Circuito para medir la tensión continua de alta tensión (hasta 1000 V)

Question

Soy estudiante de último curso de E&E y estoy intentando construir un medidor de potencia que debe ser capaz de medir tensiones continuas bastante altas, de hasta 1000 V CC. Estoy midiendo con un simple ADC de 12 bits que tiene un rango de tensión de entrada de 0 - 2,5 V. ¿Sería un simple divisor de tensión y op-amp buffer suficiente para la aplicación o hay otro tipo de circuitos analógicos frontales necesarios porque el voltaje es tan alto?

Answer 1

Un divisor de resistencias hará lo que quieres, pero a este voltaje hay algunos problemas que normalmente puedes ignorar:

3. La resistencia superior debe poder soportar 1 kV. Son más difíciles de conseguir que las resistencias "normales", y a menudo no son lineales con la tensión en el extremo superior.

4. Disipación de potencia. Incluso lo que normalmente sería una resistencia "grande", como 1 MΩ, disipa un vatio entero cuando se le aplica 1 kV.

5. Se necesita una distancia física entre dos puntos que tengan un kV entre ellos por seguridad y para evitar la formación de arcos en el aire.

Por todas estas razones, yo implementaría la resistencia superior del divisor de tensión con varias resistencias más ordinarias en serie. Por ejemplo, las resistencias 0805 suelen tener un valor nominal de 150 V (tu trabajo es comprobar la hoja de datos). Diez resistencias 0805 de 1 MΩ en serie, colocadas físicamente extremo con extremo, pueden utilizarse como una resistencia de 1 kV y 10 MΩ. La tensión a través de cada resistencia será de 100 V o menos, lo que las mantiene dentro de las especificaciones.

En conjunto, la cadena de resistencias de 10 MΩ sólo disipa 100 mW, por lo que cada resistencia individual sólo 10 mW. Aquí no hay problema.

Con una resistencia superior de 10 MΩ, la resistencia inferior del divisor sería idealmente de 25,06 kΩ para obtener 2,50 V de salida con 1000 V de entrada. Quieres tener un poco de margen por encima de la especificación de tensión de entrada máxima de 1000 V, por lo que una resistencia inferior de 24 kΩ o incluso un poco más baja debería ser suficiente.

La impedancia de salida de un divisor con una relación tan alta es básicamente el valor de la resistencia inferior. 24 kΩ puede ser demasiado alto para algunos A / D, por lo que es posible que desee amortiguar esto con un opamp utilizado como seguidor de tensión.

Answer 2

Sí, puedes utilizar un divisor de tensión (de hecho, hay pocos otros enfoques prácticos).

Necesitará utilizar una resistencia de precisión para la resistencia de alto valor que es clasificado para funcionar con seguridad a 1000V. No pase por alto este detalle. También tendrá que seguir las recomendaciones sobre el diseño, lo que podría implicar el fresado de una ranura de aislamiento debajo de la resistencia para aumentar la distancia de fuga a menos que la propia resistencia sea realmente larga, y sin duda implicará otras consideraciones de PCB en la entrada de alto voltaje.

La resistencia total del divisor estará limitada por la impedancia de salida que necesites conseguir, y eso lo determinará el ADC si intentas ir directamente a la entrada del ADC. Lo más probable es que esto no sea deseable porque (para una precisión completa) el ADC necesita ver unos pocos K ohmios en su entrada. Digamos que es 2.5K. Entonces necesitarás usar 1M (o menos) para la resistencia de alto valor, y disipará 1W (o más) a 1000VDC - no es bueno para la precisión (y carga la entrada significativamente - 1mA @1kV).

Puede ser mejor utilizar un op-amp buffer en la entrada del ADC, lo que te permite usar más como 10M y 25K.

Si tiene tensiones de alimentación más altas en su sistema puede haber una pequeña ventaja en dividir a un voltaje más alto, como 10V con una alimentación de 15V y luego amortiguar y utilizar un segundo divisor pasivo para bajar a 2,5V, pero probablemente no es necesario con sólo 12 bits de resolución. Reduciría el efecto del offset del op-amp y la deriva del offset, a costa de involucrar dos resistencias más en el presupuesto de error (pero la de alto voltaje debería ser tu principal fuente de preocupación).

Answer 3

Recuerda que todo divisor resistivo tiene un divisor capacitivo parásito. Dependiendo del diseño físico de las resistencias que se utilicen, la relación de este divisor puede ser muy diferente de la relación resistiva; esto puede hacer que aparezcan picos de tensión sorprendentemente altos en las entradas del circuito integrado, por lo que debe bloquear las entradas del circuito integrado a niveles seguros con diodos rápidos y/o compensar el divisor (tal vez "sobrecompensarlo" con un condensador grande a través de la resistencia inferior).

Answer 4

El problema con un divisor va a ser V 2 /R (la potencia nominal). A 1000V, dividiéndolo a 2.5V, tu deltaV va a ser 997.5V. Incluso si utilizas una resistencia de 1 MegaOhm, estás hablando de utilizar una resistencia de 1W, y en la práctica no quieres una resistencia tan grande porque va a ser una fracción apreciable de la impedancia de entrada de tu amplificador operacional, y va a afectar a la precisión de la medición. A 100kOhms, usted va a estar buscando más de 10W, y probablemente tendrá que organizar una combinación de resistencias en serie y en paralelo que le dan la resistencia efectiva que está buscando, mientras que la distribución de los requisitos de disipación de potencia.

El otro problema va a ser el rango dinámico. Vas a dividir 1000V a 2.5V, un factor de 400. Eso significa que una señal natural de 1V se va a manifestar a tu ADC como una señal de 0,0025. Su resolución de voltaje ingenuo con un 2.5V @ 12-bit ADC es 2.5/2 12 \= 0,000610352V/LSB, pero tu número de bits efectivos es probablemente más cercano a 10, o 0,002441406V/LSB. Así que no hay problema, siempre y cuando aceptes que el límite inferior de tu medición va a estar en torno a 1V. Las técnicas de promediado pueden mejorar la resolución efectiva de la tensión, a costa de reducir la resolución temporal o distorsionar la señal en el dominio del tiempo.

Answer 5

La forma de hacerlo con un "multímetro" sería cargar un condensador con una resistencia grande y muestrearlo periódicamente para poder calcular la tensión de alimentación. Obviamente, es necesario sujetar la tensión por debajo de la tensión nominal máxima del condensador y también se necesita una manera de descargar el condensador. La descarga de un simple transistor (o mosfet) no dará los resultados ideales, ya que ningún semiconductor tiene una tensión ec o ds nula. Pero eso probablemente sea entrar en demasiados detalles.

La ventaja de hacer esto es que se obtiene un amplio rango de voltaje viable, un divisor de resistencia recto adecuado para 1kV no es muy útil para medir 1V..

Para el divisor de resistencias en serie de megaohmios, calcula la resistencia y la tensión de Thevenin. En esencia, rth es el divisor de tensión superior/inferior en paralelo y vth es la tensión de salida del divisor. Esto le dará la impedancia de salida y la corriente que fluye en el opamp/adc.