Memperkuat Tegangan Tinggi nA Saat Ini

Saya memiliki rangkaian yang pada dasarnya hanya sumber DC 1kV yang terhubung ke resistansi yang sangat tinggi ( garis dasar rangkaian ), di mana arus dalam kisaran dari 0.1nA hingga 500uA mengalir yang saya coba ukur menggunakan Arduino (arus bervariasi karena resistensi bervariasi karena faktor luar). Saya memiliki ide untuk menggunakan ini (atau serupa) yang terhubung ke Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Namun ini bekerja hingga 26V dan hanya memiliki resolusi 0,8mA.

Untuk mengatasi ini, saya pertama kali berpikir untuk menggunakan pembagi potensial untuk memiliki bagian paralel dari rangkaian dengan tegangan dikurangi menjadi ~ 13V di mana INA219 dapat pergi ( mengurangi bagian tegangan ), dengan resistor resistansi tinggi sehingga pada dasarnya semua arus mengalir melalui bagian ini.

Namun saya sekarang perlu memperkuat arus di bagian ini ke nilai yang INA219 dapat ukur. Setelah mencari sesuatu, saya berpikir bahwa ide yang bagus untuk ini adalah pasangan Darlington dan menerapkannya seperti ini: dengan pasangan Darlington . Namun saya menemukan tidak ada amplifikasi untuk ini. Apakah saya salah menerapkan pasangan Darlington atau tidak bekerja untuk arus sekecil itu, atau apakah pasangan Darlington sepenuhnya merupakan ide yang salah di sini untuk memperkuat arus? Jika ini cara yang salah untuk melakukannya, apa cara yang baik untuk mengukur arus dari rangkaian volt tinggi arus rendah dengan Arduino?

Sunting: Saya telah memasukkan skema diagram yang menurut saya dijelaskan oleh jawaban Olin Lathrop

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

amplifier current-measurement high-voltage

— Mendongkrak
sumber

1) Ada alat menggambar sirkuit yang disertakan di sini, gunakan . (falstad.com untuk anak - anak ) 2) apakah sepasang darlington ide yang salah di sini untuk memperkuat arus? Uhm, ya. Alasan untuk itu adalah bahwa amplifikasi saat ini sangat tidak dapat diprediksi . 3) Anda harus mempertimbangkan pengukuran arus di sisi tanah menggunakan sensor arus yang lebih sensitif. 4) 1 kV dikombinasikan dengan kurangnya pengalaman elektronik membuatku takut .

— Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie 1kV belum tentu berbahaya, tergantung pada resistansi sumber. Menggosok balon di kepala Anda dapat menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, seperti yang seharusnya Anda ketahui.

— τεκ

@ τεκ Anda benar, 1kv belum tentu berbahaya di tangan yang berpengalaman. Namun, ini bisa sangat menghancurkan dan dramatis di tangan baru ...

— M.Ferru

Tidak, bukan itu yang saya jelaskan. Lihat tambahan jawaban saya.

— Olin Lathrop

@Bimpelrekkie Anda harus bertengkar dengan orang ini yang lebih memilih editor sirkuit bawaan untuk tidak pernah digunakan dan mungkin akan lebih memilih Falstad.

— user253751

Jawaban:

Ini adalah skema yang dipikirkan Olin, dengan beberapa bonus.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Zeners dapat memiliki arus bocor yang cukup tinggi, dan Anda memerlukan perlindungan dengan kebocoran sangat rendah, karena arus yang ingin Anda ukur sangat kecil.

Jadi, D3 akan membuat referensi 3V dengan kemampuan untuk mendorong arus berlebih ke ground. D1 / D2 akan menyala, hanya jika terjadi kesalahan. D1 dan D2 adalah dioda silikon normal, yang harus Anda pilih untuk arus bocor rendah.

Editor skematis menggunakan 1N4148 tetapi menurut datasheet, kebocorannya cukup tinggi. Anda dapat mencoba 1N3595 yang memiliki kebocoran jauh lebih rendah. Saya memilih bagian melalui lubang dengan sengaja, karena lebih mudah untuk memiliki kebocoran rendah melalui lubang karena jarak pin yang lebih luas ...

C1 menyediakan beberapa penyaringan lowpass, jika perlu. Jika tidak menghapus R5 / C1.

Catatan ini hanya akan sepenuhnya dilindungi terhadap hubungan pendek melintasi R1 jika R3 mampu menahan 1kV tanpa melengkung atau terbakar, atau jika pasokan dimatikan karena kelebihan arus, dll.

Jika pasokan 1kV Anda hanya mampu menghasilkan beberapa mA, maka dioda D2-D3 akan melindungi ADC mikro Anda, tetapi R2 / R3 akan melengkung dan mati. Bagian yang tidak terlalu mahal, jadi pilihan Anda untuk overdesign atau tidak.

— peufeu
sumber

Detail yang sangat membantu terima kasih. Hanya untuk memperjelas, Anda menyebutkan "[...] hanya sepenuhnya terlindungi dari hubungan pendek di R1 [...]" Apakah bagian tambahan dengan resistor dan kapasitor hanya untuk melindungi terhadap celana pendek di R1? Karena kekurangan dalam R1 secara fisik tidak mungkin dalam kasus ini (saya minta maaf karena tidak menyebutkan ini, saya tidak menyadari itu akan relevan dengan jawaban). Terima kasih lagi.

— Jack

Dengan rangkaian as-short di R1 akan membakar R2 / R3 jika pasokan memiliki arus keluaran yang cukup tetapi tidak akan membahayakan mikro, yang merupakan intinya;) Lagi pula perlindungan ekstra tidak dapat merugikan, dan ini akan dikenakan biaya selanjutnya tidak ada apa-apa di bagian ...

— peufeu

Anda ingin mengukur hingga 500 μA dengan mikrokontroler. Sebuah resistor sisi arus rendah tampaknya seperti pilihan yang jelas kecuali ada kendala yang tidak Anda ceritakan kepada kami. Dengan 1 kV, seharusnya bisa menerima volt atau beberapa volt.

Katakanlah Anda ingin 3,0 V pada 500 μA. Lakukan perhitungan. (3.0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Dengan itu antara ujung bawah beban dan arde, Anda akan mendapatkan sinyal 0 hingga 3.0 V yang menunjukkan 0 hingga 500 μA.

Dengan tegangan besar di sekitar, saya akan menempatkan beberapa perlindungan antara sinyal 3 V ini dan A / D. Tambahkan beberapa resistansi seri diikuti oleh kliping dioda ke ground dan 3.3 V atau sesuatu.

Dengan A / D 12 bit (mudah didapat saat ini terintegrasi ke dalam mikrokontroler), Anda mendapatkan resolusi sekitar 122 nA. Jika itu tidak cukup baik, gunakan A / D eksternal, seperti delta-sigma jika bandwidth Anda cukup rendah.

Ditambahkan

Penempatan dioda dan R4 tidak masuk akal dalam skema Anda.

Inilah yang saya jelaskan di atas:

R2 adalah konverter arus ke tegangan. Itu membuat 3,0 V pada 500 μA. D1 dan D2 klip hasilnya ke tingkat yang aman, dan R1 memberikan impedansi bagi mereka untuk bekerja melawan.

Salah satu kelemahan dari kliping adalah bahwa impedansi OUT menjadi tinggi. OUT yang ditunjukkan di atas perlu di-buffer sebelum mengemudikan input A / D. Ini bisa dilakukan dengan opamp sebagai pengikut tegangan.

Karena Anda tetap memiliki opamp di sana, Anda dapat mempertimbangkan menurunkan R2 dan menggunakan opamp untuk menguatkan. Apakah itu masuk akal tergantung pada berbagai pengorbanan yang belum Anda sampaikan kepada kami.

— Olin Lathrop
sumber

Voltmeter Anda dalam rangkaian ... bagaimana itu akan bekerja?

— evildemonic

Hai, terima kasih banyak atas jawaban Anda. Saya telah memasukkan diagram sirkuit dari apa yang saya pikir maksud Anda dalam pertanyaan. Apakah ini sepanjang garis yang benar? (Saya cukup percaya diri saya telah salah menafsirkan apa yang Anda maksud dengan perlindungan dengan dioda dan resistor)

— Jack

@ jahat: Hah? Voltmeter apa? Saya tidak mengatakan apa-apa tentang voltmeter, dan saya tidak tahu apa yang Anda pikir itu seri, atau mengapa itu akan tetap buruk.

— Olin Lathrop

@ OlinLathrop Saya pikir kejahatan mengacu pada skema yang salah yang saya buat. Terima kasih atas elaborasi ekstra, itu sudah jelas bagi saya.

— Jack

Satu hal yang perlu dipertimbangkan ketika memilih dioda yang tepat adalah memilih yang memiliki arus balik rendah, ini untuk memastikan pengukuran benar-benar akurat.

— Ferrybig

Salah satu opsi adalah menggunakan optoisolator secara seri dengan beban:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Ini memiliki keuntungan bahwa Anda dapat sepenuhnya mengisolasi tegangan tinggi dari mikrokontroler Anda.

Kelemahan utama adalah bahwa rasio transfer saat ini (CTR) dari optoisolator bervariasi, sehingga perlu beberapa kalibrasi. Bergantung pada seberapa akurat pengukuran yang Anda butuhkan, Anda dapat menggunakan beberapa model generik dengan 100% -1000% RKT, tetapi responsnya agak non-linear. Jika Anda membutuhkan keakuratan tambahan, ada optoisolator linier, tetapi CTR mereka hanya sekitar 1%, yang berarti bahwa alih-alih memperkuat Anda telah melemahkan sinyal, dan perlu menambahkan penguat operasional pada sisi tegangan rendah.

— jpa
sumber