Circuito para medir tensão contínua de alta tensão (até 1000V)

Eu sou o último aluno de E&A e estou tentando construir um medidor de energia que possa medir tensões CC bastante altas, até 1000 V DC. Estou medindo com um ADC simples de 12 bits que possui uma faixa de tensão de entrada de 0 a 2,5 V. Um divisor de tensão simples e um buffer op-amp seriam suficientes para a aplicação ou há outro tipo de circuito analógico de front-end necessário porque o tensão é alta?

Um divisor de resistor fará o que você deseja, mas nessa tensão há alguns problemas que você normalmente pode ignorar:

1. O resistor superior deve poder suportar 1 kV. São mais difíceis de obter do que os resistores "comuns" e geralmente não são lineares com a tensão na extremidade alta.

2. Dissipação de energia. Mesmo o que normalmente seria um resistor "grande", como 1 MΩ, dissipa um watt inteiro quando 1 kV é aplicado a ele.

3. Você precisa de uma distância física entre dois pontos que tenham um kV entre eles por segurança e para evitar arcos no ar.

Por todas essas razões, eu implementaria o resistor superior do divisor de tensão com vários resistores mais comuns em série. Por exemplo, os resistores 0805 são geralmente classificados para 150 V (seu trabalho para verificar a folha de dados). Dez resistores de 1 MΩ 0805 em série, dispostos fisicamente de ponta a ponta, podem ser usados ​​como um resistor de 1 kV 10 MΩ. A tensão em cada resistor será de 100 V ou menos, o que os mantém dentro das especificações.

No conjunto, a série de resistores de 10 MΩ dissipa apenas 100 mW, de modo que cada resistor individual apenas 10 mW. Não tem problema aqui.

Com um resistor superior de 10 MΩ, o resistor inferior do divisor seria idealmente 25,06 kΩ para obter 2,50 V com 1000 V pol. Você deseja ter um pouco de espaço acima da tensão máxima de 1000 V, ou seja, 24 kΩ ou até um pequeno resistor inferior deve fazê-lo.

A impedância de saída de um divisor com uma proporção tão alta é basicamente o valor do resistor inferior. 24 kΩ pode ser muito alto para alguns A / Ds; portanto, você pode armazenar em buffer isso com um opamp usado como seguidor de tensão.

Sim, você pode usar um divisor de tensão (de fato, existem poucas outras abordagens práticas).

Você precisará usar um resistor de precisão para o resistor de alto valor classificado para operar com segurança em 1000V. Não negligencie esse detalhe. Você também terá que seguir as recomendações de layout - o que pode envolver a fresagem de um slot de isolamento sob o resistor para aumentar a distância de fluência, a menos que o próprio resistor seja realmente longo e envolverá definitivamente outras considerações de PCB na entrada de alta tensão.

A resistência geral do divisor será limitada pela impedância de saída que você precisa alcançar, e isso será determinado pelo ADC se você tentar entrar diretamente na entrada do ADC. Provavelmente, isso não será desejável porque (para precisão total) o ADC precisa ver alguns k ohms em sua entrada. Diga que é 2,5K. Então você precisará usar 1M (ou menos) para o resistor de alto valor, e ele dissipará 1W (ou mais) a 1000VDC - não excelente para precisão (e carrega a entrada significativamente - 1mA a 1kV).

Pode ser melhor usar um buffer op-amp de alto desempenho na entrada ADC, permitindo que você use mais como 10M e 25K.

Se você tiver tensões de alimentação mais altas em seu sistema, pode haver uma pequena vantagem em dividir para uma tensão mais alta, como 10V com uma alimentação de 15V e, em seguida, armazenar em buffer e usar um segundo divisor passivo para descer para 2,5V, mas provavelmente não é necessário apenas com resolução de 12 bits. Reduziria o efeito do deslocamento do amplificador operacional e do desvio de deslocamento, ao custo de envolver mais dois resistores no orçamento de erros (mas o de alta tensão deve ser sua principal fonte de preocupação).

Lembre-se de que todo divisor resistivo possui um divisor capacitivo parasita. Dependendo de quais projetos de resistores físicos são usados, a relação deste divisor pode ser muito diferente da relação resistiva; isso pode fazer com que surtos de tensão surpreendentemente altos apareçam nas entradas de IC; portanto, você deve fixar suas entradas de IC em níveis seguros com diodos rápidos e / ou compensar o divisor (talvez "supercompensar" com um grande capacitor no resistor inferior).

O problema com um divisor será V ² / R (a classificação de potência). Em 1000V, dividindo-o em 2,5V, seu deltaV será 997,5V. Mesmo se você usar um resistor de 1 MegaOhm, você está falando sobre o uso de um resistor de 1W e, na prática, não deseja um resistor tão grande porque será uma fração apreciável da sua impedância de entrada do amplificador operacional e atire sua precisão de medição. Em 100kOhms, você parecerá mais com 10W e provavelmente precisará organizar uma combinação de resistores paralelos e em série que lhe proporcionem a resistência efetiva que você procura enquanto distribui os requisitos de dissipação de energia.

O outro problema será o alcance dinâmico. Você vai dividir entre 1000V e 2,5V, então um fator de 400. Isso significa que um sinal natural de 1V se manifestará no seu ADC como um sinal de 0,0025. Sua resolução de voltagem ingênua com um ADC de 2,5V a 12 bits é 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352V / LSB, mas seu número de bits efetivos provavelmente está mais próximo de 10 ou 0,002441406V / LSB. Então você é bom, desde que aceite que o limite inferior da sua medição será de cerca de 1V. As técnicas de média podem melhorar sua resolução efetiva de tensão, com o custo de reduzir sua resolução de tempo / distorcer seu sinal no domínio do tempo.

A maneira "multímetro" de fazer isso seria carregar um capacitor com um resistor grande e amostrá-lo periodicamente para que você possa calcular a tensão de operação. Obviamente, você precisa prender a tensão abaixo da classificação de tensão máxima do capacitor e também precisa descarregue o capacitor. Uma simples descarga de transistor (ou mosfet) não fornecerá resultados ideais, pois nenhum semicondutor tem tensão zero ec ou ds. Mas isso provavelmente está entrando em muitos detalhes.

O benefício de fazer isso é que você obtém uma ampla faixa de tensão viável, um divisor de resistor reto adequado para 1kV não é muito útil para medir 1V.

Para o divisor de resistores da série megaohm, calcule a resistência e a tensão do forno. Em essência, rth é apenas o divisor de tensão superior / inferior em paralelo e vth é a tensão de saída do divisor. Isso fornecerá a impedância de saída e a corrente que fluem para o opamp / adc.