, что зло относится к неверной схеме, которую я сделал. Спасибо за дополнительную разработку, она многое прояснила для меня.
Джек,
1
При выборе правильных диодов следует учитывать одну вещь, которая имеет низкий обратный ток, чтобы убедиться, что измерение действительно точное.
Ferrybig
0

Одним из вариантов является использование оптоизолятора последовательно с нагрузкой:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Это дает то преимущество, что вы можете полностью изолировать высокое напряжение от вашего микроконтроллера.

Основным недостатком является то, что коэффициент передачи тока (CTR) оптоизоляторов варьируется, поэтому потребуется некоторая калибровка. В зависимости от того, насколько точное измерение вам нужно, вы можете использовать некоторую общую модель со 100% -1000% CTR, но несколько нелинейным откликом. Если вам нужна дополнительная точность, существуют линеаризованные оптоизоляторы, но их CTR составляет всего около 1%, что означает, что вместо усиления вы ослабили сигнал, и вам потребуется добавить операционный усилитель на стороне низкого напряжения.

JPA
источник