用于测量高压直流电压(最高 1000V)的电路

电器工程 ADC 直流 高压 电压测量 功率计
2022-01-01 21:58:03

我是 E&E 的最后一年学生,我正在尝试构建一个功率计,它必须能够测量非常高的直流电压,最高可达 1000 V DC。我正在使用输入电压范围为 0 - 2.5 V 的简单 12 位 ADC 进行测量。简单的分压器和运算放大器缓冲器是否足以满足应用需求,或者是否需要另一种类型的前端模拟电路,因为电压有那么高吗?

4个回答

电阻分压器可以满足您的需求,但在此电压下,您通常可以忽略一些问题:

  1. 顶部电阻器必须能够处理 1 kV。这些比“普通”电阻器更难获得,并且通常与高端电压呈非线性关系。

  2. 功耗。即使是通常的“大”电阻,如 1 MΩ,在施加 1 kV 时也会消耗一瓦特。

  3. 您需要两个点之间的物理距离,它们之间的电压为 kV,以确保安全并防止电弧穿过空气。

由于所有这些原因,我将使用多个串联的普通电阻来实现分压器的顶部电阻。例如,0805 电阻器的额定电压通常为 150 V(您需要检查数据表)。十个串联的 1 MΩ 0805 电阻,物理上首尾相连,可用作 1 kV 10 MΩ 电阻。每个电阻器上的电压将为 100 V 或更低,这使它们保持在规格范围内。

总之,10 MΩ 电阻串仅耗散 100 mW,因此每个单独的电阻仅 10 mW。这里没问题。

对于 10 MΩ 顶部电阻器,理想情况下,分压器的底部电阻器应为 25.06 kΩ,以在 1000 V 输入时获得 2.50 V 输出。您希望在 1000 V 的最大输入电压规格之上有一点余量,因此 24 kΩ 或即使是低一点的底部电阻也应该这样做。

如此高比率的分压器的输出阻抗基本上就是底部电阻值。对于某些 A/D,24 kΩ 可能太高,因此您可能需要使用用作电压跟随器的运算放大器来缓冲它。

是的,您可以使用分压器(实际上几乎没有其他实用方法)。

您将需要使用精密电阻器作为额定在 1000V 下安全运行的高阻值电阻器。不要忽视这个细节。您还必须遵循有关布局的建议——这可能涉及在电阻器下方铣出一个隔离槽以增加爬电距离,除非电阻器本身真的很长,并且肯定会涉及高压输入处的其他 PCB 考虑因素。

分压器的总电阻将受到您需要达到的输出阻抗的限制,如果您尝试直接进入 ADC 输入,这将由 ADC 确定。这很可能是不可取的,因为(为了完全准确)ADC 需要在其输入端看到几 K 欧姆。说是2.5K。然后,您将需要使用 1M(或更少)的高阻值电阻器,它会在 1000VDC 时消耗 1W(或更多) - 对精度来说不是很好(并且它会显着加载输入 - 1mA @1kV)。

在 ADC 输入端使用高性能运算放大器缓冲器可能会更好,允许您使用更像 10M 和 25K。

如果您的系统中有更高的电源电压,则将其分压到更高的电压可能会有一点优势,例如 10V 和 15V 电源,然后缓冲并使用第二个无源分压器降至 2.5V,但这可能不是仅需要 12 位分辨率。它将减少运算放大器偏移和偏移漂移的影响,代价是在误差预算中增加两个电阻(但高压电阻应该是您关注的主要来源)。

请记住,每个电阻分压器都有一个寄生电容分压器。根据使用的物理电阻器设计,该分压器的比率可能与电阻比率有很大不同;这可能会在您的 IC 输入端出现令人惊讶的高电压尖峰,因此您应该使用快速二极管将您的 IC 输入端钳位到安全水平和/或补偿分压器(可能在下电阻上使用一个大电容器“过度补偿”它)。

分压器的问题将是 V 2 /R(额定功率)。在 1000V 时,将其分成 2.5V,您的 deltaV 将是 997.5V。即使您使用 1 兆欧的电阻器,您所谈论的是使用 1W 的电阻器,实际上您并不需要那么大的电阻器,因为它会占运算放大器输入阻抗的相当大的一部分,并抛出关闭您的测量精度。在 100kOhms 时,您将看起来更像 10W,并且您可能需要组织并联和串联电阻器的组合,以便在分配功耗要求时为您提供所需的有效电阻。

另一个问题是动态范围。您要将 1000V 分压为 2.5V,因此是 400 倍。这意味着自然的 1V 信号将作为 0.0025 信号出现在您的 ADC 中。您使用 2.5V @ 12 位 ADC 的原始电压分辨率为 2.5/2 12 = 0.000610352V/LSB,但您的有效位数可能更接近 10,或 0.002441406V/LSB。因此,只要您接受测量的下限将在 1V 左右就可以了。平均技术可以提高您的有效电压分辨率,但会降低您的时间分辨率/在时域中扭曲您的信号。