¿Es este divisor de voltaje de sujeción para una entrada de alta impedancia un diseño bueno y robusto?

Tengo una entrada de CA de la siguiente manera:

1. Puede variar de ± 10V a al menos ± 500V continuamente.
2. Funciona desde aproximadamente 1 Hz a 1 kHz.
3. Necesita> 100 kΩ de impedancia, de lo contrario su amplitud cambia.
4. Ocasionalmente puede desconectarse y someter el sistema a eventos ESD.

Cuando la entrada está por debajo de 20V, necesito digitalizar la forma de onda con un ADC. Cuando está por encima de 20V, puedo ignorarlo como fuera de rango, pero mi sistema no debe dañarse.

Dado que mi ADC necesita una señal relativamente rígida, quería almacenar en búfer la entrada para otras etapas (en esas, la polarizaré, la sujetaré de 0V a 5V y la alimentaré a un ADC).

Diseñé el siguiente circuito para mi etapa de entrada inicial para obtener una salida segura y fuerte que pueda alimentar a otras etapas:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Mis objetivos son:

1. Asegure> 100 kΩ de impedancia en la fuente.
2. Cambie una entrada de ± 20V a aproximadamente una salida de ± 1.66V.
3. Proporcionar una salida rígida.
4. Maneje con seguridad las entradas continuas de alto voltaje (al menos ± 500V).
5. Maneje eventos ESD sin descargar mucha corriente / voltaje en los rieles de ± 7.5V.

Aquí está mi justificación para el diseño de mi circuito:

1. R1 y R2 forman un divisor de voltaje, reduciendo el voltaje en 12X.
2. El diodo TVS reacciona rápidamente para proteger contra eventos ESD en la entrada, descargándolos a mi tierra fuerte, sin arrojar nada en mis rieles (débiles) ± 7.5V.
3. El diodo TVS también maneja sobretensiones extremas (sostenidas ± 500V) derivando a tierra. Es pasado R1 para limitar la corriente en estos casos.
4. D1 y D2 sujetan el voltaje dividido a ± 8.5V, por lo que no necesito un condensador de alto voltaje para C1 ; después de R1 , la corriente a través de ellos también es limitada.
5. $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

¿Es este circuito óptimo para mis objetivos? ¿Puedo esperar algún problema con él? ¿Hay alguna mejora que deba hacer, o hay una mejor manera de lograr mis objetivos?

EDITAR 1

1. Originalmente dije que esto necesitaba manejar ± 200V continuamente, pero creo que ± 500V es un objetivo más seguro.

2. Para que el diodo TVS funcione como está, R1 necesita dividirse en dos resistencias, aquí R1a y R1b , como lo sugiere @ jp314 :

^{simular este circuito}

EDITAR 2

Aquí hay un circuito revisado que incorpora las sugerencias recibidas hasta ahora:

1. Zeners a través de la fuente de alimentación ( @Autistic ).
2. Resistencias que conducen a ellos ( @Spehro Pefhany ).
3. Diodos BAV199 rápidos ( @Master ; una alternativa de menor fuga al BAV99 que sugirió @Spehro Pefhany , aunque con una capacidad máxima de alrededor de 2 pF en lugar de 1,15 pF).
4. Diodo TVS en el frente y actualizado a 500 V ( @Master ), por lo que maneja solo eventos ESD, protegiendo R1 .
5. Muy corto desde la salida del amplificador operacional hasta la entrada negativa ( @Spehro Pefhany y @Master ).
6. Disminución de C1 a 10 μF ( @Spehro Pefhany ); Esto introduce una caída de voltaje del 0.3% a 1 Hz, que no es tan buena como la tapa original de 220 μF, pero facilitará el suministro del condensador.
7. Se agregó una resistencia R6 de 1 kΩ para limitar la corriente a OA1 ( @Autistic y @Master ).

^{simular este circuito}

Su D1 y D2 tomarán las sobretensiones de entrada, no el TVS: divida 220k en 200k + 20k, y coloque la porción de 20k entre el TVS y los diodos.

O simplemente use un zener de 4.7 V desde ese nodo a GND.

No necesitas R3 / C2. La entrada de amplificador operacional no inversora 've' R2 (20K) en la ruta de CC de corriente de polarización (no 220K), por lo que el desplazamiento probablemente será insignificante si lo reemplaza con un corto. Si insiste en R3 / C2, consulte a continuación el cálculo.

El 220K representa una reactancia capacitiva de 0.7uF a 1Hz, por lo que creo que un condensador de cerámica de 10uF pequeño y económico (y sin fugas) estará bien, agregando, en cuadratura, aproximadamente el 7%, por lo que un efecto total de menos del 0.3% . Sin embargo, puede haber algunos efectos debido a la sujeción, por lo que es mejor investigar esto dependiendo de cómo se espera que se comporte exactamente . Cuando se sujeta, 've' el 20k en serie con la abrazadera de baja impedancia, por lo que la constante de tiempo es 11 veces más corta.

R1 es crítico para la confiabilidad, prácticamente todo el voltaje se cae a través de él, debe ser un tipo de alto voltaje, clasificado para soportar los transitorios que espere, especialmente si este voltaje de entrada proviene de la red eléctrica que puede significar un par de kV. Vishay VR25 puede ser adecuado (con plomo). No escatime aquí. A menos que los últimos centavos sean más importantes que la confiabilidad, tampoco soy un gran fanático del uso de resistencias ordinarias múltiples para este propósito: una parte con la clasificación adecuada debería estar bien a menos que necesite usar dos resistencias con clasificación adecuada en serie para una confiabilidad aún mayor .

Perdería el TVS y consideraría sujetarlo directamente con una derivación (como un par zener) o diodos de conmutación de baja capacitancia como un par BAV99 a derivaciones predispuestas, como Zeners o TL431 (con resistencias a los rieles de suministro). Este último tendrá mucha menos capacitancia que usar Zeners directamente y, por lo tanto, causará menos desplazamiento de fase a 1kHz, si eso es importante para usted. La corriente de sujeción es inferior a 1 mA a 200 V, por lo que no es muy exigente, siempre que R1 resista cualquier EMF al que esté sujeto. Ambas opciones que sugerí pueden sujetar fácilmente 100 mA, al menos por un breve tiempo.

R3 / C2 realmente no forman un filtro de paso bajo: R3 y la capacitancia de entrada del amplificador operacional forman un filtro de paso bajo, y C2 se elegiría idealmente para ser mucho más grande, por lo que si la capacitancia de entrada es 15pF, puede usar 1nF o algo así. Solo tendría problemas con 20K solo si tuviera un amplificador operacional extremadamente inapropiado (capaz de frecuencias muy altas) donde el cambio de fase resultante afectó la estabilidad y, por supuesto, un corto no tiene ese problema.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El P / N del OP AMP y los diodos en los esquemas no significan nada. Los diodos D3 D4 son un BAV199 o 2 uniones de puerta a canal de jFET MMBF4117. OA1 es OPA365. C3 debe seleccionarse para proporcionar una frecuencia de paso suficientemente baja para el filtro en C3, R1 / 2.

R2 y R3 son preferiblemente resistencias de película delgada precisas o incluso dos partes de una red de resistencias. Definen tu deriva cero.

R5 debe estar clasificado para un voltaje de 1 kV, puede usar varias resistencias 0603 en serie.

Y, para estar realmente seguro, puede agregar una resistencia de 1 kOhm entre la entrada no inversora de OPA365 y el punto medio de R1 R2. Ayuda a limitar la corriente de entrada si algo sale realmente mal.

El limitador de voltaje de alta potencia (como el diodo o varistor TVS) está conectado preferiblemente entre INPUT y GND. Su voltaje es de aproximadamente 600-800 V.

¿Qué tipo de OPA utilizas? Si es FET input OP AMP (corrientes de entrada por debajo de 100 pA), entonces no necesita R3 C2. Además, si no le importa la compensación de CC, es mucho mejor eliminar R3 C2.

No veo ningún valor en el diodo TVS 30 V. Absolutamente de acuerdo con @Autistic. Puede ponerlo directamente en paralelo a la entrada (antes de R1) y cambiarlo al tipo 500-700 V. Su función es: proteger R1 y otros componentes electrónicos de picos muy cortos de más de 800 V (no sé si su aplicación puede meterse en este tipo de problemas).

R1 debe estar clasificado para 1000 V o implementado como una serie de resistencias 0603 o más grandes, teniendo en cuenta las brechas de aislamiento.

En cuanto a la abrazadera "real": la idea de @Spehro Pefhany de BAV199 pre-polarizado (dos diodos de baja fuga en un paquete SOT) se ve mejor. No me importaría demasiado las corrientes a los rieles de alimentación: están limitados por 4 mA (800 V / 200 kOhms), probablemente sea menos que la corriente de la fuente de alimentación de un OP AMP que use.

¿Por qué no colocar R2 (creo que es un divisor de voltaje) antes de C1 y usar una resistencia muy grande (1 MOhm) en lugar de R2? Esto permite que C1 sea tan pequeño como pocos uF.