Tengo una entrada de CA de la siguiente manera:
- Puede variar de ± 10V a al menos ± 500V continuamente.
- Funciona de aproximadamente 1 Hz a 1 kHz.
- Necesidades > 100 kΩ de impedancia en él, de lo contrario su amplitud cambia.
- Ocasionalmente puede desconectarse y someter el sistema a eventos de ESD.
Cuando la entrada está por debajo de 20 V, necesito digitalizar la forma de onda con un ADC. Cuando está por encima de 20 V, puedo ignorarlo porque está fuera de rango, pero mi sistema no debe estar dañado.
Debido a que mi ADC necesita una señal relativamente rígida, quería almacenar la entrada para otras etapas (en esas, la desviaré, la fijaré de 0V a 5V y la alimentaré a un ADC).
Diseñé el siguiente circuito para mi etapa de entrada inicial para obtener una salida segura y fuerte que pueda alimentar a otras etapas:
Mis objetivos son:
- Asegurar > 100 kΩ de impedancia en la fuente.
- Cambie una entrada de ± 20V a aproximadamente una salida de ± 1.66V.
- Proporcionar una salida rígida.
- Maneje con seguridad las entradas continuas de alto voltaje (al menos ± 500V).
- Maneje los eventos ESD sin descargar mucha corriente / voltaje en los rieles de ± 7.5V.
Aquí están mis razones para el diseño de mi circuito:
- R1 y R2 forman un divisor de voltaje, reduciendo el voltaje en 12X.
- El diodo TVS reacciona rápidamente para protegerse contra los eventos ESD en la entrada, descargándolos a mi terreno firme, sin descargar nada en mis (débiles) rieles de 7.5V.
- El diodo TVS también maneja la sobretensión extrema (sostenida ± 500V) por derivación a tierra. Ha pasado R1 para limitar la corriente en estos casos.
- D1 y D2 sujetan la tensión dividida a ± 8,5 V, por lo que no necesito un condensador de alta tensión para C1 ; después de R1 , la corriente a través de ellos también es limitada.
- C1 desacopla la señal de entrada. Será un electrolítico bipolar. Debe tener una capacitancia relativamente grande para permitir que las señales de 1 Hz pasen sin ser afectadas: $$ \ frac {1} {2 \ pi R_2 C_1} \ ll 1 \ texto {Hz} $$ $$ C_1 \ gg \ frac {1} {2 \ pi \ times 1 \ text {Hz} \ times220 \ text {k} \ Omega} = 8 \ mu \ text {F} $$
- R3 y C2 , con R3 = R1 , compense el sesgo y el desplazamiento de la corriente de entrada en el amplificador operacional ( en lugar de simplemente acortar la salida a la entrada negativa); También forma un filtro de paso bajo: $$ f_c = \ frac {1} {2 \ pi R_3 C_2} = 36 \ text {kHz} $$
¿Este circuito es óptimo para mis objetivos? ¿Puedo esperar algún problema con él? ¿Debo realizar alguna mejora o hay una mejor manera de lograr mis objetivos?
EDIT 1
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Originalmente dije que esto era necesario para manejar ± 200V continuamente, pero creo que ± 500V es un objetivo más seguro.
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Para que el diodo TVS funcione como está, R1 debe dividirse en dos resistencias, aquí R1a y R1b , como sugiere @jp314:
EDIT 2
Aquí hay un circuito revisado que incorpora las sugerencias recibidas hasta ahora:
- Zeners a través de la fuente de alimentación ( @Autistic ).
- Los resistores que llevan a ellos ( @Spehro Pefhany ).
- Diodos BAV199 rápidos ( @Master ; una alternativa de menor fuga al BAV99 que @Spehro Pefhany sugirió, aunque con una capacidad máxima de aproximadamente 2 pF en lugar de 1.15 pF).
- El diodo de TVS está al frente y actualizado a 500 V ( @Master ), por lo que solo maneja los eventos ESD, protegiendo a R1 .
- Dead short desde la salida del amplificador operacional a la entrada negativa ( @Spehro Pefhany y @Master ).
- Disminuyó C1 a 10μF ( @Spehro Pefhany ); esto introduce una caída de voltaje del 0,3% a 1 Hz, que no es tan buena como la original del límite de 220 μF, pero facilitará la obtención del condensador.
- Se agregó resistencia de 1 kΩ R6 para limitar la corriente a OA1 ( @Autistic y @Master ).
