我是E&E的最後一年學生,並且我正在嘗試構建一個功率計,該功率計必須能夠測量相當高的DC電壓(最高1000 V DC)。我正在使用一個輸入電壓範圍為0-2.5 V的簡單12位ADC進行測量。一個簡單的分壓器和運算放大器緩衝器是否足以滿足該應用的需要,或者是否需要另一種類型的前端模擬電路,因為電壓這麼高?
我是E&E的最後一年學生,並且我正在嘗試構建一個功率計,該功率計必須能夠測量相當高的DC電壓(最高1000 V DC)。我正在使用一個輸入電壓範圍為0-2.5 V的簡單12位ADC進行測量。一個簡單的分壓器和運算放大器緩衝器是否足以滿足該應用的需要,或者是否需要另一種類型的前端模擬電路,因為電壓這麼高?
電阻分壓器可以滿足您的要求,但是在此電壓下,您通常可以忽略一些問題:
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由於所有這些原因,我將分壓器的頂部電阻與多個串聯的普通電阻一起實現。例如,0805電阻器的額定電壓通常為150 V(您需要檢查數據表)。端到端物理排列的十個串聯的1MΩ0805電阻可用作1 kV 10MΩ電阻。每個電阻兩端的電壓將為100 V或更低,這使其保持在規格範圍內。
總的來說,10MΩ的電阻串僅耗散100 mW,因此每個單獨的電阻僅10 mW。沒問題。
對於頂部電阻為10MΩ的電阻,分壓器的底部電阻理想情況下為25.06kΩ,以便在1000 V輸入時獲得2.50 V輸出。您希望在最大輸入電壓規範1000 V以上有一點裕量,因此應該使用24kΩ甚至更低的底部電阻。
具有如此高比率的分壓器的輸出阻抗基本上是最低電阻值。 24kΩ對於某些A / D可能太高了,因此您可能希望使用用作電壓跟隨器的運算放大器來緩衝它。
是的,您可以使用分壓器(實際上,其他實用方法很少)。
您需要對rated的高值電阻器使用精密電阻器,以在1000V下安全地運行。不要忽略這個細節。您還必須遵循有關佈局的建議-可能涉及在電阻下銑削一個隔離槽以增加爬電距離,除非電阻本身真的很長,並且在高壓輸入端肯定還會涉及其他PCB注意事項。
分壓器的總電阻將受到所需實現的輸出阻抗的限制,如果您嘗試直接進入ADC輸入,則該阻抗將由ADC確定。這極有可能是不希望的,因為(為了完全準確)ADC需要在其輸入端看到幾千歐姆的電阻。假設是2.5K。然後,您將需要對高值電阻使用1M(或更少),並且在1000VDC時會耗散1W(或更多)-精度不高(並且會在1kV @ 1kV時顯著負載輸入)。
在ADC輸入端使用高性能運放緩衝器可能更好,這樣您就可以使用10M和25K之類的值。
如果系統中的電源電壓較高,則分壓到較高的電壓(例如使用15V電源的10V,然後緩衝並使用第二個無源分壓器降低至2.5V)可能沒有太大的優勢,但是僅12位分辨率可能沒有必要。這樣可以減少運放失調和失調漂移的影響,但代價是在誤差預算中增加了兩個電阻(但高電壓應該是引起您關注的主要因素)。
請記住,每個電阻分壓器都有一個寄生電容分壓器。根據所使用的物理電阻器設計,該分壓器的比值與電阻比可以有很大的不同。這可能會在IC輸入上出現令人驚訝的高電壓尖峰,因此您應使用快速二極管將IC輸入箝位到安全水平,並/或補償分壓器(也許通過較低電阻兩端的大電容器對其進行“過度補償”)。>
分壓器的問題將是V 2 sup> / R(額定功率)。在1000V下,將其分壓為2.5V,您的deltaV將為997.5V。即使您使用的是1 MegaOhm電阻器,您也是在談論使用1W的電阻器,實際上,您不希望使用這麼大的電阻器,因為它將佔運算放大器輸入阻抗的相當大的一部分,並拋出偏離您的測量精度。在100kOhms時,您看起來將更像10W,並且可能需要組織並聯和串聯電阻的組合,以便在分配功耗要求時為您提供所需的有效電阻。
另一個問題將是動態範圍。您將把1000V除以2.5V,因此要分解為400倍。這意味著自然的1V信號將以0.0025信號的形式出現在ADC中。使用2.5V @ 12位ADC的原始電壓分辨率為2.5 / 2 12 sup> = 0.000610352V / LSB,但是有效位數可能接近10,即0.002441406V / LSB。因此,只要您接受測量的下限將在1V左右,那麼您就很好。平均技術可以提高您的有效電壓分辨率,但會降低時間分辨率/在時域中使信號失真。
“萬用表”的實現方法是用一個大電阻器對電容器充電並對其進行定期採樣,以便計算出驅動電壓。顯然,您需要將電壓箝位在電容器最大額定電壓以下,並且您還需要一種使電容器放電的方法。由於沒有半導體具有零ec或ds電壓,因此簡單的晶體管(或mosfet)放電將無法獲得理想的結果。但這可能涉及太多細節。
這樣做的好處是可以得到較寬的工作電壓範圍,適用於1kV的直電阻分壓器對於測量1V並不是很有用。
對於兆歐級電阻分壓器,計算戴維寧電阻和電壓。本質上,rth只是並聯的分壓器頂部/底部,而vth是分壓器的輸出電壓。這將為您提供輸出阻抗和流入運算放大器/ adc的電流。