Corrente nA de alta tensão de amplificação

10

Eu tenho um circuito que é essencialmente apenas uma fonte de 1kV DC conectada a uma resistência muito alta (estrutura básica do circuito ), dentro da qual a corrente na faixa de 0,1nA a 500uA flui que eu estou tentando medir usando um Arduino (a corrente varia porque a resistência varia devido a fatores externos). Tive a ideia de usar isso (ou semelhante) conectado a um Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

No entanto, isso funciona até 26V e tem apenas uma resolução de 0.8mA.

Para resolver isso, pensei primeiro em usar um divisor de potencial para ter uma seção paralela do circuito com tensão reduzida para ~ 13V, onde o INA219 pode ir ( seção de tensão reduzida ), com resistores de alta resistência, de modo que essencialmente toda a corrente flui através desta seção.

No entanto, agora preciso amplificar a corrente nesta seção para um valor que o INA219 possa medir. Depois de pesquisar, pensei que uma boa ideia seria um par de Darlington e o implantei da seguinte maneira: com o par de Darlington . No entanto, acho que não há amplificação para isso. Estou implementando o par de Darlington incorretamente ou não funciona para correntes tão pequenas, ou um par de Darlington é completamente a idéia errada aqui para amplificar a corrente? Se esse for o caminho errado, qual seria uma boa maneira de medir a corrente desse circuito de baixa voltagem e baixa corrente com um Arduino?

Edit: Eu incluí um esquema do diagrama que eu acho que é descrito pela resposta de Olin Lathrop

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Jack
fonte
4
1) Há uma ferramenta de desenho de circuito incluída aqui, use-a . (falstad.com é para crianças ) 2) é um par de darlington a idéia errada aqui para ampliar a corrente? Hum, sim. A razão para isso é que a amplificação atual é muito imprevisível . 3) Você deve medir a corrente no lado do terra usando um sensor de corrente mais sensível. 4) 1 kV combinado com sua falta de experiência em eletrônica me assusta .
Bimpelrekkie
4
@Bimpelrekkie 1kV não é necessariamente perigoso, dependendo da resistência da fonte. Esfregar um balão na cabeça pode produzir uma voltagem mais alta, como você deve saber.
τεκ
3
@ τεκ Você está certo, 1kv não é necessariamente perigoso em mãos experientes. No entanto, poderia ser devastador e dramático em novas mãos ...
M.Ferru
Não, não foi isso que eu descrevi. Veja a adição à minha resposta.
Olin Lathrop
1
@Bimpelrekkie Você deve entrar em uma discussão com essa pessoa que prefere que o editor de circuitos interno nunca seja usado e provavelmente prefere o Falstad.
user253751

Respostas:

7

Esse seria o esquema que Olin estava pensando, com alguns bônus.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Os Zeners podem ter corrente de fuga bastante alta e você precisa de uma proteção com vazamento muito baixo, pois a corrente que você deseja medir é pequena.

Portanto, o D3 criará uma referência de 3V com a capacidade de desviar o excesso de corrente para o terra. D1 / D2 liga, apenas se algo der errado. D1 e D2 são diodos de silício normais, que você deve selecionar para baixa corrente de fuga.

O editor esquemático usou 1N4148, mas de acordo com a folha de dados, o vazamento é bastante alto. Você pode tentar o 1N3595, que tem um vazamento muito menor. Selecionei uma peça de furo passante de propósito, porque é mais fácil ter um baixo vazamento com o furo passante devido ao espaçamento maior entre os pinos ...

C1 fornece alguma filtragem passa-baixo, se necessário. Caso contrário, remova o R5 / C1.

Observe que isso só estará totalmente protegido contra um curto circuito em R1 se R3 for capaz de suportar 1kV sem arco ou queima, ou se o suprimento for desligado devido a sobrecarga, etc.

Se o seu suprimento de 1kV for capaz de produzir apenas alguns mA, os diodos D2-D3 protegerão o ADC do seu micro, mas o R2 / R3 entrará em arco e morrerá. Peças não muito caras, então sua escolha é projetar demais ou não.

peufeu
fonte
Detalhes extremamente úteis, obrigado. Apenas para esclarecer, você menciona "apenas [...] estar totalmente protegido contra curto-circuito em R1 [...]" A parte extra com resistores e capacitor é apenas para proteção contra curto-circuito em R1? Como um curto em R1 é fisicamente impossível nesse caso (peço desculpas por não mencionar isso, não sabia que seria relevante para as respostas). Obrigado novamente.
Jack
Com o circuito como está, um curto circuito R1 queimaria R2 / R3 se a fonte tivesse corrente de saída suficiente, mas não prejudicaria o micro, que é o ponto;) De qualquer forma, a proteção extra não pode prejudicar, e isso custará a próxima para nada em partes ...
peufeu
9

Você deseja medir até 500 µA com um microcontrolador. Um resistor sensor de corrente lateral baixa parece ser a escolha óbvia, a menos que haja restrições sobre as quais você não está nos falando. Com 1 kV, deve ser aceitável baixar um volt ou alguns.

Digamos que você queira 3,0 V a 500 µA. Faça as contas. (3,0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Com isso entre a extremidade inferior da carga e o terra, você receberá um sinal de 0 a 3,0 V indicando 0 a 500 µA.

Com a grande tensão em volta, eu colocaria alguma proteção entre esse sinal de 3 V e o A / D. Adicione alguma resistência em série seguida de recorte de diodo no terra e 3,3 V ou algo assim.

Com um A / D de 12 bits (hoje fácil de incorporar em um microcontrolador), você obtém uma resolução de 122 nA. Se isso não for bom o suficiente, use um A / D externo, como delta-sigma, se sua largura de banda for baixa o suficiente.

Adicionado

A colocação dos diodos e R4 não faz sentido no seu esquema.

Aqui está o que eu descrevi acima:

R2 é o conversor de corrente para tensão. Faz 3,0 V a 500 µA. D1 e D2 cortam o resultado para um nível seguro e R1 fornece a impedância para que eles trabalhem.

Uma desvantagem do recorte é que a impedância de OUT se torna alta. A saída mostrada acima precisa ser armazenada em buffer antes de acionar uma entrada A / D. Isso pode ser feito com um opamp como seguidor de tensão.

Como você acaba com um opamp lá de qualquer maneira, considere reduzir o R2 e usar o opamp para amplificar. Se isso faz sentido depende de várias compensações sobre as quais você não nos falou.

Olin Lathrop
fonte
Seu voltímetro está em série ... como isso vai funcionar?
precisa saber é o seguinte
Oi, muito obrigado pela sua resposta. Incluí um diagrama de circuitos do que acho que você quer dizer na pergunta. Isso está no caminho certo? (Estou bastante confiante de que eu tenha interpretado mal o que você quer dizer com a proteção com um diodo e resistor)
Jack
@evil: Hein? Qual voltímetro? Não falei nada sobre nenhum voltímetro e não tenho ideia do que você acha que é em série ou por que isso seria ruim de qualquer maneira.
Olin Lathrop
1
@OlinLathrop Acho que o mal estava se referindo ao esquema incorreto que fiz. Obrigado pela elaboração extra, isso me esclareceu bastante.
Jack
1
Uma coisa a considerar ao escolher os diodos certos é escolher aqueles com baixa corrente reversa, para garantir que a medição seja realmente precisa.
Ferrybig
0

Uma opção é usar um optoisolador em série com a carga:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Isso tem o benefício de poder isolar completamente a alta tensão do seu microcontrolador.

A principal desvantagem é que a taxa de transferência atual (CTR) dos optoisoladores varia, portanto, será necessária alguma calibração. Dependendo da precisão da medida necessária, é possível usar algum modelo genérico com 100% -1000% de CTR, mas com uma resposta não linear. Se você precisar de precisão extra, existem optoisoladores linearizados, mas sua CTR é de apenas 1%, o que significa que, em vez de amplificar, você atenuou o sinal e precisaria adicionar um amplificador operacional no lado de baixa tensão.

jpa
fonte