Circuito para medir voltaje DC de alto voltaje (hasta 1000V)

Soy estudiante de E&E de último año y estoy tratando de construir un medidor de potencia que pueda medir voltajes de CC bastante altos, hasta 1000 V CC. Estoy midiendo con un ADC simple de 12 bits que tiene un rango de voltaje de entrada de 0 - 2.5 V. ¿Sería suficiente un divisor de voltaje simple y un búfer de amplificador operacional para la aplicación o se necesita otro tipo de circuito analógico frontal porque el el voltaje es tan alto?

Un divisor de resistencia hará lo que desee, pero a este voltaje hay algunos problemas que normalmente puede ignorar:

1. La resistencia superior tiene que poder manejar 1 kV. Esas son más difíciles de obtener que las resistencias "ordinarias" y, a menudo, no son lineales con el voltaje en el extremo superior.

2. Disipación de potencia. Incluso lo que normalmente sería una resistencia "grande", como 1 MΩ, se disipa un vatio completo cuando se le aplica 1 kV.

3. Necesita distancia física entre dos puntos que tienen un kV entre ellos por seguridad y para evitar arcos en el aire.

Debido a todas estas razones, implementaría la resistencia superior del divisor de voltaje con múltiples resistencias más comunes en serie. Por ejemplo, las resistencias 0805 generalmente están clasificadas para 150 V (su trabajo es verificar la hoja de datos). Diez resistencias 0805 de 1 MΩ en serie, distribuidas físicamente de extremo a extremo, se pueden usar como una resistencia de 1 kV 10 MΩ. El voltaje a través de cada resistencia será de 100 V o menos, lo que los mantiene dentro de las especificaciones.

En conjunto, la cadena de resistencias de 10 MΩ solo disipa 100 mW, por lo que cada resistencia individual solo 10 mW. No hay problema aqui.

Con una resistencia superior de 10 MΩ, la resistencia inferior del divisor sería idealmente de 25.06 kΩ para obtener 2.50 V con 1000 V in. Desea tener un poco de margen superior a la especificación de voltaje de entrada máxima de 1000 V, por lo que 24 kΩ o incluso una pequeña resistencia inferior inferior debería hacerlo.

La impedancia de salida de un divisor con una relación tan alta es básicamente el valor de la resistencia inferior. 24 kΩ puede ser demasiado alto para algunos A / D, por lo que es posible que desee almacenar esto con un opamp utilizado como seguidor de voltaje.

Sí, puede usar un divisor de voltaje (de hecho, hay algunos otros enfoques prácticos).

Deberá usar una resistencia de precisión para la resistencia de alto valor que esté clasificada para funcionar de manera segura a 1000V. No pase por alto este detalle. También tendrá que seguir las recomendaciones sobre el diseño, lo que podría implicar fresar una ranura de aislamiento debajo de la resistencia para aumentar la distancia de fuga a menos que la resistencia en sí sea realmente larga, y definitivamente implicará otras consideraciones de PCB en la entrada de alto voltaje.

La resistencia general del divisor estará limitada por la impedancia de salida que necesita alcanzar, y eso será determinado por el ADC si intenta ir directamente a la entrada del ADC. Lo más probable es que esto no sea deseable porque (para una precisión total) el ADC necesita ver algunos K ohmios en su entrada. Digamos que es 2.5K. Luego, necesitará usar 1 M (o menos) para la resistencia de alto valor, y se disipará 1 W (o más) a 1000 V CC, lo que no es muy bueno para la precisión (y carga la entrada significativamente: 1 mA a 1 kV).

Puede ser mejor usar un búfer de amplificador operacional de alto rendimiento en la entrada ADC, lo que le permite usar más como 10M y 25K.

Si tiene voltajes de suministro más altos en su sistema, puede haber una pequeña ventaja al dividirlo a un voltaje más alto, como 10 V con un suministro de 15 V y luego almacenar y usar un segundo divisor pasivo para bajar a 2.5 V, pero probablemente no sea necesario con solo una resolución de 12 bits. Reduciría el efecto del desplazamiento del amplificador operacional y la deriva del desplazamiento, a costa de involucrar a dos resistores más en el presupuesto de error (pero el de alto voltaje debería ser su principal fuente de preocupación).

Recuerde que cada divisor resistivo tiene un divisor capacitivo parásito. Dependiendo de qué diseños de resistencia física se usen, la relación de este divisor puede ser muy diferente de la relación resistiva; esto puede hacer que aparezcan picos de voltaje sorprendentemente altos en sus entradas IC, por lo que debe sujetar sus entradas IC a niveles seguros con diodos rápidos y / o compensar el divisor (tal vez "compensarlo" con un condensador grande a través de la resistencia inferior).

El problema con un divisor será V ² / R (la potencia nominal). A 1000V, dividiéndolo a 2.5V, su deltaV será 997.5V. Incluso si usa una resistencia de 1 MegaOhm, está hablando de usar una resistencia de 1W, y en la práctica no desea una resistencia tan grande porque será una fracción apreciable de la impedancia de entrada de su amplificador operacional, y arroje fuera de su precisión de medición. A 100kOhms, se verá más como 10W, y probablemente necesitará organizar una combinación de resistencias en paralelo y en serie que le brinden la resistencia efectiva que busca mientras distribuye los requisitos de disipación de potencia.

El otro problema será el rango dinámico. Vas a dividir 1000V a 2.5V, entonces un factor de 400. Eso significa que una señal natural de 1V se manifestará en tu ADC como una señal de 0.0025. Su resolución de voltaje ingenua con un ADC ^de 2.5V @ 12 bits es 2.5 / 2 ¹² = 0.000610352V / LSB, pero su número de bits efectivos es probablemente más cercano a 10, o 0.002441406V / LSB. Así que es bueno siempre que acepte que el límite inferior de su medición será de alrededor de 1V. Las técnicas de promedio pueden mejorar su resolución de voltaje efectiva, a costa de reducir su resolución de tiempo / distorsionar su señal en el dominio del tiempo.

La forma "multímetro" de hacer esto sería cargar un condensador con una resistencia grande y muestrearlo periódicamente para que pueda calcular el voltaje de activación. Obviamente, necesita sujetar el voltaje por debajo del voltaje máximo del condensador y también necesita una forma de descargar el condensador Una descarga simple de transistor (o mosfet) no dará resultados ideales ya que ningún semiconductor tiene cero voltaje de ec o ds. Pero eso es probablemente entrar en demasiados detalles.

El beneficio de hacer esto es que obtiene un amplio rango de voltaje viable, un divisor de resistencia recto adecuado para 1kV no es muy útil para medir 1V.

Para el divisor de resistencia de la serie megaohm, calcule la resistencia y el voltaje de thevenin. En esencia, rth es solo el divisor de voltaje superior / inferior en paralelo y vth es el voltaje de salida del divisor. Esto le dará la impedancia de salida y la corriente que fluye hacia el opamp / adc.