Saya adalah siswa E&E tahun terakhir dan saya mencoba membangun meteran listrik yang harus mampu mengukur tegangan DC yang cukup tinggi, hingga 1000 V DC. Saya mengukur dengan ADC 12-bit sederhana yang memiliki rentang tegangan input 0 - 2.5 V. Apakah pembagi tegangan sederhana dan buffer op-amp cukup untuk aplikasi atau apakah ada jenis lain dari rangkaian analog front-end yang diperlukan karena tegangan setinggi itu?
adc
dc
high-voltage
voltage-measurement
power-meter
Eduan Shuda
sumber
sumber
Jawaban:
Pembagi resistor akan melakukan apa yang Anda inginkan, tetapi pada tegangan ini ada beberapa masalah yang biasanya Anda abaikan:
Karena semua alasan ini, saya akan menerapkan resistor atas pembagi tegangan dengan beberapa resistor biasa dalam seri. Misalnya, 0805 resistor biasanya diberi peringkat 150 V (tugas Anda untuk memeriksa lembar data). Sepuluh 1 MΩ 0805 resistor secara seri, secara fisik diletakkan ujung ke ujung, dapat digunakan sebagai resistor 1 kV 10 MΩ. Tegangan di masing-masing resistor akan 100 V atau kurang, yang membuat mereka dalam spesifikasi.
Secara keseluruhan, resistor 10 MΩ hanya menghilangkan 100 mW, sehingga masing-masing resistor hanya 10 mW. Tidak masalah di sini.
Dengan resistor atas 10 M resistor, resistor bawah pembagi idealnya adalah 25,06 kΩ untuk mendapatkan 2,50 V dengan 1000 V in. Anda ingin memiliki ruang kepala kecil di atas spesifikasi tegangan input maksimum 1000 V, jadi 24 kΩ atau bahkan sedikit resistor bawah yang lebih rendah harus melakukannya.
Impedansi keluaran pembagi dengan rasio tinggi pada dasarnya adalah nilai resistor bawah. 24 kΩ mungkin terlalu tinggi untuk beberapa A / D, jadi Anda mungkin ingin buffer ini dengan opamp yang digunakan sebagai pengikut tegangan.
sumber
Ya, Anda dapat menggunakan pembagi tegangan (sebenarnya ada beberapa pendekatan praktis lainnya).
Anda perlu menggunakan resistor presisi untuk resistor bernilai tinggi yang diberi peringkat untuk beroperasi dengan aman pada 1000V. Jangan mengabaikan detail ini. Anda juga harus mengikuti rekomendasi pada tata letak - yang mungkin melibatkan penggilingan slot isolasi di bawah resistor untuk meningkatkan jarak rambat kecuali jika resistor itu sendiri sangat panjang, dan pasti akan melibatkan pertimbangan PCB lainnya pada input tegangan tinggi.
Resistansi keseluruhan pembagi akan dibatasi oleh impedansi output yang perlu Anda capai, dan itu akan ditentukan oleh ADC jika Anda mencoba masuk langsung ke input ADC. Kemungkinan besar ini tidak diinginkan karena (untuk akurasi penuh) ADC perlu melihat beberapa K ohm pada masukannya. Katakan itu 2.5K. Maka Anda perlu menggunakan 1M (atau kurang) untuk resistor bernilai tinggi, dan akan menghilangkan 1W (atau lebih) pada 1000VDC- tidak bagus untuk akurasi (dan memuat input secara signifikan-1mA @ 1kV).
Mungkin lebih baik menggunakan buffer op-amp berkinerja tinggi pada input ADC, memungkinkan Anda untuk menggunakan lebih banyak seperti 10M dan 25K.
Jika Anda memiliki tegangan catu yang lebih tinggi di sistem Anda, mungkin ada sedikit keuntungan dalam membagi ke tegangan yang lebih tinggi, seperti 10V dengan catu daya 15V dan kemudian buffering dan menggunakan pembagi pasif kedua untuk turun ke 2,5V, tetapi mungkin tidak diperlukan hanya dengan resolusi 12-bit. Ini akan mengurangi efek op-amp offset dan offset drift, dengan biaya melibatkan dua resistor lagi dalam anggaran kesalahan (tetapi tegangan tinggi harus menjadi sumber utama kekhawatiran Anda).
sumber
Ingat bahwa setiap pembagi resistif memiliki pembagi kapasitif parasit. Bergantung pada desain resistor fisik yang digunakan, rasio pembagi ini bisa sangat berbeda dari rasio resistif; hal ini dapat membuat lonjakan tegangan sangat tinggi muncul pada input IC Anda, jadi Anda harus menjepit input IC Anda ke tingkat yang aman dengan dioda cepat dan / atau mengkompensasi pembagi (mungkin "kompensasikan berlebihan" itu dengan kapasitor besar melintasi resistor bawah).
sumber
Masalah dengan pembagi akan menjadi V 2 / R (peringkat daya). Pada 1000V, membaginya menjadi 2.5V, deltaV Anda akan menjadi 997.5V. Bahkan jika Anda menggunakan resistor 1 MegaOhm, Anda sedang berbicara tentang menggunakan resistor 1W, dan dalam praktiknya Anda tidak ingin resistor sebesar itu karena itu akan menjadi fraksi yang cukup besar dari impedansi input op-amp Anda, dan melempar dari akurasi pengukuran Anda. Pada 100kOhms, Anda akan terlihat lebih seperti 10W, dan Anda mungkin perlu mengatur kombinasi resistor paralel dan seri yang memberi Anda perlawanan efektif yang Anda inginkan ketika mendistribusikan persyaratan disipasi daya.
Masalah lainnya adalah rentang dinamis. Anda akan membagi 1000V ke 2.5V, jadi faktor 400. Itu berarti sinyal 1V alami akan bermanifestasi ke ADC Anda sebagai sinyal 0,0025. Resolusi voltase naif Anda dengan ADC 2.5V @ 12-bit adalah 2.5 / 2 12 = 0.000610352V / LSB, tetapi jumlah bit efektif Anda mungkin mendekati 10, atau 0,002441406V / LSB. Jadi Anda baik selama Anda menerima bahwa batas bawah pengukuran Anda akan menjadi sekitar 1V. Teknik rata-rata dapat meningkatkan resolusi tegangan efektif Anda, dengan biaya mengurangi resolusi waktu Anda / mendistorsi sinyal Anda dalam domain waktu.
sumber
"Multimeter" cara melakukan ini adalah untuk mengisi kapasitor dengan resistor besar dan sampel secara berkala sehingga Anda dapat bekerja di luar tegangan mengemudi .. Jelas Anda perlu menjepit tegangan di bawah kapasitor rating tegangan maks dan juga Anda perlu cara untuk lepaskan kapasitor. Transistor sederhana (atau MOSFET) tidak akan memberikan hasil yang ideal karena tidak ada semikonduktor yang memiliki tegangan nol ec atau ds. Tapi itu mungkin terlalu detail.
Manfaat melakukan ini adalah bahwa Anda mendapatkan rentang tegangan yang bisa diterapkan secara luas, pembagi resistor lurus yang cocok untuk 1kV tidak terlalu berguna untuk mengukur 1V ..
Untuk pembagi resistor seri megaohm, tentukan resistansi dan tegangan thevenin. Pada intinya rth hanyalah pembagi tegangan atas / bawah secara paralel dan vth adalah tegangan keluaran pembagi. Ini akan memberi Anda impedansi keluaran dan arus yang mengalir ke opamp / adc.
sumber