고전압 nA 전류 증폭


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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.

개략도

이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도


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1) 회로 그리기 도구 여기가 포함있어, 그것을 사용 . (falstad.com은 아이들을 위한 것입니다 ) 2) 달링턴은 전류를 증폭시키기 위해 여기에 완전히 잘못된 생각입니까? 음 그 이유는 전류 증폭이 매우 예측할 수 없기 때문 입니다. 3)보다 민감한 전류 센서를 사용하여 접지 측의 전류 측정을 고려해야합니다. 4) 전자 장치의 부족과 결합 된 1kV는 나를 두려워합니다 .
— Bimpelrekkie

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@Bimpelrekkie 1kV는 소스 저항에 따라 반드시 위험한 것은 아닙니다. 아시다시피 머리에 풍선을 비비면 더 높은 전압이 생성 될 수 있습니다.
— τεκ December

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@ τεκ 맞습니다. 1kv가 숙련 된 손에 반드시 위험한 것은 아닙니다. 그러나, 그것은 새로운 손에 파괴적이고 극적인 수 있습니다 ...
— M.Ferru

아뇨, 그건 제가 설명한 것이 아닙니다. 내 답변 이외에도 참조하십시오.
— Olin Lathrop

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@Bimpelrekkie 내장 회로 편집기를 사용하지 않고 Falstad를 선호하는 사람 과 논쟁을해야합니다 .
— user253751

답변:


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이것은 몇 가지 보너스와 함께 Olin이 생각한 회로도입니다.

개략도

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.


매우 유용한 정보 감사합니다. 간단히 설명하자면, "[...] R1에서 단락에 대해 완전히 보호되어야합니다 [...]"R1의 단락으로부터 보호하기 위해 저항과 커패시터 만있는 여분의 부품입니까? 이 경우 R1의 단락이 물리적으로 불가능하기 때문에 (이를 언급하지 않은 것에 대해 사과하지만 그것이 답변과 관련이 있음을 알지 못했습니다). 다시 감사합니다.
— Jack

공급 장치에 충분한 출력 전류가 있지만 마이크로에 해를 끼치 지 않으면 R1에서 짧은 단락으로 R2 / R3을 태울 것입니다. 부분적으로 아무것도에 ...
— peufeu

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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.


전압계가 직렬로 표시됩니다. 어떻게 작동합니까?
— evildemonic

답변 주셔서 감사합니다. 나는 당신이 질문에서 당신이 생각하는 것의 회로도를 포함 시켰습니다. 이것이 올바른 방향입니까? (저는 다이오드와 저항으로 보호하여 의미하는 바를 잘못 해석했다고 확신합니다)
— Jack

@evil : 응? 어떤 전압계? 나는 전압계에 대해 아무 말도하지 않았으며, 그것이 당신이 그것이 무엇과 관련이 있다고 생각하는지, 또는 왜 그것이 나쁜지 전혀 모른다.
— Olin Lathrop

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@OlinLathrop 악은 내가 만든 잘못된 회로도를 참조한 것 같습니다. 여분의 정교함을 가져 주셔서 감사합니다.
— Jack

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올바른 다이오드를 선택할 때 고려해야 할 사항 중 하나는 역전 류가 낮은 것을 선택하는 것입니다. 이는 측정이 실제로 정확한지 확인하는 것입니다.
— Ferrybig

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하나의 옵션은 부하와 직렬로 광 검출기를 사용하는 것입니다.

개략도

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.

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