고전압 nA 전류 증폭

나는 본질적으로 1kV DC 소스 인 매우 높은 저항 ( 기본 회로 개요 )에 연결된 회로를 가지고 있는데, 0.1nA에서 500uA 범위의 전류가 Arduino를 사용하여 측정하려고합니다. 저항은 외부 요인에 따라 다릅니다). Arduino에 연결된 this (또는 이와 유사한)를 사용하는 아이디어가 있습니다 : https://www.adafruit.com/product/904

그러나 이것은 최대 26V에서 작동하며 0.8mA 해상도 만 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 먼저 전위 분배기를 사용하여 INA219가 갈 수있는 전압이 ~ 13V로 감소 된 회로의 병렬 섹션 ( 전압 섹션 )을 갖도록하고 높은 저항 저항으로 본질적으로 모든 전류가이 섹션을 통해 흐르도록 생각했습니다.

그러나 이제이 섹션의 전류를 INA219가 측정 할 수있는 값으로 증폭해야합니다. I까지의 일을 찾고 후 이에 대한 좋은 아이디어가 달링턴 쌍 될 것이라고 생각하고 이런 식으로 구현 : 달링턴 쌍 . 그러나 나는 이것에 대한 증폭이 없다는 것을 알았습니다. Darlington 쌍을 잘못 구현 했습니까? 아니면 작은 전류에서 작동하지 않습니까, 아니면 Darlington 쌍이 전류를 증폭시키는 데 완전히 잘못된 생각입니까? 이것이 잘못된 방법이라면 Arduino 로이 저 전류 고전압 회로의 전류를 측정하는 좋은 방법은 무엇입니까?

편집 : 나는 Olin Lathrop의 답변에 설명 된 다이어그램의 개략도를 포함했습니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

이것은 몇 가지 보너스와 함께 Olin이 생각한 회로도입니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

제너는 누설 전류가 매우 높을 수 있으며 측정하려는 전류가 작기 때문에 누설이 매우 적은 보호 장치가 필요합니다.

따라서 D3는 초과 전류를 접지로 분류 할 수있는 3V 레퍼런스를 생성합니다. 무언가 잘못되었을 경우에만 D1 / D2가 켜집니다. D1 및 D2는 일반 실리콘 다이오드이므로 누설 전류가 적을 때 선택해야합니다.

회로도 편집기는 1N4148을 사용했지만 데이터 시트에 따르면 누출이 매우 높습니다. 누출이 훨씬 적은 1N3595 를 사용해보십시오 . 핀 간격이 넓기 때문에 스루 홀에서 누출이 적기 때문에 의도적으로 스루 홀 부품을 선택했습니다.

C1은 필요한 경우 저역 통과 필터링을 제공합니다. R5 / C1을 제거하지 않으면

R3이 아크 또는 연소없이 1kV를 견딜 수 있거나 과전류 등으로 인해 전원이 차단되는 경우 R1 전체에서 단락으로부터 완전히 보호됩니다.

1kV 전원이 몇 mA 만 출력 할 수 있다면 다이오드 D2-D3은 마이크로의 ADC를 보호하지만 R2 / R3은 아크와 다이를 발생시킵니다. 고가의 부품이 아니므로 과잉 설계 여부를 선택하십시오.

마이크로 컨트롤러로 최대 500µA를 측정하려고합니다. 로우 사이드 전류 감지 저항은 당신이 우리에게 말하지 않은 제약이 없다면 분명한 선택처럼 보입니다. 1kV를 사용하면 볼트 또는 몇 볼트를 떨어 뜨릴 수 있습니다.

500µA에서 3.0V를 원한다고 가정 해 봅시다. 수학하세요. (3.0V) / (500µA) = 6kΩ. 부하와 접지의 하단 사이에 0 ~ 500 µA를 나타내는 0 ~ 3.0 V 신호가 나타납니다.

주위에 큰 전압이 있으면이 3V 신호와 A / D 사이에 약간의 보호가 적용됩니다. 직렬 저항 다음에 접지 및 3.3V 또는 그 이상의 다이오드 클리핑을 추가하십시오.

12 비트 A / D (현재 마이크로 컨트롤러에 내장하기 쉬운)를 사용하면 약 122nA의 해상도를 얻을 수 있습니다. 충분하지 않은 경우, 대역폭이 충분히 낮은 경우 델타 시그마와 같은 외부 A / D를 사용하십시오.

추가

다이오드와 R4의 배치는 회로도에서 의미가 없습니다.

위에서 설명한 내용은 다음과 같습니다.

R2는 전류-전압 변환기입니다. 500µA에서 3.0V를 만듭니다. D1과 D2는 결과를 안전한 수준으로 자르고 R1은 임피던스를 제공합니다.

클리핑의 한가지 단점은 OUT의 임피던스가 높아진다는 것이다. 위의 OUT은 A / D 입력을 구동하기 전에 버퍼링해야합니다. 이것은 전압 추종자로서 opamp로 수행 할 수 있습니다.

어쨌든 opamp로 끝나기 때문에 R2를 낮추고 opamp를 사용하여 증폭하는 것을 고려할 수 있습니다. 그것이 합리적인지 여부는 우리가 말하지 않은 다양한 트레이드 오프에 달려 있습니다.

하나의 옵션은 부하와 직렬로 광 검출기를 사용하는 것입니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

이는 마이크로 컨트롤러에서 고전압을 완전히 분리 할 수 ​​있다는 이점이 있습니다.

주요 단점은 광절 연기의 전류 전송 비 (CTR)가 다양하므로 약간의 교정이 필요하다는 것입니다. 얼마나 정확한 측정이 필요한지에 따라 CTR이 100 % -1000 % 인 일부 일반 모델을 사용하지만 다소 비선형 응답을 사용할 수 있습니다. 정확도가 더 필요한 경우 선형화 된 광 절연 기가 있지만 CTR은 약 1 %에 불과합니다. 이는 증폭하는 대신 신호를 감쇠 시켰으며 저전압 측에 연산 증폭기를 추가해야한다는 것을 의미합니다.