고전압 DC 전압 측정 회로 (최대 1000V)

나는 마지막 해 E & E 학생이며 1000V DC까지 매우 높은 DC 전압을 측정 할 수있는 파워 미터를 만들려고합니다. 입력 전압 범위가 0-2.5V 인 간단한 12 비트 ADC로 측정하고 있습니다. 간단한 전압 분배기 및 연산 증폭기 버퍼가 애플리케이션에 충분하거나 다른 유형의 프런트 엔드 아날로그 회로가 필요합니까? 전압이 너무 높습니까?

저항 분배기는 원하는 것을 수행하지만이 전압에서 일반적으로 무시할 수있는 몇 가지 문제가 있습니다.

1. 상단 저항은 1kV를 처리 할 수 ​​있어야합니다. 그것들은 "일반적인"저항보다 얻기가 어렵고 종종 하이 엔드 전압과 선형이 아닙니다.

2. 전력 소모. 일반적으로 1MΩ과 같은 "대형"저항 일지라도 1kV가 적용되면 전체 와트가 소실됩니다.

3. 안전을 위해 그리고 공기를 통한 아크를 방지하기 위해 두 지점 사이에 kV가있는 두 지점 사이의 물리적 거리가 필요합니다.

이러한 모든 이유로 인해 여러 일반 저항기를 직렬로 사용하여 전압 분배기의 상단 저항기를 구현합니다. 예를 들어, 0805 저항은 일반적으로 150V (데이터 시트 확인 작업)에 적합합니다. 종단 간 물리적으로 배치 된 10 개의 1MΩ 0805 저항 직렬은 1kV 10MΩ 저항으로 사용할 수 있습니다. 각 저항의 전압은 100V 이하가되어 사양 내에서 유지됩니다.

모두 10MΩ 저항 스트링은 100mW 만 소산하므로 각 개별 저항은 10mW에 불과합니다. 문제 없습니다.

10MΩ 상단 저항을 사용하는 경우 분배기의 하단 저항은 25.06kΩ이되어 1000V 입력으로 2.50V를 출력하는 것이 좋습니다. 조금 더 낮은 하단 저항조차도 그렇게해야합니다.

이러한 높은 비율을 가진 분배기의 출력 임피던스는 기본적으로 가장 낮은 저항 값입니다. 일부 A / D의 경우 24kΩ이 너무 높을 수 있으므로 전압 팔로워로 사용되는 opamp로이를 버퍼링 할 수 있습니다.

예, 전압 분배기를 사용할 수 있습니다 (사실 다른 실용적인 접근법은 거의 없습니다).

1000V에서 안전하게 작동 할 수 있는 높은 값의 저항기에는 정밀 저항기를 사용해야합니다 . 이 세부 사항을 간과하지 마십시오. 또한 저항 자체가 실제로 길지 않은 한 연면 거리를 늘리기 위해 저항 아래에 절연 슬롯을 밀링해야하는 레이아웃에 대한 권장 사항을 따라야하며 고전압 입력에서 다른 PCB 고려 사항이 반드시 포함됩니다.

분배기의 전체 저항은 달성해야하는 출력 임피던스에 의해 제한되며 ADC 입력으로 직접 가려고하면 ADC에 의해 결정됩니다. ADC가 입력에서 몇 K 옴을 볼 필요가 있기 때문에 이것은 바람직하지 않을 것입니다. 2.5K라고 가정하십시오. 그런 다음 고가의 저항에 1M (또는 그 이하)을 사용해야하며, 1000VDC에서 1W (또는 그 이상)를 소산하여 정확도가 높지 않으며 입력을 1mA @ 1kV로 크게로드합니다.

ADC 입력에서 고성능 연산 증폭기 버퍼 를 사용하는 것이 더 좋을 수 있으므로 10M 및 25K와 같이 더 많이 사용할 수 있습니다.

시스템에 더 높은 공급 전압이있는 경우 15V 공급으로 10V와 같이 더 높은 전압으로 나눈 다음 버퍼링 및 두 번째 패시브 분배기를 사용하여 2.5V로 낮추는 작은 이점이있을 수 있습니다. 12 비트 해상도에서만 필요합니다. 오차 예산에 두 개의 저항을 추가로 사용하여 연산 증폭기 오프셋 및 오프셋 드리프트의 영향을 줄입니다 (그러나 고전압 저항이 주요 관심사 여야 함).

모든 저항 분배기에는 기생 용량 분배기가 있습니다. 사용되는 물리적 저항 설계에 따라이 분배기의 비율은 저항 비율과 매우 다를 수 있습니다. 이로 인해 IC 입력에 놀랍게도 높은 전압 스파이크가 나타날 수 있으므로 빠른 다이오드를 사용하여 IC 입력을 안전한 수준으로 클램핑하거나 디바이더를 보상해야합니다 (낮은 저항에 걸쳐 큰 커패시터로이를 "과도하게 보상"해야 함).

분배기의 문제는 V ² / R (전력 등급)입니다. 1000V에서 2.5V로 나누면 deltaV는 997.5V가됩니다. 1MΩ 저항을 사용하더라도 1W 저항을 사용하는 것에 대해 이야기하고 있지만 실제로는 연산 증폭기 입력 임피던스의 상당 부분이 될 것이므로 큰 저항은 원하지 않습니다. 측정 정확도를 떨어 뜨립니다. 100kOhms에서는 10W와 비슷해 보일 것입니다. 병렬 및 직렬 저항의 조합을 구성하여 전력 소비 요구 사항을 분배하는 동안 효과적인 저항을 제공해야 할 것입니다.

다른 문제는 다이나믹 레인지가 될 것입니다. 1000V를 2.5V로 나누면 400 배가됩니다. 즉, 자연스러운 1V 신호가 0.0025 신호로 ADC에 나타납니다. 2.5 비트 @ 12 비트 ADC의 순진한 전압 분해능은 2.5 / 2 ¹² = 0.000610352V / LSB이지만 유효 비트 수는 아마도 10 또는 0.002441406V / LSB에 가깝습니다. 따라서 측정의 하한이 약 1V가 될 것이라는 점을 인정하는 한 좋습니다. 평균화 기술은 시간 분해능을 낮추고 시간 영역에서 신호를 왜곡시키는 비용으로 효과적인 전압 분해능을 향상시킬 수 있습니다.

이를 수행하는 "멀티 미터"방법은 큰 저항으로 커패시터를 충전하고 주기적으로 샘플링하여 구동 전압을 계산할 수 있도록하는 것입니다. 분명히 커패시터 최대 전압 정격 이하로 전압을 클램핑해야하며 또한 커패시터를 방전 시키십시오. 반도체가 0 ec 또는 ds 전압을 갖지 않기 때문에 간단한 트랜지스터 (또는 MOSFET) 방전은 이상적인 결과를 제공하지 않습니다. 그러나 그것은 아마도 너무 자세하게 설명되고있을 것입니다.

이 작업의 장점은 넓은 작동 전압 범위를 얻을 수 있다는 것입니다. 1kV에 적합한 직선 저항 분배기는 1V 측정에별로 유용하지 않습니다.

메가 옴 직렬 저항 분배기의 경우, 베냉 저항과 전압을 계산하십시오. 본질적으로 rth는 전압 분배기 상단 / 하단 병렬이며 vth는 분배기 출력 전압입니다. 그러면 opamp / adc로 흐르는 출력 임피던스와 전류가 제공됩니다.