Schaltung zur Messung von Hochvolt-Gleichspannung (bis 1000V)

Ich bin E&E-Student im Abschlussjahr und versuche, einen Leistungsmesser zu bauen, der in der Lage sein muss, ziemlich hohe Gleichspannungen von bis zu 1000 V DC zu messen. Ich messe mit einem einfachen 12-Bit-ADC, der einen Eingangsspannungsbereich von 0 - 2,5 V hat. Würde ein einfacher Spannungsteiler und Operationsverstärkerpuffer für die Anwendung ausreichen oder wird eine andere Art von analoger Front-End-Schaltung benötigt, weil die Spannung ist so hoch?

Es könnte für Sie lehrreich sein, sich anzusehen, wie richtige Multimeter mit einer Nennspannung von 1000 V gebaut werden. Auch diese verwenden einen Spannungsteiler für die Hochspannungsbereiche. Schauen Sie sich einige der Videos im EEVBlog an, um Beispiele für sichere Hochspannungsschaltkreise zu sehen. Google nach "eevblog multimeter teardown" und du wirst viele finden.
@Eduan Shuda: was ist die min. Eingangsimpedanz, die Sie tolerieren können? Das könnte eine wichtige Designanforderung sein.
Hoffentlich haben Sie im Rahmen Ihres Studiums eine angemessene Ausbildung im Umgang mit Hochspannung erhalten. An diejenigen, die bei der Google-Suche auf diese Frage stoßen: Probieren Sie diese nicht zu Hause aus!
Fügen Sie einen GROßEN WATT-Zener von der Unterseite der Teilerkette zum Boden hinzu. Vzener etwa 2 x Spannung max an diesem Punkt. Dies KANN Ihre Elektronik retten, WENN etwas schief geht.

Antworten (5)

Ein Widerstandsteiler wird tun, was Sie wollen, aber bei dieser Spannung gibt es einige Probleme, die Sie normalerweise ignorieren können:

  1. Der obere Widerstand muss 1 kV vertragen können. Diese sind schwerer zu bekommen als "normale" Widerstände und sind am oberen Ende oft nicht linear mit der Spannung.

  2. Energieverschwendung. Selbst was normalerweise ein "großer" Widerstand wäre, wie 1 MΩ, verbraucht ein ganzes Watt, wenn 1 kV daran angelegt wird.

  3. Sie benötigen aus Sicherheitsgründen und um Lichtbögen durch die Luft zu verhindern, einen physischen Abstand zwischen zwei Punkten, zwischen denen ein kV-Wert besteht.

Aus all diesen Gründen würde ich den oberen Widerstand des Spannungsteilers mit mehreren gewöhnlicheren Widerständen in Reihe implementieren. Beispielsweise sind 0805-Widerstände normalerweise für 150 V ausgelegt (Ihre Aufgabe, das Datenblatt zu überprüfen). Zehn 1-MΩ-0805-Widerstände in Reihe, physisch Ende an Ende angeordnet, können als 1-kV-10-MΩ-Widerstand verwendet werden. Die Spannung an jedem Widerstand beträgt 100 V oder weniger, wodurch sie innerhalb der Spezifikation bleiben.

Insgesamt verbraucht die 10-MΩ-Widerstandskette nur 100 mW, jeder einzelne Widerstand also nur 10 mW. Kein Problem hier.

Bei einem oberen Widerstand von 10 MΩ wäre der untere Widerstand des Teilers idealerweise 25,06 kΩ, um 2,50 V Ausgang mit 1000 V Eingang zu erhalten. Sie möchten etwas Headroom über der maximalen Eingangsspannungsspezifikation von 1000 V haben, also 24 kΩ oder sogar ein kleiner unterer unterer Widerstand sollte es tun.

Die Ausgangsimpedanz eines Teilers mit einem so hohen Verhältnis ist im Grunde der untere Widerstandswert. 24 kΩ können für einige A/Ds zu hoch sein, daher sollten Sie dies möglicherweise mit einem Operationsverstärker puffern, der als Spannungsfolger verwendet wird.

Ich habe das auf Anraten meines damaligen Vorgesetzten gemacht, und es hat gut funktioniert. Mehrere Hochleistungsverlustwiderstände für den "oberen" Widerstand

Ja, Sie können einen Spannungsteiler verwenden (tatsächlich gibt es nur wenige andere praktische Ansätze).

Sie müssen einen Präzisionswiderstand für den hochohmigen Widerstand verwenden, der für einen sicheren Betrieb bei 1000 V ausgelegt ist. Übersehen Sie dieses Detail nicht. Sie müssen auch die Empfehlungen zum Layout befolgen, was das Fräsen eines Isolationsschlitzes unter dem Widerstand beinhalten kann, um die Kriechstrecke zu erhöhen, es sei denn, der Widerstand selbst ist wirklich lang, und erfordert definitiv andere PCB-Überlegungen am Hochspannungseingang.

Der Gesamtwiderstand des Teilers wird durch die Ausgangsimpedanz begrenzt, die Sie erreichen müssen, und diese wird durch den ADC bestimmt, wenn Sie versuchen, direkt in den ADC-Eingang zu gehen. Höchstwahrscheinlich ist dies nicht wünschenswert, da der ADC (für volle Genauigkeit) einige kOhm an seinem Eingang sehen muss. Angenommen, es sind 2,5 K. Dann müssen Sie 1 M (oder weniger) für den Widerstand mit hohem Wert verwenden, und er wird 1 W (oder mehr) bei 1000 VDC abführen - nicht gut für die Genauigkeit (und er belastet den Eingang erheblich - 1 mA bei 1 kV).

Es kann besser sein, einen Hochleistungs -Op-Amp-Puffer am ADC-Eingang zu verwenden, sodass Sie eher 10 MB und 25 KB verwenden können.

Wenn Sie höhere Versorgungsspannungen in Ihrem System haben, kann es einen kleinen Vorteil geben, auf eine höhere Spannung zu teilen, z. B. 10 V mit einer 15-V-Versorgung, und dann zu puffern und einen zweiten passiven Teiler zu verwenden, um auf 2,5 V herunterzukommen, aber das ist es wahrscheinlich nicht bei nur 12-bit Auflösung notwendig. Dies würde den Effekt von Operationsverstärker-Offset und Offset-Drift verringern, auf Kosten der Einbeziehung von zwei weiteren Widerständen in das Fehlerbudget (aber der Hochspannungswiderstand sollte Ihre Hauptsorgenquelle sein).

Denken Sie daran, dass jeder Widerstandsteiler einen parasitären kapazitiven Teiler hat. Je nachdem, welche physikalischen Widerstandsdesigns verwendet werden, kann das Verhältnis dieses Teilers stark vom Widerstandsverhältnis abweichen; Dies kann zu überraschend hohen Spannungsspitzen an Ihren IC-Eingängen führen, daher sollten Sie Ihre IC-Eingänge mit schnellen Dioden auf sichere Pegel klemmen und / oder den Teiler kompensieren (möglicherweise mit einem großen Kondensator über dem unteren Widerstand "überkompensieren").

.. Laden Sie Ihre Eingangsschaltung am besten mit einer schnellen Rechteckwelle und überprüfen Sie, was Ihr IC-Eingang tatsächlich auf einem Oszilloskop erhält (verwenden Sie eine 1: 100- oder aktive Sonde, Sie möchten nicht, dass die Sondenkapazität mit Dingen in Konflikt gerät!) - falls vorhanden ist ein erhebliches Überschwingen oder Klingeln, was bedeutet, dass Ihre IC-Eingänge mehr bekommen könnten, als sie in dem Moment aufnehmen können, in dem der Spannungsteiler plötzlich mit etwas verbunden wird.

Das Problem mit einem Teiler wird V 2 /R (die Nennleistung) sein. Bei 1000 V, wenn Sie es auf 2,5 V herunterteilen, beträgt Ihr deltaV 997,5 V. Selbst wenn Sie einen 1-Megaohm-Widerstand verwenden, sprechen Sie von der Verwendung eines 1-W-Widerstands, und in der Praxis möchten Sie keinen so großen Widerstand, da er einen nennenswerten Bruchteil der Eingangsimpedanz Ihres Operationsverstärkers ausmacht und wirft weg von Ihrer Messgenauigkeit. Bei 100 kOhm sehen Sie eher wie 10 W aus, und Sie müssen wahrscheinlich eine Kombination aus Parallel- und Reihenwiderständen organisieren, die Ihnen den effektiven Widerstand geben, den Sie anstreben, während Sie die Anforderungen an die Verlustleistung verteilen.

Das andere Problem wird der Dynamikbereich sein. Sie teilen 1000 V auf 2,5 V herunter, also einen Faktor von 400. Das bedeutet, dass sich ein natürliches 1-V-Signal für Ihren ADC als 0,0025-Signal manifestiert. Ihre naive Spannungsauflösung mit einem 2,5 V @ 12-Bit-ADC beträgt 2,5/2 12 = 0,000610352 V / LSB, aber Ihre Anzahl effektiver Bits liegt wahrscheinlich näher bei 10 oder 0,002441406 V / LSB. Sie sind also gut, solange Sie akzeptieren, dass die Untergrenze Ihrer Messung bei etwa 1 V liegen wird. Mittelungstechniken können Ihre effektive Spannungsauflösung verbessern, auf Kosten der Reduzierung Ihrer Zeitauflösung / Verzerrung Ihres Signals im Zeitbereich.

Ein 1-Megohm-Widerstand verringert die Genauigkeit nicht. Denn was in Wirklichkeit verglichen werden muss, ist der Eingangsstromverlust des Operationsverstärkers mit dem Strom, der durch den Teiler fließt, nicht die Impedanzen. Bei 1000 V sollte das OP also mit noch größeren Widerständen (etwa 10 MB) in Ordnung sein.
Sie können 10 x 100 kΩ anstelle von 1 MΩ verwenden, um die Verlustleistung um den Faktor 10 zu verteilen. Das ergibt 100 mW pro Widerstand.
@dim: stimmt. IOW, die Ausgangsimpedanz eines Spannungsteilers wird vom kleineren der beiden Widerstände dominiert. Was mit ≈ 10 kΩ in einem hervorragenden Bereich für jFET-Eingänge liegt.
Einverstanden, die Eingangsimpedanz ist weniger problematisch als ich ursprünglich vorgeschlagen hatte
@leftaroundabout Eigentlich denke ich, dass es eher so etwas wie "die parallele Kombination beider Widerstände des Teilers" ist . Was, wenn Sie ein riesiges und ein viel kleineres haben, in der Tat dem kleinsten sehr nahe kommt.
@dim ja, das meinte ich. Was Sie immer sagen können, ist, dass die Impedanz eines Teilers niemals einen der einzelnen Widerstände überschreitet. Wenn also einer von ihnen klein ist, reicht dies aus, damit auch die Ausgangsimpedanz klein ist.

Eine "Multimeter" -Methode wäre, einen Kondensator mit einem großen Widerstand aufzuladen und ihn regelmäßig abzutasten, damit Sie die Ansteuerspannung ermitteln können. Offensichtlich müssen Sie die Spannung unter die maximale Nennspannung des Kondensators klemmen, und Sie benötigen auch eine Möglichkeit dazu Kondensator entladen. Eine einfache Transistor- (oder Mosfet-) Entladung liefert keine idealen Ergebnisse, da kein Halbleiter eine ec- oder ds-Spannung von Null hat. Aber das geht jetzt wahrscheinlich zu sehr ins Detail.

Der Vorteil dabei ist, dass Sie einen breiten nutzbaren Spannungsbereich erhalten, ein gerader Widerstandsteiler, der für 1 kV geeignet ist, ist zum Messen von 1 V nicht sehr nützlich.

Berechnen Sie für den Megaohm-Reihenwiderstandsteiler den Thevenin-Widerstand und die Spannung. Im Wesentlichen ist rth nur der Spannungsteiler oben / unten parallel und vth ist die Teilerausgangsspannung. Dadurch erhalten Sie die Ausgangsimpedanz und den Strom, der in den Operationsverstärker / Adc fließt.

Schaltung zur Messung von Hochvolt-Gleichspannung (bis 1000V)
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