Amplificazione della corrente ad alta tensione nA

Ho un circuito che è essenzialmente solo una sorgente CC da 1kV collegata a una resistenza molto elevata ( schema di base del circuito ), all'interno del quale la corrente è compresa tra 0,1 nA e 500 uA che sto provando a misurare usando un Arduino (la corrente varia perché la resistenza varia a causa di fattori esterni). Ho avuto l'idea di utilizzare questo (o simile) collegato a un Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Tuttavia, funziona fino a 26 V e ha solo una risoluzione di 0,8 mA.

Per risolvere questo ho pensato inizialmente di utilizzare un potenziale divisore per avere una sezione parallela del circuito con tensione ridotta a ~ 13 V dove INA219 può andare ( sezione di tensione ridotta ), con resistori ad alta resistenza, quindi essenzialmente tutta la corrente scorre attraverso questa sezione.

Tuttavia, ora ho bisogno di amplificare la corrente in questa sezione a un valore che INA219 può misurare. Dopo aver esaminato le cose, ho pensato che una buona idea sarebbe stata una coppia Darlington e l'ho implementata in questo modo: con una coppia Darlington . Tuttavia trovo che non ci sia amplificazione per questo. Sto implementando la coppia Darlington in modo errato o non funziona per correnti così piccole, oppure una coppia Darlington è completamente un'idea sbagliata qui per amplificare la corrente? Se questo è il modo sbagliato di farlo, quale sarebbe un buon modo per misurare la corrente di questo circuito ad alta tensione a bassa corrente con un Arduino?

Modifica: ho incluso uno schema del diagramma che penso sia descritto dalla risposta di Olin Lathrop

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Questo sarebbe lo schema a cui Olin stava pensando, con qualche bonus.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Gli Zeners possono avere una corrente di dispersione piuttosto elevata e hai bisogno di una protezione con una dispersione molto bassa, poiché la corrente che vuoi misurare è minuscola.

Quindi, D3 creerà un riferimento a 3 V con la capacità di trasferire a terra la corrente in eccesso. D1 / D2 si accenderà, solo se qualcosa va storto. D1 e D2 sono normali diodi al silicio, che è necessario selezionare per una bassa corrente di dispersione.

L'editor schematico ha utilizzato 1N4148 ma secondo il foglio dati, la perdita è piuttosto elevata. È possibile provare 1N3595 che presenta perdite molto inferiori. Ho scelto una parte passante appositamente, perché è più facile avere una bassa perdita con il foro passante a causa della maggiore spaziatura dei perni ...

C1 fornisce alcuni filtri passa-basso, se necessario. In caso contrario, rimuovere R5 / C1.

Si noti che questo sarà completamente protetto contro un cortocircuito su R1 solo se R3 è in grado di resistere a 1kV senza archi o bruciature o se l'alimentazione si interrompe a causa di sovracorrente, ecc.

Se la tua alimentazione da 1kV è in grado di emettere solo pochi mA, i diodi D2-D3 proteggeranno l'ADC del tuo micro, ma R2 / R3 si inarcherebbe e morirebbe. Parti non molto costose, quindi la tua scelta di progettare o meno.

Si desidera misurare fino a 500 µA con un microcontrollore. Un resistore di rilevamento corrente lato basso sembra la scelta ovvia a meno che non ci siano vincoli di cui non ci stai parlando. Con 1 kV, dovrebbe essere accettabile lasciar cadere un volt o alcuni.

Supponiamo che tu voglia 3.0 V a 500 µA. Fai i conti. (3,0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Con quello tra l'estremità inferiore del carico e la massa, otterrai un segnale da 0 a 3,0 V che indica da 0 a 500 µA.

Con la grande tensione intorno, metterei un po 'di protezione tra questo segnale a 3 V e l'A / D. Aggiungi un po 'di resistenza in serie seguita dal clipping del diodo a terra e 3,3 V o qualcosa del genere.

Con un A / D a 12 bit (facile da integrare al giorno d'oggi in un microcontrollore), si ottiene una risoluzione di circa 122 nA. Se ciò non è abbastanza buono, usa un A / D esterno, come delta-sigma se la tua larghezza di banda è abbastanza bassa.

aggiunto

Il posizionamento dei diodi e R4 non ha senso nel tuo schema.

Ecco cosa ho descritto sopra:

R2 è il convertitore da corrente a tensione. Produce 3,0 V a 500 µA. D1 e D2 agganciano il risultato a un livello sicuro e R1 fornisce l'impedenza per cui devono lavorare.

Uno svantaggio del clipping è che l'impedenza di OUT diventa alta. L'output mostrato sopra deve essere bufferizzato prima di guidare un ingresso A / D. Questo potrebbe essere fatto con un opamp come follower di tensione.

Dato che finisci comunque con un opamp lì dentro, puoi considerare di abbassare R2 e usare l'opamp per amplificare. Il fatto che ciò abbia un senso dipende da vari compromessi di cui non ci hai parlato.

Un'opzione è utilizzare un optoisolatore in serie con il carico:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ciò ha il vantaggio di poter isolare completamente l'alta tensione dal microcontrollore.

Il principale svantaggio è che l'attuale rapporto di trasferimento (CTR) degli optoisolatori varia, quindi sarà necessario un po 'di calibrazione. A seconda della misura accurata di cui hai bisogno, puoi utilizzare un modello generico con CTR 100% -1000%, ma una risposta in qualche modo non lineare. Se hai bisogno di maggiore precisione, ci sono optoisolatori linearizzati, ma il loro CTR è solo dell'1% circa, il che significa che invece di amplificare hai attenuato il segnale e che sarebbe necessario aggiungere un amplificatore operazionale sul lato a bassa tensione.