Verstärken von Hochspannungs-nA-Strom

Dies wäre der Schaltplan, an den Olin dachte, mit ein paar Boni.

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Zener können einen ziemlich hohen Leckstrom haben, und Sie benötigen einen Schutz mit sehr geringem Leckstrom, da der Strom, den Sie messen möchten, winzig ist.

D3 erzeugt also eine 3-V-Referenz mit der Fähigkeit, überschüssigen Strom auf Masse abzuleiten. D1/D2 schaltet sich nur ein, wenn etwas schief geht. D1 und D2 sind normale Siliziumdioden, die Sie für einen niedrigen Leckstrom auswählen sollten.

Der Schaltplaneditor verwendete 1N4148, aber laut Datenblatt ist die Leckage ziemlich hoch. Sie könnten 1N3595 ausprobieren, das eine viel geringere Leckage aufweist. Ich habe absichtlich ein Durchgangslochteil ausgewählt, weil es aufgrund des größeren Stiftabstands einfacher ist, eine geringe Leckage mit Durchgangsloch zu haben ...

C1 bietet bei Bedarf eine Tiefpassfilterung. Wenn nicht, entfernen Sie R5/C1.

Beachten Sie, dass dies nur dann vollständig gegen einen Kurzschluss an R1 geschützt ist, wenn R3 1 kV ohne Lichtbogenbildung oder Verbrennung standhalten kann oder wenn die Versorgung aufgrund von Überstrom usw. abgeschaltet wird.

Wenn Ihre 1-kV-Versorgung nur wenige mA ausgeben kann, schützen die Dioden D2-D3 den ADC Ihres Mikros, aber R2 / R3 würde einen Lichtbogen bilden und sterben. Nicht sehr teure Teile, also haben Sie die Wahl, ob Sie überdesignen oder nicht.

Sie wollen mit einem Mikrocontroller bis zu 500 µA messen. Ein Low-Side-Strommesswiderstand scheint die offensichtliche Wahl zu sein, es sei denn, es gibt Einschränkungen, von denen Sie uns nichts mitteilen. Bei 1 kV sollte es akzeptabel sein, ein oder wenige Volt abfallen zu lassen.

Angenommen, Sie möchten 3,0 V bei 500 µA. Rechne nach. (3,0 V)/(500 µA) = 6 kΩ. Damit erhalten Sie zwischen dem unteren Ende der Last und Masse ein 0 bis 3,0 V-Signal, das 0 bis 500 µA anzeigt.

Bei der großen Spannung würde ich einen gewissen Schutz zwischen diesem 3-V-Signal und dem A / D setzen. Fügen Sie einen Serienwiderstand hinzu, gefolgt von einer Diodenbegrenzung auf Masse und 3,3 V oder so.

Mit einem 12-Bit-A/D (heutzutage leicht in einen Mikrocontroller eingebaut) erhalten Sie eine Auflösung von etwa 122 nA. Wenn das nicht gut genug ist, verwenden Sie einen externen A/D wie Delta-Sigma, wenn Ihre Bandbreite niedrig genug ist.

Hinzugefügt

Die Platzierung der Dioden und R4 macht in Ihrem Schaltplan keinen Sinn.

Hier ist, was ich oben beschrieben habe:

R2 ist der Strom-Spannungswandler. Es macht 3,0 V bei 500 µA. D1 und D2 begrenzen das Ergebnis auf ein sicheres Niveau, und R1 stellt die Impedanz bereit, gegen die sie arbeiten können.

Ein Nachteil des Clippings besteht darin, dass die Impedanz von OUT hoch wird. Der oben gezeigte OUT muss gepuffert werden, bevor ein A/D-Eingang angesteuert wird. Dies könnte mit einem Operationsverstärker als Spannungsfolger erfolgen.

Da Sie sowieso einen Operationsverstärker darin haben, können Sie erwägen, R2 zu senken und den Operationsverstärker zum Verstärken zu verwenden. Ob das sinnvoll ist, hängt von verschiedenen Kompromissen ab, von denen Sie uns nichts erzählt haben.

Eine Möglichkeit besteht darin, einen Optoisolator in Reihe mit der Last zu verwenden:

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Dies hat den Vorteil, dass Sie die Hochspannung vollständig von Ihrem Mikrocontroller trennen können.

Der Hauptnachteil besteht darin, dass das Stromübertragungsverhältnis (CTR) von Optoisolatoren variiert, sodass eine gewisse Kalibrierung erforderlich ist. Je nachdem, wie genau Sie die Messung benötigen, können Sie ein generisches Modell mit 100 % bis 1000 % CTR, aber etwas nichtlinearer Reaktion verwenden. Wenn Sie zusätzliche Genauigkeit benötigen, gibt es linearisierte Optoisolatoren, deren CTR jedoch nur etwa 1 % beträgt, was bedeutet, dass Sie das Signal anstelle einer Verstärkung gedämpft haben und einen Operationsverstärker auf der Niederspannungsseite hinzufügen müssten.