高電圧nA電流の増幅

私は本質的に非常に高い抵抗に接続された1kV DC電源の回路（基本的な回路の概要）を持っています。この回路内で、0.1nAから500uAの範囲の電流が流れ、Arduinoを使用して測定しようとしています（電流が変化するため、抵抗は外部要因により変化します）。私はこれをArduinoに接続して使用することを考えていました：https : //www.adafruit.com/product/904

ただし、これは26Vまで機能し、0.8mAの分解能しかありません。

これを解決するために、私は最初に分圧器を使用して、INA219が移動できる約13Vまで電圧を下げた回路の並列セクション（低電圧セクション）を使用することを考えました。

ただし、このセクションの電流をINA219で測定できる値まで増幅する必要があります。物事を調べた後、私はこれのための良いアイデアはダーリントンペアであると思い、それを次のように実装しました：ダーリントンペアで。しかし、これには増幅はありません。私はダーリントンペアを間違って実装していますか、それともそのような小さな電流では機能しませんか、またはダーリントンペアは電流を増幅するためのここでの完全に間違った考えですか？これがそれを行うのに間違った方法である場合、Arduinoでこの低電流高電圧回路の電流を測定するための良い方法は何でしょうか？

編集：私は、オリンラスロップの回答で説明されていると思う図の概略図を含めました

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

これは、いくつかのボーナスとともに、オリンが考えていた回路図です。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

ツェナーは非常に高いリーク電流を持つ可能性があり、測定する電流が小さいため、リーク電流が非常に少ない保護が必要です。

したがって、D3は3Vリファレンスを作成し、過剰な電流をグランドに分流することができます。D1 / D2は、問題が発生した場合にのみオンになります。D1とD2は通常のシリコンダイオードであり、低リーク電流用に選択する必要があります。

回路図エディタは1N4148を使用しましたが、データシートによると、リークは非常に高いです。リークがはるかに少ない1N3595を試すことができます。ピンの間隔が広いため、スルーホールを使用するとリークが少ないため、スルーホールパーツを意図的に選択しました...

C1は、必要に応じてローパスフィルタリングを提供します。そうでない場合は、R5 / C1を取り外します。

これは、R3がアークや燃焼なしに1kVに耐えられる場合、または過電流などにより電源が遮断された場合にのみ、R1の短絡に対して完全に保護されることに注意してください。

1kV電源が数mAしか出力できない場合、ダイオードD2-D3はマイクロのADCを保護しますが、R2 / R3はアークして死にます。それほど高価な部品ではないので、オーバーデザインするかしないかの選択。

マイクロコントローラで最大500 µAを測定したい。ローサイド電流センス抵抗は、あなたが私たちに伝えていない制約がない限り、明らかな選択のように見えます。1 kVの場合、1ボルトまたは数ボルトの電圧降下で十分です。

500 µAで3.0 Vが必要だとします。計算する。（3.0 V）/（500 µA）= 6kΩ。負荷の下端とグラウンドの間にそれがあると、0から500 µAを示す0から3.0 Vの信号が得られます。

電圧が高いので、この3 V信号とA / Dの間にある程度の保護を加えます。直列抵抗を追加してから、ダイオードクリッピングをグラウンドと3.3 Vか何かに追加します。

12ビットA / D（最近ではマイクロコントローラーに簡単に組み込むことができます）を使用すると、約122 nAの分解能が得られます。それでも十分でない場合は、帯域幅が十分に小さい場合は、delta-sigmaなどの外部A / Dを使用してください。

追加されました

ダイオードとR4の配置は、回路図では意味がありません。

これが私が上で説明したものです：

R2は電流-電圧コンバーターです。500 µAで3.0 Vになります。D1とD2は結果を安全なレベルにクリップし、R1はそれらが作用するインピーダンスを提供します。

クリッピングの1つの欠点は、OUTのインピーダンスが高くなることです。上記のOUTは、A / D入力を駆動する前にバッファリングする必要があります。これは、電圧フォロアとしてオペアンプを使用して行うことができます。

とにかくそこにオペアンプが入るので、R2を下げて、オペアンプを使って増幅することを検討できます。それが理にかなっているかどうかは、あなたが私たちに伝えていないさまざまなトレードオフに依存します。

1つのオプションは、負荷と直列に光アイソレータを使用することです。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

これには、マイクロコントローラーから高電圧を完全に分離できるという利点があります。

主な欠点は、光アイソレータの現在の転送率（C​​TR）が変化するため、ある程度のキャリブレーションが必要になることです。必要な正確な測定に応じて、100％〜1000％のCT​​Rを備えた一般的なモデルを使用できますが、多少非線形応答があります。追加の精度が必要な場合は、線形化された光アイソレータがありますが、そのCTRは約1％にすぎません。つまり、増幅する代わりに信号を減衰させ、低電圧側にオペアンプを追加する必要があります。