Questo divisore di tensione di serraggio per un ingresso ad alta impedenza ha un design buono e robusto?


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Ho un ingresso AC come segue:

  1. Può variare da ± 10 V ad almeno ± 500 V in modo continuo.
  2. Funziona da circa 1 Hz a 1 kHz.
  3. Richiede> 100 kΩ di impedenza su di esso, altrimenti la sua ampiezza cambia.
  4. Occasionalmente può essere disconnesso e sottoposto il sistema a eventi ESD.

Quando l'ingresso è inferiore a 20 V, devo digitalizzare la forma d'onda con un ADC. Quando è superiore a 20 V, posso ignorarlo come fuori portata, ma il mio sistema non deve essere danneggiato.

Dal momento che il mio ADC ha bisogno di un segnale relativamente rigido, volevo bufferizzare l'ingresso per ulteriori stadi (in quelli, lo polarizzerò, lo fisserò a 0 V a 5 V e lo invierò a un ADC).

Ho progettato il seguente circuito per il mio stadio di ingresso iniziale per ottenere un output sicuro e potente che posso alimentare con ulteriori stadi:

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

I miei obiettivi sono:

  1. Garantire> 100 kΩ di impedenza sulla sorgente.
  2. Modificare un ingresso ± 20 V in circa un'uscita ± 1,66 V.
  3. Fornire un output rigido.
  4. Gestire in modo sicuro ingressi ad alta tensione continui (almeno ± 500 V).
  5. Gestisci gli eventi ESD senza scaricare molta corrente / tensione sui binari da ± 7,5 V.

Ecco la mia logica per la progettazione del mio circuito:

  1. R1 e R2 formano un divisore di tensione, riducendo la tensione di 12X.
  2. Il diodo TVS reagisce rapidamente per proteggere dagli eventi ESD sull'ingresso, scaricandoli sul mio terreno forte, senza scaricare nulla sulle mie (deboli) guide da ± 7,5 V.
  3. Il diodo TVS gestisce anche le sovratensioni estreme (sostenute ± 500 V) mediante derivazione verso terra. È passato R1 per limitare la corrente in questi casi.
  4. D1 e D2 bloccano la tensione divisa a ± 8,5 V, quindi non ho bisogno di un condensatore ad alta tensione per C1 ; essendo dopo R1 , anche la corrente che li attraversa è limitata.
  5. 12πR2C11 Hz
    C112π×1 Hz×220 kΩ=8μF
  6. fc=12πR3C2=36 kHz

Questo circuito è ottimale per i miei obiettivi? Posso aspettarmi qualche problema con esso? Ci sono miglioramenti che dovrei fare o c'è un modo migliore per raggiungere i miei obiettivi?


MODIFICA 1

  1. Inizialmente avevo detto che questo doveva gestire ± 200 V in modo continuo, ma penso che ± 500 V sia un obiettivo più sicuro.

  2. Affinché il diodo TVS funzioni così com'è, R1 deve essere suddiviso in due resistori, qui R1a e R1b , come suggerito da @ jp314 :

schematico

simula questo circuito


MODIFICA 2

Ecco un circuito rivisto che incorpora i suggerimenti ricevuti finora:

  1. Zeners attraverso l'alimentatore ( @Autistic ).
  2. Resistori che vi entrano ( @Spehro Pefhany ).
  3. Diodi BAV199 veloci ( @Master ; un'alternativa a bassa perdita al BAV99 che @Spehro Pefhany ha suggerito, sebbene con una capacità massima di circa 2 pF anziché 1,15 pF).
  4. Diodo TVS anteriore e aggiornato a 500 V ( @Master ), quindi gestisce solo eventi ESD, proteggendo R1 .
  5. Cortocircuito dall'uscita dell'amplificatore operazionale all'ingresso negativo ( @Spehro Pefhany e @Master ).
  6. Diminuzione da C1 a 10μF ( @Spehro Pefhany ); questo introduce una caduta di tensione dello 0,3% a 1 Hz che non è buona come l'originale del tappo 220μF, ma faciliterà l'approvvigionamento del condensatore.
  7. Aggiunta della resistenza R6 da 1 kΩ per limitare la corrente in OA1 ( @Autistic e @Master ).

schematico

simula questo circuito


2
Il tuo morsetto non è poi così male. Il resistore di posizionamento dice 10K in serie con l'ingresso pos opamp e hai qualcosa che non farà esplodere il chip. Il TVS è cosmetico nella sua posizione attuale.
Autistico,

Cosa rende cosmetici TVS lì? Non l'ho menzionato nella mia logica, ma stavo anche prendendo in considerazione qualcosa come un input ± 400V sostenuto. Questo è fuori specifica, ma se ciò dovesse accadere non voglio tassare le mie rotaie da ± 7,5 V, che provengono da una piccola fornitura. (Non voglio nemmeno danneggiarlo.)
JohnSpeeks

Metti zeners 8v2 sulla tua piccola scorta e perdi il TVS e non preoccuparti mai più di perdite di precisione.
Autistico,

La derivazione di sovratensioni nell'alimentatore è un'idea terribile. Smontalo a terra e idem per sottotensione. Potresti prendere in considerazione un dispositivo di scarico del gas.
user207421

1
@EJP - Credo che il problema dello shunt sia stato risolto nell'attuale versione del circuito (mostrato alla fine della domanda). Esistono diodi Zener pre-polarizzati che vengono utilizzati per deviare a terra sia la sovratensione che la sottotensione. Il diodo TVS può ovviamente bloccarsi in modo significativamente più veloce di un GDT, e poiché la fonte primaria di tensioni ≫ 500 V sarà ESD, sembrava una scelta migliore.
JohnSpeeks

Risposte:


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D1 e D2 eseguiranno i picchi di input, non i TVS: dividere i 220k a 200k + 20k e posizionare la porzione 20k tra TVS e diodi.

O semplicemente usa uno zener 4.7 V da quel nodo a GND.


Mi piace l'idea di dividere il 220K. Questo ha senso per me. Come funzionerebbe il diodo Zener? Ciò non influirebbe asimmetricamente sull'ingresso CA?
JohnSpeeks

2
Uno zener influirebbe asimmetricamente sulle cose: potresti usare 2 zener in serie di back-back in serie, che potrebbero essere migliori dei diodi che hai se avessi la necessità di limitare l'input dell'opamp a meno dell'offerta.
jp314

3

Non hai bisogno di R3 / C2. L'ingresso dell'amplificatore operazionale non invertente "vede" R2 (20 K) sul percorso CC della corrente di polarizzazione (non 220 K), quindi l'offset sarà probabilmente trascurabile se lo si sostituisce con un corto. Se insisti su R3 / C2, vedi sotto per il calcolo.

Il 220K rappresenta una reattanza capacitiva di 0,7 uF a 1Hz, quindi penso che un condensatore ceramico da 10 uF piccolo e poco costoso (e non perde) andrà bene, aggiungendo, in quadratura, circa il 7%, quindi un effetto totale inferiore allo 0,3% . Tuttavia, potrebbero esserci degli effetti a causa del bloccaggio, quindi è meglio investigare questo a seconda di come esattamente ti aspetti che si comporti . Quando viene bloccato, "vede" i 20k in serie con il morsetto a bassa impedenza, quindi la costante di tempo è 11 volte più breve.

R1 è fondamentale per l'affidabilità - praticamente tutta la tensione viene calata su di essa - deve essere un tipo ad alta tensione, valutato per resistere a qualsiasi transitorio che ti aspetti, soprattutto se questa tensione di ingresso proviene dalla rete che può significare un paio di kV. Vishay VR25 può essere adatto (al piombo). Non lesinare qui. A meno che gli ultimi pochi centesimi siano più importanti dell'affidabilità, non sono un grande fan dell'uso di più resistori ordinari per questo scopo - una parte adeguatamente classificata dovrebbe andare bene a meno che non sia necessario utilizzare due resistori correttamente classificati in serie per una maggiore affidabilità .

Perderei il TVS e prenderei in considerazione il bloccaggio direttamente con uno shunt (come una coppia zener) o diodi di commutazione a bassa capacità come una coppia BAV99 a shunt pre-polarizzati, come Zeners o TL431 (con resistori alle guide di alimentazione). Quest'ultimo avrà una capacità molto inferiore rispetto all'uso diretto degli zener e causerà quindi uno sfasamento minore a 1kHz, se questo è importante per te. La corrente di serraggio è inferiore a 1 mA a 200 V, quindi non è molto faticosa, a condizione che R1 regge contro qualsiasi EMF a cui è soggetta. Entrambe le opzioni che ho suggerito possono facilmente bloccare 100 mA, almeno per un breve periodo.


R3 / C2 non formano davvero un filtro passa basso - R3 e la capacità di ingresso dell'op-amp forma un filtro passa basso, e C2 sarebbe idealmente scelto per essere molto più grande, quindi se la capacità di ingresso è 15pF potresti usare 1nF o qualcosa di simile. Avresti problemi solo con 20K solo se avessi un op-amp selvaggiamente inappropriato (capace di frequenze molto alte) in cui lo spostamento di fase risultante ha influenzato la stabilità, e ovviamente un corto non ha quel problema.


I due "R2 / C2" nel primo paragrafo dovevano essere entrambi "R3 / C2", giusto?
JohnSpeeks

@JohnSpeeks Sì, grazie, è cambiato. Ho bisogno di un monitor più grande (o di una memoria migliore) immagino.
Spehro Pefhany,

Cambierebbe la tua opinione sul diodo TVS se fosse probabile che potrebbero esserci lunghi periodi (30 secondi o più) di ± 300 o ± 600 volt? Non so esattamente quanto in alto vada continuamente, poiché un'istanza è stata misurata sul campo con un oscilloscopio che ha tagliato il segnale a ± 150 V ed estrapolando la forma d'onda che ho indovinato intorno a ± 200 V, ma è anche possibile che potrebbe andare più in alto. Forse dovrei modificare la domanda per dare un valore più alto lì.
JohnSpeeks

2
@JohnSpeeks 600 V CC causerebbe 1,6 W di dissipazione nella resistenza da 220 K, quindi è meglio classificarlo per un paio di watt, ma gli zener o i regolatori di shunt che ho citato potrebbero gestire facilmente 2,7 mA in continuo, ovvero solo 20 mW @ 7,5 V. Due resistori VR68 da 1 W in serie potrebbero gestire un transitorio di 20 kV e 100 mA non sono troppo difficili da bloccare. I diodi TVS sono utili quando hai una bassa impedenza e devi assorbire un grande picco di energia in centinaia di watt: non sono particolarmente bravi a dissipare la potenza continua. In questo caso, non si apre la porta del picco quindi non deve essere assorbito.
Spehro Pefhany,

@Sphero Pefhany io ho notato che TVS schede diodi raramente danno alcun specifiche per il funzionamento continuo ... Il vostro punto circa la dissipazione attraverso R1 è preso bene, come sono i vostri suggerimenti per le resistenze. In teoria potrei aumentare il valore di R1 (e R2) per ridurre la dissipazione attraverso R1 (usando ancora qualcosa come resistori VR25 / VR68), ma sarei preoccupato che potrebbe introdurre nuovi problemi.
JohnSpeeks

2

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

Il codice di OP AMP e diodi su schemi non significano nulla. I diodi D3 D4 sono una giunzione BAV199 o 2 da gate a canale del jFET MMBF4117. OA1 è OPA365. C3 deve essere selezionato per fornire una frequenza di passaggio sufficientemente bassa per il filtro su C3, R1 / 2.

R2 e R3 sono preferibilmente resistori a film sottile precisi o addirittura due parti di una rete di resistori. Definiscono la tua deriva zero.

R5 deve essere valutato per 1 kV di tensione, è possibile utilizzare più resistori 0603 in serie.

E, per essere davvero sicuri, puoi aggiungere una resistenza da 1 kOhm tra l'ingresso non invertente di OPA365 e il punto medio di R1 R2. Aiuta a limitare la corrente di ingresso se qualcosa va davvero male.

Il limitatore di tensione ad alta potenza (come diodo TVS o varistore) è preferibilmente collegato tra INPUT e GND. La sua tensione è di circa 600-800 V.


Dovrò ordinare alcune di queste parti prima di poter prototipare questo e confrontarlo con le altre opzioni. Rimanete sintonizzati!
JohnSpeeks

Sfortunatamente la parte RC di questo (ignorando i diodi e l'amplificatore operazionale) rotola fuori dall'ingresso di circa -1,44 dB a 1 Hz (tagliando l'uscita di circa il 15%): curva di risposta in frequenza . L'aumento del limite a 10 uF lo risolve e mantiene le cose piuttosto piatte a 1 Hz, ma poi ci vogliono circa 30 secondi per caricare il tappo attraverso i resistori da 470k. (E ovviamente diminuendo quelli non funziona, poiché rotola di nuovo la risposta alle basse frequenze.)
JohnSpeeks

1
Scusa per il ritardo della risposta. Sì. è vero, certo. Ma questo problema si presenta con qualsiasi progetto del filtro passa basso. Perché hai bisogno di C3? Può essere accoppiamento DC è meglio?
Master

Questo è un molto buon punto. Potrei rendere questo DC accoppiato. Nella mia particolare applicazione, non vi è alcuna possibilità di offset CC e non mi interessa nemmeno se il segnale di uscita è invertito. Quindi potrei usare un amplificatore operazionale in una configurazione invertita per aggiungere la tensione di offset.
JohnSpeeks,

1
Ok buono a sapersi! Le vostre domande sono benvenute!
Master

1

Che tipo di OPA usi? Se si tratta dell'ingresso FET OP AMP (correnti di ingresso inferiori a 100 pA), non è necessario R3 C2. Inoltre, se non ti interessa l'offset CC, è molto meglio rimuovere R3 C2.

Non vedo alcun valore nel diodo TVS 30 V. Assolutamente d'accordo con @Autistic. Puoi metterlo dritto in parallelo all'ingresso (prima di R1) e passare al tipo 500-700 V. La sua funzione è quindi: proteggere R1 e altri dispositivi elettronici da picchi molto brevi di oltre 800 V (non so se l'applicazione potrebbe causare questo tipo di problemi).

R1 deve essere valutato per 1000 V o implementato come una serie di resistori 0603 o più grandi, tenendo conto degli spazi di isolamento.

Per quanto riguarda il "vero" morsetto: l'idea di @Spehro Pefhany di BAV199 pre-polarizzato (due diodi a bassa perdita in un pacchetto SOT) sembra la migliore. Non mi importerebbe troppo per le correnti di alimentazione: sono limitate di 4 mA (800 V / 200 kOhm), probabilmente è inferiore alla corrente di alimentazione di un OP AMP che usi.

Perché non mettere R2 (credo che sia un divisore di tensione) prima di C1 e usare una resistenza molto grande (1 MOhm) al posto di R2 - questo consente a C1 di essere piccolo quanto pochi uF.


1
Devi tenere presente che la corrente di polarizzazione in ingresso di questo OPA è grande come 1-4 nA a 70 C. Ciò significa (per la tua progettazione) che la tensione di offset aggiuntiva può essere fino a 200 uV, è molto più alta di la sua tensione di offset "nominale". Questo è un problema comune degli AMP jFET OP, non sono adatti per ingressi ad alta impedenza a temperature leggermente alte.
Master

1
I moderni AMP OP BJT (AD8675) hanno una variazione molto più piccola della loro corrente di polarizzazione rispetto alla temperatura, sebbene anche le loro correnti di ingresso siano grandi (1 nA).
Master

1
Quale gamma di tensioni di uscita è necessaria?
Master

1
Perché non utilizzare OPA Rail-to-Rail 5 V? Vongola naturalmente a 0-5 V per ADC. Sono molto migliori per le prestazioni in ingresso rispetto agli OPA a "alta" tensione.
Master

1
Siamo spiacenti, "blocca naturalmente"
Master
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