Sirkuit untuk mengukur tegangan DC tegangan tinggi (hingga 1000V)

19

Saya adalah siswa E&E tahun terakhir dan saya mencoba membangun meteran listrik yang harus mampu mengukur tegangan DC yang cukup tinggi, hingga 1000 V DC. Saya mengukur dengan ADC 12-bit sederhana yang memiliki rentang tegangan input 0 - 2.5 V. Apakah pembagi tegangan sederhana dan buffer op-amp cukup untuk aplikasi atau apakah ada jenis lain dari rangkaian analog front-end yang diperlukan karena tegangan setinggi itu?

— Eduan Shuda
sumber

11

Mungkin mendidik bagi Anda untuk melihat bagaimana multimeter yang benar dinilai untuk 1000 V dibangun. Ini juga menggunakan pembagi tegangan untuk rentang tegangan tinggi. Lihat beberapa video di EEVBlog untuk melihat contoh sirkuit tegangan tinggi yang aman. Google untuk "eevblog multimeter teardown" dan Anda akan menemukan banyak.

— Bimpelrekkie

@Eduan Shuda: apa itu min. masukan impedansi yang bisa Anda toleransi? Itu mungkin persyaratan desain yang penting.

— Dadih

2

Semoga sebagai bagian dari studi Anda, Anda telah diberikan pelatihan yang tepat untuk menangani tegangan tinggi. Bagi mereka yang menemukan pertanyaan ini dari pencarian google: jangan coba yang ini di rumah!

— Cort Ammon - Reinstate Monica

Tambahkan zener WATTAGE BESAR dari dekat bagian bawah string pembagi ke ground. Vzener sekitar 2 x Tegangan maks pada saat itu. Ini MUNGKIN menyimpan elektronik Anda KETIKA ada yang salah.

— Russell McMahon

28

Pembagi resistor akan melakukan apa yang Anda inginkan, tetapi pada tegangan ini ada beberapa masalah yang biasanya Anda abaikan:

Resistor atas harus mampu menangani 1 kV. Mereka lebih sulit untuk mendapatkan daripada resistor "biasa", dan sering tidak linier dengan tegangan pada ujung yang tinggi.
Disipasi daya. Bahkan apa yang biasanya menjadi resistor "besar", seperti 1 MΩ, menghamburkan seluruh watt ketika 1 kV diterapkan.
Anda membutuhkan jarak fisik antara dua titik yang memiliki kV di antara mereka untuk keselamatan dan untuk mencegah lengkungan melalui udara.

Karena semua alasan ini, saya akan menerapkan resistor atas pembagi tegangan dengan beberapa resistor biasa dalam seri. Misalnya, 0805 resistor biasanya diberi peringkat 150 V (tugas Anda untuk memeriksa lembar data). Sepuluh 1 MΩ 0805 resistor secara seri, secara fisik diletakkan ujung ke ujung, dapat digunakan sebagai resistor 1 kV 10 MΩ. Tegangan di masing-masing resistor akan 100 V atau kurang, yang membuat mereka dalam spesifikasi.

Secara keseluruhan, resistor 10 MΩ hanya menghilangkan 100 mW, sehingga masing-masing resistor hanya 10 mW. Tidak masalah di sini.

Dengan resistor atas 10 M resistor, resistor bawah pembagi idealnya adalah 25,06 kΩ untuk mendapatkan 2,50 V dengan 1000 V in. Anda ingin memiliki ruang kepala kecil di atas spesifikasi tegangan input maksimum 1000 V, jadi 24 kΩ atau bahkan sedikit resistor bawah yang lebih rendah harus melakukannya.

Impedansi keluaran pembagi dengan rasio tinggi pada dasarnya adalah nilai resistor bawah. 24 kΩ mungkin terlalu tinggi untuk beberapa A / D, jadi Anda mungkin ingin buffer ini dengan opamp yang digunakan sebagai pengikut tegangan.

— Olin Lathrop
sumber

Saya telah melakukan ini atas saran senior saya saat itu, dan itu bekerja dengan baik. Beberapa resistor disipasi daya tinggi untuk resistor "atas"

— Fuzz

8

Ya, Anda dapat menggunakan pembagi tegangan (sebenarnya ada beberapa pendekatan praktis lainnya).

Anda perlu menggunakan resistor presisi untuk resistor bernilai tinggi yang diberi peringkat untuk beroperasi dengan aman pada 1000V. Jangan mengabaikan detail ini. Anda juga harus mengikuti rekomendasi pada tata letak - yang mungkin melibatkan penggilingan slot isolasi di bawah resistor untuk meningkatkan jarak rambat kecuali jika resistor itu sendiri sangat panjang, dan pasti akan melibatkan pertimbangan PCB lainnya pada input tegangan tinggi.

Resistansi keseluruhan pembagi akan dibatasi oleh impedansi output yang perlu Anda capai, dan itu akan ditentukan oleh ADC jika Anda mencoba masuk langsung ke input ADC. Kemungkinan besar ini tidak diinginkan karena (untuk akurasi penuh) ADC perlu melihat beberapa K ohm pada masukannya. Katakan itu 2.5K. Maka Anda perlu menggunakan 1M (atau kurang) untuk resistor bernilai tinggi, dan akan menghilangkan 1W (atau lebih) pada 1000VDC- tidak bagus untuk akurasi (dan memuat input secara signifikan-1mA @ 1kV).

Mungkin lebih baik menggunakan buffer op-amp berkinerja tinggi pada input ADC, memungkinkan Anda untuk menggunakan lebih banyak seperti 10M dan 25K.

Jika Anda memiliki tegangan catu yang lebih tinggi di sistem Anda, mungkin ada sedikit keuntungan dalam membagi ke tegangan yang lebih tinggi, seperti 10V dengan catu daya 15V dan kemudian buffering dan menggunakan pembagi pasif kedua untuk turun ke 2,5V, tetapi mungkin tidak diperlukan hanya dengan resolusi 12-bit. Ini akan mengurangi efek op-amp offset dan offset drift, dengan biaya melibatkan dua resistor lagi dalam anggaran kesalahan (tetapi tegangan tinggi harus menjadi sumber utama kekhawatiran Anda).

— Spehro Pefhany
sumber

7

Ingat bahwa setiap pembagi resistif memiliki pembagi kapasitif parasit. Bergantung pada desain resistor fisik yang digunakan, rasio pembagi ini bisa sangat berbeda dari rasio resistif; hal ini dapat membuat lonjakan tegangan sangat tinggi muncul pada input IC Anda, jadi Anda harus menjepit input IC Anda ke tingkat yang aman dengan dioda cepat dan / atau mengkompensasi pembagi (mungkin "kompensasikan berlebihan" itu dengan kapasitor besar melintasi resistor bawah).

— pemeras
sumber

.. terbaik untuk memuat rangkaian input Anda dengan gelombang kotak cepat dan memeriksa apa input IC Anda benar-benar mendapat pada osiloskop (gunakan probe 1: 100 atau aktif, Anda tidak ingin probe kapasitansi mengacaukan hal-hal!) - jika ada adalah overshoot atau dering signifikan, yang berarti input IC Anda bisa mendapatkan lebih dari yang dapat mereka ambil saat pembagi tegangan tiba-tiba terhubung ke sesuatu.

— rackandboneman

4

Masalah dengan pembagi akan menjadi V ² / R (peringkat daya). Pada 1000V, membaginya menjadi 2.5V, deltaV Anda akan menjadi 997.5V. Bahkan jika Anda menggunakan resistor 1 MegaOhm, Anda sedang berbicara tentang menggunakan resistor 1W, dan dalam praktiknya Anda tidak ingin resistor sebesar itu karena itu akan menjadi fraksi yang cukup besar dari impedansi input op-amp Anda, dan melempar dari akurasi pengukuran Anda. Pada 100kOhms, Anda akan terlihat lebih seperti 10W, dan Anda mungkin perlu mengatur kombinasi resistor paralel dan seri yang memberi Anda perlawanan efektif yang Anda inginkan ketika mendistribusikan persyaratan disipasi daya.

Masalah lainnya adalah rentang dinamis. Anda akan membagi 1000V ke 2.5V, jadi faktor 400. Itu berarti sinyal 1V alami akan bermanifestasi ke ADC Anda sebagai sinyal 0,0025. Resolusi voltase naif Anda dengan ADC 2.5V @ 12-bit adalah 2.5 / 2 ¹² = 0.000610352V / LSB, tetapi jumlah bit efektif Anda mungkin mendekati 10, atau 0,002441406V / LSB. Jadi Anda baik selama Anda menerima bahwa batas bawah pengukuran Anda akan menjadi sekitar 1V. Teknik rata-rata dapat meningkatkan resolusi tegangan efektif Anda, dengan biaya mengurangi resolusi waktu Anda / mendistorsi sinyal Anda dalam domain waktu.

— vicatcu
sumber

5

Resistor 1Megohm tidak akan menurunkan akurasi. Karena pada kenyataannya, yang harus dibandingkan adalah kebocoran arus input dari opamp vs arus yang mengalir melalui pembagi, bukan impedans. Jadi pada 1000V, OP harus baik-baik saja dengan resistor yang lebih besar (10Megs atau lebih).

— redup

1

Anda dapat menggunakan 10x 100kΩ Daripada 1MΩ untuk menyebarkan disipasi daya dengan faktor 10. Itu akan menghasilkan 100mW per resistor.

— Chupacabras

1

@dim: benar. TKI, impedansi keluaran pembagi tegangan didominasi oleh yang lebih kecil dari dua resistor. Yang pada ≈ 10 kΩ berada dalam kisaran yang sangat baik untuk input jFET.

— leftaroundabout

1

Setuju, masukan impedansi kurang dari masalah yang saya sarankan

— vicatcu

@leftaroundabout Sebenarnya, saya pikir ini lebih seperti "kombinasi paralel dari kedua resistor pembagi" . Yang, jika Anda memiliki yang besar dan yang jauh lebih kecil, sangat dekat dengan yang terkecil.

— redup

3

"Multimeter" cara melakukan ini adalah untuk mengisi kapasitor dengan resistor besar dan sampel secara berkala sehingga Anda dapat bekerja di luar tegangan mengemudi .. Jelas Anda perlu menjepit tegangan di bawah kapasitor rating tegangan maks dan juga Anda perlu cara untuk lepaskan kapasitor. Transistor sederhana (atau MOSFET) tidak akan memberikan hasil yang ideal karena tidak ada semikonduktor yang memiliki tegangan nol ec atau ds. Tapi itu mungkin terlalu detail.

Manfaat melakukan ini adalah bahwa Anda mendapatkan rentang tegangan yang bisa diterapkan secara luas, pembagi resistor lurus yang cocok untuk 1kV tidak terlalu berguna untuk mengukur 1V ..

Untuk pembagi resistor seri megaohm, tentukan resistansi dan tegangan thevenin. Pada intinya rth hanyalah pembagi tegangan atas / bawah secara paralel dan vth adalah tegangan keluaran pembagi. Ini akan memberi Anda impedansi keluaran dan arus yang mengalir ke opamp / adc.

— Barleyman
sumber