Amplificación de alto voltaje de corriente nA

Tengo un circuito que es esencialmente una fuente de CC de 1kV conectada a una resistencia muy alta ( esquema de circuito básico ), dentro del cual fluye corriente en el rango de 0.1nA a 500uA que estoy tratando de medir usando un Arduino (la corriente varía porque la resistencia varía debido a factores externos). Tuve la idea de usar esto (o similar) conectado a un Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Sin embargo, esto funciona hasta 26V y solo tiene una resolución de 0.8mA.

Para resolver esto, primero pensé en usar un divisor de potencial para tener una sección paralela del circuito con voltaje reducido a ~ 13V donde el INA219 puede ir ( sección de voltaje reducido ), con resistencias de alta resistencia, por lo que esencialmente toda la corriente fluye a través de esta sección.

Sin embargo, ahora necesito amplificar la corriente en esta sección a un valor que el INA219 pueda medir. Después de buscar cosas, pensé que una buena idea para esto sería un par Darlington y lo implementé así: con el par Darlington . Sin embargo, encuentro que no hay amplificación para esto. ¿Estoy implementando el par Darlington incorrectamente o no funciona para corrientes tan pequeñas, o es un par Darlington la idea completamente incorrecta para amplificar la corriente? Si esta es la forma incorrecta de hacerlo, ¿cuál sería una buena manera de medir la corriente de este circuito de alta tensión de baja corriente con un Arduino?

Editar: he incluido un esquema del diagrama que creo que se describe en la respuesta de Olin Lathrop

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Este sería el esquema en el que Olin estaba pensando, con algunas bonificaciones.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Zeners puede tener una corriente de fuga bastante alta y necesita una protección con muy poca fuga, ya que la corriente que desea medir es pequeña.

Entonces, D3 creará una referencia de 3V con la capacidad de derivar el exceso de corriente a tierra. D1 / D2 se encenderá, solo si algo sale mal. D1 y D2 son diodos de silicio normales, que debe seleccionar para baja corriente de fuga.

El editor de esquemas usó 1N4148 pero, según la hoja de datos, la fuga es bastante alta. Puede probar 1N3595 que tiene una fuga mucho menor. Seleccioné una parte de orificio pasante a propósito, porque es más fácil tener poca fuga con el orificio pasante debido al espaciado más amplio del pasador ...

C1 proporciona un filtrado de paso bajo, si es necesario. Si no, retire R5 / C1.

Tenga en cuenta que esto solo estará completamente protegido contra un corto a través de R1 si R3 es capaz de soportar 1kV sin arcos o quemaduras, o si el suministro se corta debido a una sobrecorriente, etc.

Si su suministro de 1kV solo puede generar unos pocos mA, entonces los diodos D2-D3 protegerán el ADC de su micro, pero R2 / R3 se arquearía y moriría. Las piezas no son muy caras, por lo que puede optar por un diseño excesivo o no.

Desea medir hasta 500 µA con un microcontrolador. Una resistencia de detección de corriente del lado bajo parece ser la opción obvia a menos que haya restricciones que no nos está diciendo. Con 1 kV, debería ser aceptable bajar un voltio o unos pocos.

Digamos que quieres 3,0 V a 500 µA. Haz las matematicas. (3.0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Con eso entre el extremo inferior de la carga y tierra, obtendrá una señal de 0 a 3.0 V que indica de 0 a 500 µA.

Con el gran voltaje alrededor, pondría algo de protección entre esta señal de 3 V y el A / D. Agregue un poco de resistencia en serie seguida de recorte de diodo a tierra y 3.3 V o algo así.

Con un A / D de 12 bits (fácil de instalar hoy en día en un microcontrolador), obtienes una resolución de aproximadamente 122 nA. Si eso no es lo suficientemente bueno, use un A / D externo, como delta-sigma si su ancho de banda es lo suficientemente bajo.

Adicional

La ubicación de los diodos y R4 no tiene sentido en su esquema.

Esto es lo que describí anteriormente:

R2 es el convertidor de corriente a voltaje. Produce 3.0 V a 500 µA. D1 y D2 recortan el resultado a un nivel seguro, y R1 proporciona la impedancia para que puedan trabajar.

Un inconveniente del recorte es que la impedancia de OUT se vuelve alta. La salida que se muestra arriba necesita ser almacenada antes de manejar una entrada A / D. Esto podría hacerse con un opamp como seguidor de voltaje.

Como terminas con un opamp allí de todos modos, puedes considerar reducir R2 y usar el opamp para amplificar. Si eso tiene sentido depende de varias compensaciones que no nos ha contado.

Una opción es usar un optoaislador en serie con la carga:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto tiene el beneficio de que puede aislar completamente el alto voltaje de su microcontrolador.

El principal inconveniente es que la relación de transferencia actual (CTR) de los optoaisladores varía, por lo que necesitará algo de calibración. Dependiendo de cuán precisa sea la medición que necesite, puede usar algún modelo genérico con 100% -1000% CTR, pero una respuesta algo no lineal. Si necesita una precisión adicional, hay optoaisladores linealizados, pero su CTR es solo del 1%, lo que significa que, en lugar de amplificar, ha atenuado la señal y necesitaría agregar un amplificador operacional en el lado de bajo voltaje.