高電圧DC電圧（最大1000V）を測定するための回路

私は最終年度のE＆E学生であり、最大1000 V DCの非常に高いDC電圧を測定できなければならないパワーメーターを構築しようとしています。入力電圧範囲が0〜2.5 Vの単純な12ビットADCで測定しています。アプリケーションには単純な分圧器とオペアンプバッファで十分ですか、それとも別のタイプのフロントエンドアナログ回路が必要ですか電圧は高いですか？

抵抗分割器はあなたが望むことをしますが、この電圧では通常無視できるいくつかの問題があります：

1. 上部抵抗は1 kVを処理できる必要があります。これらは「通常の」抵抗よりも入手が難しく、多くの場合、ハイエンドの電圧に対して線形ではありません。

2. 消費電力。通常1MΩのような「大きな」抵抗器であっても、1 kVが印加されるとワット全体が消費されます。

3. 安全のために、また空中のアーク放電を防ぐために、kVの間にある2つのポイント間の物理的な距離が必要です。

これらすべての理由により、分圧器の上部抵抗を複数の通常の直列抵抗で実装します。たとえば、0805抵抗の定格は通常150 Vです（データシートを確認するジョブ）。直列に物理的に配置された10個の1MΩ0805抵抗器は、1 kV 10MΩ抵抗器として使用できます。各抵抗の両端の電圧は100 V以下であり、仕様内に維持されます。

合計すると、10MΩの抵抗列は100 mWしか消費しないため、個々の抵抗はそれぞれ10 mWしか消費しません。ここで問題ありません。

10MΩの上部抵抗の場合、理想的には、分圧器の下部抵抗は25.06kΩであり、1000 V入力で2.50 Vを出力します。少し下の底部抵抗でもそれを行う必要があります。

このような高い比率の分周器の出力インピーダンスは、基本的には下側の抵抗値です。24kΩは一部のA / Dには高すぎる可能性があるため、電圧フォロワーとして使用されるオペアンプでこれをバッファリングすることができます。

はい、分圧器を使用できます（実際には、他の実用的なアプローチはほとんどありません）。

1000Vで安全に動作する定格の高値抵抗器には、高精度抵抗器を使用する必要があります。この詳細を見落とさないでください。また、レイアウトに関する推奨事項に従う必要があります。これには、抵抗器自体が本当に長い場合を除き、抵抗器の下に絶縁スロットをフライス加工して沿面距離を長くすることが含まれ、高電圧入力で他のPCBの考慮事項が必ず含まれます。

分圧器の全体的な抵抗は、達成する必要がある出力インピーダンスによって制限され、ADC入力に直接接続しようとすると、ADCによって決定されます。ADCは（完全な精度のために）入力で数Kオームを見る必要があるため、これは望ましくない可能性があります。2.5Kとしましょう。次に、高い値の抵抗に1M（またはそれ以下）を使用する必要があり、1000VDCで1W（またはそれ以上）を消費します-精度にはあまり適していません（および入力に1mA @ 1kVを大幅に負荷します）。

ADC入力で高性能のオペアンプバッファを使用すると、10Mや25Kなどを使用できる場合があります。

システムの電源電圧が高い場合は、15V電源で10Vに分割し、2.5Vに下げるために2つ目の受動分圧器をバッファリングして使用するなど、より高い電圧に分割することで小さな利点があるかもしれませんが、おそらくそうではありません12ビットの解像度でのみ必要です。エラーバジェットにさらに2つの抵抗を含めることを犠牲にして、オペアンプオフセットとオフセットドリフトの影響を軽減します（ただし、高電圧抵抗が主な懸念事項です）。

すべての抵抗分割器には寄生容量分割器があることに注意してください。使用する物理抵抗器の設計に応じて、この分圧器の比は抵抗比とは大きく異なる場合があります。これにより、IC入力に驚くほど高い電圧スパイクが発生する可能性があります。そのため、IC入力を高速ダイオードで安全なレベルにクランプするか、分圧器を補償する必要があります（低抵抗の両端に大きなコンデンサで「過補償」することがあります）。

分周器の問題は、V ² / R（電力定格）になります。1000Vで2.5Vに分割すると、deltaVは997.5Vになります。1メガオームの抵抗器を使用している場合でも、1Wの抵抗器を使用することについて話しているので、実際にはオペアンプの入力インピーダンスのかなりの部分になるため、それほど大きな抵抗器は必要ありません。測定精度が低下します。100kOhmsでは、10Wのように見えます。おそらく、消費電力要件を分散しながら、目的の実効抵抗を提供する並列抵抗と直列抵抗の組み合わせを整理する必要があります。

もう1つの問題は、ダイナミックレンジです。1000Vから2.5Vに分圧するため、400倍になります。つまり、自然な1V信号が0.0025信号としてADCに現れます。2.5V @ 12ビットADCでの単純な電圧分解能は2.5 / 2です¹² = 0.000610352V / LSBですが、有効ビット数はおそらく10または0.002441406V / LSBに近いでしょう。したがって、測定の下限が約1Vになることを受け入れる限りは問題ありません。平均化技術は、時間分解能の低下/時間領域での信号の歪みを犠牲にして、実効電圧分解能を改善できます。

これを行う「マルチメータ」方法は、大きな抵抗でコンデンサを充電し、定期的にサンプリングして、駆動電圧を算出することです。明らかに、コンデンサの最大電圧定格以下の電圧をクランプする必要があり、コンデンサを放電します。単純なトランジスタ（またはMOSFET）放電では、ecまたはds電圧がゼロの半導体がないため、理想的な結果は得られません。しかし、それはおそらくあまりにも詳細になっています。

これを行うことの利点は、実行可能な広い電圧範囲が得られることです。1kVに適したストレート抵抗分割器は、1Vの測定にはあまり役立ちません。

メガオーム直列抵抗分割器の場合、テブナンの抵抗と電圧を計算します。本質的に、rthは並列の分圧器の上/下だけであり、vthは分圧器の出力電圧です。これにより、出力インピーダンスと電流がオペアンプ/ ADCに流れます。