Circuito per la misurazione della tensione CC ad alta tensione (fino a 1000 V)

Sono uno studente E&E dell'ultimo anno e sto cercando di costruire un misuratore di potenza che deve essere in grado di misurare tensioni CC abbastanza elevate, fino a 1000 V CC. Sto misurando con un semplice ADC a 12 bit con un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 0 e 2,5 V. Un semplice divisore di tensione e un buffer op-amp sarebbero sufficienti per l'applicazione o è necessario un altro tipo di circuito analogico front-end perché il la tensione è così alta?

Un divisore di resistore farà quello che vuoi, ma a questa tensione ci sono alcuni problemi che puoi normalmente ignorare:

1. La resistenza superiore deve essere in grado di gestire 1 kV. Quelli sono più difficili da ottenere rispetto ai resistori "ordinari" e spesso non sono lineari con la tensione nella fascia alta.

2. Dissipazione di potenza. Anche quella che normalmente sarebbe una resistenza "grande", come 1 MΩ, dissipa un intero watt quando viene applicato 1 kV.

3. È necessaria una distanza fisica tra due punti che hanno un kV tra loro per sicurezza e per evitare l'arco attraverso l'aria.

Per tutti questi motivi, implementerei il resistore superiore del partitore di tensione con più resistori ordinari in serie. Ad esempio, le resistenze 0805 sono generalmente classificate per 150 V (il vostro lavoro è controllare la scheda tecnica). Dieci resistori da 1 MΩ 0805 in serie, disposti fisicamente da un capo all'altro, possono essere usati come un resistore da 1 kV da 10 MΩ. La tensione attraverso ogni resistenza sarà di 100 V o inferiore, il che le mantiene entro le specifiche.

Tutti insieme, la stringa di resistori da 10 MΩ dissipa solo 100 mW, quindi ogni singolo resistore solo 10 mW. Nessun problema qui.

Con un resistore superiore da 10 MΩ, il resistore inferiore del divisore sarebbe idealmente 25,06 kΩ per ottenere 2,50 V in uscita con 1000 V in ingresso. Si desidera avere un piccolo margine superiore alla specifica di tensione di ingresso massima di 1000 V, quindi un 24 kΩ o anche un resistore inferiore inferiore dovrebbe farlo.

L'impedenza di uscita di un divisore con un rapporto così elevato è sostanzialmente il valore di resistenza inferiore. 24 kΩ potrebbe essere troppo alto per alcuni A / D, quindi potresti voler bufferizzare questo con un opamp usato come follower di tensione.

Sì, puoi usare un partitore di tensione (in effetti ci sono pochi altri approcci pratici).

You will need to use a precision resistor for the high value resistor that is rated to operate safely at 1000V. Do not overlook this detail. You will also have to follow recommendations on layout- which might involve milling an isolation slot under the resistor to increase the creepage distance unless the resistor itself is really long, and will definitely involve other PCB considerations at the high-voltage input.

La resistenza complessiva del divisore sarà limitata dall'impedenza di uscita che è necessario raggiungere e che sarà determinata dall'ADC se si tenta di accedere direttamente all'ingresso ADC. Molto probabilmente questo non sarà desiderabile perché (per la massima precisione) l'ADC deve vedere alcuni K ohm al suo ingresso. Dì che è 2.5K. Quindi dovrai utilizzare 1 M (o meno) per la resistenza di alto valore e dissiperà 1 W (o più) a 1000 V CC, non eccezionale per la precisione (e carica in modo significativo l'ingresso: 1 mA a 1 kV).

Potrebbe essere meglio usare un buffer op-amp ad alte prestazioni all'ingresso ADC, permettendoti di usare più come 10M e 25K.

If you have higher supply voltages in your system there may be a small advantage in dividing down to a higher voltage, such as 10V with a 15V supply and then buffering and using a second passive divider to get down to 2.5V, but it's probably not necessary with only 12-bit resolution. It would reduce the effect of op-amp offset and offset drift, at the cost of involving two more resistors in the error budget (but the high voltage one should be your main source of concern).

Remember that every resistive divider has a parasitic capacitive divider. Depending on which physical resistor designs are used, the ratio of this divider can be very different from the resistive ratio; this can make surprisingly high voltage spikes appear at your IC inputs, so you should clamp your IC inputs to safe levels with fast diodes and/or compensate the divider (maybe "overcompensate" it with a big capacitor across the lower resistor).

The problem with a divider is going to be V²/R (the power rating). At 1000V, dividing it down to 2.5V, your deltaV is going to be 997.5V. Even if you use a 1 MegaOhm resistor, you're talking about using about a 1W resistor, and in practice you don't want a resistor that large because it's going to be an appreciable fraction of your op-amp input impedance, and throw off your measurement accuracy. At 100kOhms, you're going to be looking more like 10W, and you'll probably need to organize a combination of parallel and series resistors that give you the effective resistance you are going for while distributing the power dissipation requirements.

The other problem is going to be dynamic range. You're going to divide down 1000V to 2.5V, so a factor of 400. That means a natural 1V signal is going to manifest to your ADC as a 0.0025 signal. Your naive voltage resolution with a 2.5V @ 12-bit ADC is 2.5/2¹² = 0.000610352V/LSB, but your number of effective bits is probably closer to 10, or 0.002441406V/LSB. So you're good as long as you accept that the lower limit of your measurement is going to be around 1V. Averaging techniques can improve your effective voltage resolution, at the cost of reducing your time resolution / distorting your signal in the time domain.

"Multimeter" way of doing this would be to charge a capacitor with a large resistor and sample it periodically so you can work out the driving voltage.. Obviously you need to clamp the voltage below capacitor max voltage rating and also you need a way to discharge the capacitor. A simple transistor (or mosfet) discharge will not give ideal results as no semiconductor has zero ec or ds voltage. But that's probably getting into too much detail.

The benefit of doing this is that you get a broad workable voltage range, a straight resistor divider suitable for 1kV is not very useful for measuring 1V..

For the megaohm series resistor divider, work out the thevenin resistance and voltage. In essence rth is just the voltage divider top/bottom in parallel and vth is the divider output voltage. This will give you the output impedance and current flowing into the opamp/adc.