Circuit de mesure de tension continue haute tension (jusqu'à 1000V)

Je suis un étudiant en E&E de dernière année et j'essaie de construire un wattmètre qui doit être capable de mesurer des tensions CC assez élevées, jusqu'à 1000 V CC. Je mesure avec un simple CAN 12 bits qui a une plage de tension d'entrée de 0 à 2,5 V. Un simple diviseur de tension et un tampon d'amplificateur opérationnel seraient-ils suffisants pour l'application ou existe-t-il un autre type de circuit analogique frontal nécessaire parce que le la tension est-elle élevée?

Un diviseur de résistance fera ce que vous voulez, mais à cette tension, vous pouvez normalement ignorer certains problèmes:

1. La résistance supérieure doit pouvoir supporter 1 kV. Celles-ci sont plus difficiles à obtenir que les résistances "ordinaires" et ne sont souvent pas linéaires avec une tension à l'extrémité supérieure.

2. Dissipation de puissance. Même ce qui serait normalement une "grande" résistance, comme 1 MΩ, dissipe un watt entier quand 1 kV lui est appliqué.

3. Vous avez besoin d'une distance physique entre deux points qui ont un kV entre eux pour la sécurité et pour éviter les arcs dans l'air.

Pour toutes ces raisons, j'implémenterais la résistance supérieure du diviseur de tension avec plusieurs résistances plus ordinaires en série. Par exemple, les résistances 0805 sont généralement conçues pour 150 V (votre travail pour vérifier la fiche technique). Dix résistances de 1 MΩ 0805 en série, disposées physiquement bout à bout, peuvent être utilisées comme résistance de 1 kV 10 MΩ. La tension aux bornes de chaque résistance sera de 100 V ou moins, ce qui les maintiendra dans les spécifications.

Tous ensemble, la chaîne de résistances de 10 MΩ dissipe seulement 100 mW, donc chaque résistance individuelle ne fait que 10 mW. Pas de problème ici.

Avec une résistance supérieure de 10 MΩ, la résistance inférieure du diviseur serait idéalement de 25,06 kΩ pour obtenir une sortie de 2,50 V avec 1000 V en entrée. même une petite résistance inférieure devrait le faire.

L'impédance de sortie d'un diviseur avec un rapport aussi élevé est fondamentalement la valeur de résistance inférieure. 24 kΩ peuvent être trop élevés pour certains A / N, vous pouvez donc vouloir les tamponner avec un ampli-op utilisé comme suiveur de tension.

Oui, vous pouvez utiliser un diviseur de tension (en fait, il existe peu d'autres approches pratiques).

Vous devrez utiliser une résistance de précision pour la résistance de haute valeur qui est conçue pour fonctionner en toute sécurité à 1000 V. Ne négligez pas ce détail. Vous devrez également suivre les recommandations de mise en page, ce qui pourrait impliquer le fraisage d'une fente d'isolement sous la résistance pour augmenter la ligne de fuite à moins que la résistance elle-même ne soit vraiment longue, et impliquera certainement d'autres considérations de PCB à l'entrée haute tension.

La résistance globale du diviseur sera limitée par l'impédance de sortie que vous devez atteindre, et celle-ci sera déterminée par l'ADC si vous essayez d'entrer directement dans l'entrée ADC. Très probablement, cela ne sera pas souhaitable car (pour une précision totale), le CAN doit voir quelques K ohms à son entrée. Disons que c'est 2,5K. Ensuite, vous devrez utiliser 1M (ou moins) pour la résistance de haute valeur, et elle dissipera 1W (ou plus) à 1000VDC - pas génial pour la précision (et elle charge l'entrée de manière significative - 1mA @ 1kV).

Il peut être préférable d'utiliser un tampon d'amplificateur opérationnel haute performance à l'entrée ADC, vous permettant d'utiliser plus comme 10M et 25K.

Si vous avez des tensions d'alimentation plus élevées dans votre système, il peut y avoir un petit avantage à se diviser en une tension plus élevée, comme 10 V avec une alimentation de 15 V, puis en tamponnant et en utilisant un deuxième diviseur passif pour descendre à 2,5 V, mais ce n'est probablement pas le cas. nécessaire avec une résolution de 12 bits seulement. Cela réduirait l'effet du décalage de l'ampli op et de la dérive du décalage, au prix d'impliquer deux autres résistances dans le budget d'erreur (mais celle à haute tension devrait être votre principale source de préoccupation).

N'oubliez pas que chaque diviseur résistif possède un diviseur capacitif parasite. Selon les conceptions de résistances physiques utilisées, le rapport de ce diviseur peut être très différent du rapport résistif; cela peut faire apparaître des pointes de tension étonnamment élevées à vos entrées CI, vous devez donc fixer vos entrées CI à des niveaux sûrs avec des diodes rapides et / ou compenser le diviseur (peut-être le "surcompenser" avec un gros condensateur à travers la résistance inférieure).

Le problème avec un diviseur va être V ² / R (la puissance nominale). À 1000V, en le divisant à 2,5V, votre deltaV va être 997,5V. Même si vous utilisez une résistance de 1 mégohm, vous parlez d'utiliser une résistance de 1 W, et dans la pratique, vous ne voulez pas d'une résistance aussi grande car cela va être une fraction appréciable de votre impédance d'entrée d'ampli-op, et jetez de votre précision de mesure. À 100kOhms, vous ressemblerez davantage à 10W, et vous devrez probablement organiser une combinaison de résistances parallèles et en série qui vous donneront la résistance efficace que vous recherchez tout en distribuant les exigences de dissipation de puissance.

L'autre problème va être la plage dynamique. Vous allez diviser 1000V à 2,5V, donc un facteur de 400. Cela signifie qu'un signal naturel de 1V va se manifester à votre ADC en tant que signal 0,0025. Votre résolution de tension naïve avec un ADC de 2,5 V à 12 bits est de 2,5 / 2 ¹² = 0,000610352V / LSB, mais votre nombre de bits effectifs est probablement plus proche de 10, soit 0,002441406V / LSB. Vous êtes donc bon tant que vous acceptez que la limite inférieure de votre mesure se situe autour de 1V. Les techniques de moyenne peuvent améliorer votre résolution de tension effective, au prix d'une réduction de votre résolution temporelle / d'une distorsion de votre signal dans le domaine temporel.

Pour ce faire, un "multimètre" consisterait à charger un condensateur avec une grande résistance et à l’échantillonner périodiquement afin que vous puissiez déterminer la tension de commande. décharger le condensateur. Une simple décharge à transistor (ou mosfet) ne donnera pas de résultats idéaux car aucun semiconducteur n'a une tension nulle ou négative. Mais c'est probablement entrer dans trop de détails.

L'avantage de cela est que vous obtenez une large plage de tension utilisable, un diviseur de résistance droit adapté à 1kV n'est pas très utile pour mesurer 1V ..

Pour le diviseur de résistance de la série mégaohm, déterminez la résistance et la tension du four. En substance, rth est juste le diviseur de tension haut / bas en parallèle et vth est la tension de sortie du diviseur. Cela vous donnera l'impédance de sortie et le courant circulant dans l'opamp / adc.