Amplifier le courant haute tension nA

J'ai un circuit qui est essentiellement juste une source 1kV DC connectée à une très haute résistance ( contour de circuit de base ), dans lequel circule un courant dans la plage de 0,1nA à 500uA que j'essaie de mesurer en utilisant un Arduino (le courant varie parce que la résistance varie en raison de facteurs externes). J'ai eu l'idée d'utiliser ceci (ou similaire) connecté à un Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Cependant, cela fonctionne jusqu'à 26 V et n'a qu'une résolution de 0,8 mA.

Pour résoudre ce problème, j'ai d'abord pensé à utiliser un diviseur de potentiel pour avoir une section parallèle du circuit avec une tension réduite à ~ 13 V où l'INA219 peut aller ( section à tension réduite ), avec des résistances à haute résistance, donc essentiellement tout le courant circule dans cette section.

Cependant, je dois maintenant amplifier le courant dans cette section à une valeur que l'INA219 peut mesurer. Après avoir recherché les choses, j'ai pensé qu'une bonne idée serait une paire Darlington et je l'ai implémentée comme ceci: avec une paire Darlington . Cependant, je trouve qu'il n'y a pas d'amplification pour cela. Suis-je en train d'implémenter la paire Darlington de manière incorrecte ou cela ne fonctionne-t-il pas pour de si petits courants, ou une paire Darlington est-elle complètement la mauvaise idée ici d'amplifier le courant? Si ce n'est pas la bonne façon de procéder, quelle serait une bonne façon de mesurer le courant de ce circuit haute tension à faible courant avec un Arduino?

Edit: J'ai inclus un schéma du diagramme qui, je pense, est décrit par la réponse d'Olin Lathrop

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Ce serait le schéma auquel Olin pensait, avec quelques bonus.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Les Zeners peuvent avoir un courant de fuite assez élevé et vous avez besoin d'une protection avec une fuite très faible, car le courant que vous souhaitez mesurer est minuscule.

Ainsi, D3 créera une référence 3V avec une capacité de shunter l'excès de courant à la terre. D1 / D2 s'allumera uniquement en cas de problème. D1 et D2 sont des diodes au silicium normales, que vous devez sélectionner pour un faible courant de fuite.

L'éditeur schématique a utilisé 1N4148 mais selon la fiche technique, la fuite est assez élevée. Vous pouvez essayer le 1N3595 qui présente des fuites beaucoup plus faibles. J'ai choisi une pièce traversante à dessein, car il est plus facile d'avoir une faible fuite avec un trou traversant en raison de l'espacement des broches plus large ...

C1 fournit un filtrage passe-bas, si nécessaire. Sinon, retirez R5 / C1.

Notez que cela ne sera entièrement protégé contre un court-circuit à travers R1 que si R3 est capable de résister à 1 kV sans arc ou brûlure, ou si l'alimentation se coupe en raison d'une surintensité, etc.

Si votre alimentation 1 kV ne peut produire que quelques mA, les diodes D2-D3 protégeront l'ADC de votre micro, mais R2 / R3 se courberait et mourrait. Pièces pas très chères, donc votre choix de sur-concevoir ou non.

Vous souhaitez mesurer jusqu'à 500 µA avec un microcontrôleur. Une résistance de détection de courant côté bas semble être le choix évident sauf s'il y a des contraintes dont vous ne nous parlez pas. Avec 1 kV, il devrait être acceptable de laisser tomber un volt ou quelques-uns.

Disons que vous voulez 3,0 V à 500 µA. Faire le calcul. (3,0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Avec cela entre l'extrémité inférieure de la charge et la masse, vous obtiendrez un signal de 0 à 3,0 V indiquant 0 à 500 µA.

Avec la grande tension autour, je mettrais une certaine protection entre ce signal 3 V et l'A / D. Ajoutez une certaine résistance série suivie d'un écrêtage de la diode à la masse et 3,3 V ou quelque chose.

Avec un A / D 12 bits (facile à intégrer de nos jours dans un microcontrôleur), vous obtenez une résolution d'environ 122 nA. Si cela ne suffit pas, utilisez un A / D externe, comme delta-sigma si votre bande passante est suffisamment faible.

Ajoutée

Le placement des diodes et R4 n'a aucun sens dans votre schéma.

Voici ce que j'ai décrit ci-dessus:

R2 est le convertisseur courant-tension. Il fait 3,0 V à 500 µA. D1 et D2 écrêtent le résultat à un niveau sûr, et R1 leur fournit l'impédance contre laquelle travailler.

Un inconvénient de l'écrêtage est que l'impédance de OUT devient élevée. La sortie illustrée ci-dessus doit être mise en mémoire tampon avant de piloter une entrée A / N. Cela pourrait être fait avec un opamp comme suiveur de tension.

Puisque vous vous retrouvez de toute façon avec un ampli op, vous pouvez envisager d'abaisser R2 et d'utiliser l'ampli op pour amplifier. Que cela ait du sens dépend de divers compromis dont vous ne nous avez pas parlé.

Une option consiste à utiliser un optoisolateur en série avec la charge:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Cela a l'avantage que vous pouvez isoler complètement la haute tension de votre microcontrôleur.

Le principal inconvénient est que le rapport de transfert actuel (CTR) des optoisolateurs varie, il faudra donc un certain étalonnage. Selon la précision des mesures dont vous avez besoin, vous pouvez utiliser un modèle générique avec un CTR 100% -1000%, mais une réponse quelque peu non linéaire. Si vous avez besoin d'une précision supplémentaire, il existe des optoisolateurs linéarisés, mais leur CTR n'est que d'environ 1%, ce qui signifie qu'au lieu d'amplifier, vous avez atténué le signal et devez ajouter un amplificateur opérationnel du côté basse tension.