Soy un estudiante de E & E de último año y estoy tratando de construir un medidor de potencia que debe ser capaz de medir voltajes de CC bastante altos, hasta 1000 V DC. Estoy midiendo con un simple ADC de 12 bits que tiene un rango de voltaje de entrada de 0 a 2.5 V. ¿Sería suficiente un divisor de voltaje simple y un búfer de amplificador operacional para la aplicación o hay otro tipo de circuitos analógicos frontales necesarios debido a que el voltaje es tan alto?
Un divisor de resistencia hará lo que quieras, pero a este voltaje hay algunos problemas que normalmente puedes ignorar:
Debido a todas estas razones, implementaría la resistencia superior del divisor de voltaje con varias resistencias más comunes en serie. Por ejemplo, las resistencias 0805 generalmente se clasifican para 150 V (su trabajo para verificar la hoja de datos). Se puede usar una resistencia de 1 M 1 0805 en serie, dispuesta físicamente de extremo a extremo, como resistencia de 1 kV 10 MΩ. El voltaje en cada resistencia será de 100 V o menos, lo que los mantiene dentro de las especificaciones.
En conjunto, la cadena de resistencias de 10 MΩ solo disipa 100 mW, por lo que cada resistencia individual solo 10 mW. No hay problema aquí.
Con una resistencia superior de 10 MΩ, la resistencia inferior del divisor sería idealmente de 25.06 kΩ para obtener una salida de 2.50 V con 1000 V in. Usted quiere tener un poco de altura por encima de la especificación de voltaje de entrada máxima de 1000 V, por lo que 24 kΩ o incluso una resistencia inferior inferior debería hacerlo.
La impedancia de salida de un divisor con una relación tan alta es básicamente el valor de resistencia inferior. Es posible que 24 kΩ sea demasiado alto para algunos A / D, por lo que es posible que desee amortiguar esto con un sensor de acción utilizado como seguidor de voltaje.
Sí, puede usar un divisor de voltaje (de hecho, hay algunos otros enfoques prácticos).
Necesitará utilizar una resistencia de precisión para la resistencia de alto valor que está clasificada para operar de manera segura a 1000V. No pase por alto este detalle. También tendrá que seguir las recomendaciones de diseño, que pueden implicar el fresado de una ranura de aislamiento debajo de la resistencia para aumentar la distancia de fuga a menos que la resistencia en sí sea realmente larga, y definitivamente involucre otras consideraciones de PCB en la entrada de alto voltaje.
La resistencia general del divisor estará limitada por la impedancia de salida que necesita alcanzar, y eso será determinado por el ADC si intenta ingresar directamente a la entrada del ADC. Lo más probable es que esto no sea deseable porque (para mayor precisión) el ADC necesita ver algunos K ohms en su entrada. Digamos que es 2.5K. Entonces deberá usar 1M (o menos) para la resistencia de alto valor, y se disipará 1W (o más) a 1000VDC. No es muy bueno para la precisión (y carga la entrada de manera significativa: 1mA a 1kV).
Puede ser mejor usar un búfer op-amp de alto rendimiento en la entrada del ADC, permitiéndole usar más como 10M y 25K.
Si tiene mayores voltajes de suministro en su sistema, puede haber una pequeña ventaja en dividir a un voltaje más alto, como 10V con un suministro de 15V y luego almacenar en búfer y usar un segundo divisor pasivo para bajar a 2.5V, pero Probablemente no sea necesario con solo una resolución de 12 bits. Reduciría el efecto de la desviación del offset y la desviación del amplificador operacional, al costo de involucrar a dos resistencias más en el presupuesto de error (pero el de alto voltaje debería ser su principal fuente de preocupación).
Recuerde que cada divisor resistivo tiene un divisor capacitivo parásito. Dependiendo de los diseños de resistencias físicas que se usen, la relación de este divisor puede ser muy diferente de la relación resistiva; esto puede hacer que aparezcan picos de alto voltaje sorprendentemente altos en sus entradas de IC, por lo que debe sujetar sus entradas de IC a niveles seguros con diodos rápidos y / o compensar el divisor (tal vez "compensarlo" con un condensador grande a través del resistor inferior).
El problema con un divisor será V 2 / R (la potencia nominal). A 1000 V, dividiéndolo en 2.5 V, su deltaV será 997.5V. Incluso si usa una resistencia de 1 MegaOhm, está hablando de usar una resistencia de 1W, y en la práctica no desea una resistencia tan grande porque será una fracción apreciable de la impedancia de entrada de su amplificador operacional, y arroje fuera de su precisión de medición. En 100kOhms, tendrá un aspecto más parecido a 10W, y probablemente necesitará organizar una combinación de resistencias en paralelo y en serie que le brinden la resistencia efectiva que busca al distribuir los requisitos de disipación de potencia.
El otro problema será el rango dinámico. Va a dividir entre 1000V y 2.5V, por lo que un factor de 400. Eso significa que una señal natural de 1V se manifestará en su ADC como una señal de 0.0025. Su resolución de voltaje ingenua con un ADC de 2.5V @ 12 bits es 2.5 / 2 12 = 0.000610352V / LSB, pero su número de bits efectivos probablemente sea más cercano a 10 o 0.002441406V / LSB. De modo que usted es bueno siempre y cuando acepte que el límite inferior de su medición será alrededor de 1V. Las técnicas de promediación pueden mejorar su resolución de voltaje efectiva, al costo de reducir su resolución de tiempo / distorsionar su señal en el dominio de tiempo.
La forma "multimétrica" de hacer esto sería cargar un capacitor con una resistencia grande y muestrearlo periódicamente para que pueda calcular el voltaje de conducción. Obviamente, necesita sujetar el voltaje por debajo del voltaje máximo del capacitor y también necesita Una forma de descargar el condensador. Una descarga simple de transistores (o mosfet) no dará los mejores resultados, ya que ningún semiconductor tiene cero ec o ds voltaje. Pero eso es probablemente entrar en demasiados detalles.
El beneficio de hacer esto es que 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 resistencia de la serie megaohm, calcule la resistencia y el voltaje de Thevenin. En esencia, rth es solo el divisor de voltaje superior / inferior en paralelo y vth es el voltaje de salida del divisor. Esto le dará la impedancia de salida y la corriente que fluye hacia el opamp / adc.
Lea otras preguntas en las etiquetas dc adc voltage-measurement high-voltage power-meter