क्या यह क्लैंपिंग वोल्टेज डिवाइडर एक उच्च-प्रतिबाधा इनपुट के लिए एक अच्छा, मजबूत डिजाइन है?

Question

मेरे पास निम्नानुसार एक एसी इनपुट है:

1. Range 10V से लेकर कम से कम from 500V तक लगातार हो सकता है।
2. लगभग 1 हर्ट्ज से 1 किलोहर्ट्ज़ तक चलता है।
3. आवश्यकताएं> उस पर प्रतिबाधा के 100 kΩ, अन्यथा इसका आयाम बदल जाता है।
4. कभी-कभी डिस्कनेक्ट हो सकते हैं और ईएसडी घटनाओं के लिए सिस्टम को विषय बना सकते हैं।

जब इनपुट 20V से कम है, तो मुझे ADC के साथ वेवफॉर्म को डिजिटल करना होगा। जब यह 20 वी से ऊपर है, तो मैं इसे सीमा से बाहर की तरह अनदेखा कर सकता हूं, लेकिन मेरे सिस्टम को नुकसान नहीं पहुंचाना चाहिए।

चूंकि मेरे एडीसी को अपेक्षाकृत कठोर संकेत की आवश्यकता है, इसलिए मैं इनपुट को आगे के चरणों के लिए बफर करना चाहता था (उन में, मैं इसे पूर्वाग्रह करूंगा, इसे 0 वी से 5 वी तक जकड़ूं, और इसे एडीसी को खिलाऊंगा)।

मैंने अपने प्रारंभिक इनपुट चरण के लिए एक सुरक्षित, मजबूत आउटपुट प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित सर्किट को डिज़ाइन किया है जिसे मैं आगे के चरणों में खिला सकता हूं:

^{इस सर्किट का अनुकरण करें - सर्किटलैब का उपयोग करके बनाई गई योजनाबद्ध}

मेरे लक्ष्य हैं:

1. सुनिश्चित करें> स्रोत पर प्रतिबाधा के 100 kΩ।
2. लगभग ± 1.66V आउटपुट में V 20V इनपुट बदलें।
3. एक कठोर उत्पादन प्रदान करें।
4. सुरक्षित रूप से निरंतर उच्च वोल्टेज इनपुट (कम से कम) 500 वी) को संभालें।
5. Ails 7.5 वी रेल पर बहुत अधिक करंट / वोल्टेज डंप किए बिना ईएसडी घटनाओं को संभालें।

यहाँ मेरे सर्किट डिजाइन के लिए मेरा तर्क है:

1. R1 और R2 एक वोल्टेज डिवाइडर बनाते हैं, जिससे वोल्टेज 12X कम हो जाता है।
2. टीवीएस डायोड प्रतिक्रिया जल्दी से इनपुट पर ESD घटनाओं के खिलाफ की रक्षा करने के लिए, उन्हें, मेरे मजबूत भूमि पर डंपिंग मेरी (कमजोर) ± 7.5V रेल पर कुछ भी डंपिंग के बिना।
3. टीवीएस डायोड भी चरम अधिक वोल्टेज संभालती भूमि पर shunting द्वारा (± 500V निरंतर)। इन मामलों में वर्तमान को सीमित करने के लिए पिछले R1 है।
4. D1 और D2 विभाजित वोल्टेज को I 8.5V तक क्लैंप करते हैं, इसलिए मुझे C1 के लिए एक उच्च-वोल्टेज संधारित्र की आवश्यकता नहीं है ; आर 1 के बाद होने के नाते , उनके माध्यम से वर्तमान भी सीमित है।
5. C1 इनपुट सिग्नल को डिकॉय करता है। यह एक द्विध्रुवीय इलेक्ट्रोलाइटिक होगा। अप्रभावित: 1 को पारित करने के लिए 1 हर्ट्ज संकेतों की अनुमति देने के लिए अपेक्षाकृत बड़े समाई की आवश्यकता है सी1» $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. R3 और R2 , R3 = R1 के साथ , इनपुट वर्तमान पूर्वाग्रह की भरपाई करते हैं और ऑप-एम्प में ऑफसेट (बजाय नकारात्मक इनपुट को आउटपुट को छोटा करने के); एक कम-पास फ़िल्टर भी बनाएं: $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

क्या यह सर्किट मेरे लक्ष्यों के लिए इष्टतम है? क्या मुझे इससे कोई समस्या होने की उम्मीद है? क्या कोई सुधार है जो मुझे करना चाहिए, या मेरे लक्ष्यों को पूरा करने का एक बेहतर तरीका है?

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EDIT 1

1. मैंने मूल रूप से कहा था कि इसे लगातार continuously 200 वी को संभालने की जरूरत है, लेकिन मुझे लगता है कि a 500 वी एक सुरक्षित लक्ष्य है।

2. के लिए आदेश में टीवीएस के रूप में काम करने के लिए डायोड, आर 1 दो प्रतिरोधों, यहाँ में विभाजित होने की जरूरत है R1A और R1b , के रूप में द्वारा सुझाए @ jp314 :

^{इस सर्किट का अनुकरण करें}

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EDIT 2

यहां एक संशोधित सर्किट है जो अब तक प्राप्त सुझावों को शामिल करता है:

1. बिजली आपूर्ति ( @Autistic ) के पार जेनर ।
2. प्रतिरोध उन्हें ( @Spehro Pefhany ) में ले जाते हैं।
3. फास्ट BAV199 डायोड ( @ मैस्टर ; BAV99 के लिए एक कम-रिसाव विकल्प जो @Spehro Pefhany ने सुझाव दिया, लगभग 1.15 pF के बजाय लगभग 2 pF की अधिकतम समाई के साथ)।
4. TVS का डायोड फ्रंट और 500 V ( @Master ) में अपग्रेड किया गया है , इसलिए यह R1 की सुरक्षा के लिए केवल ESD इवेंट्स को हैंडल करता है ।
5. नकारात्मक इनपुट ( @Spehro Pefhany और @Master ) में op-amp आउटपुट से कम मृत ।
6. घटी हुई सी 1 10μF (करने के लिए @Spehro Pefhany ); यह 1 हर्ट्ज पर 0.3% वोल्टेज ड्रॉप का परिचय देता है जो 220μF कैप के मूल के रूप में अच्छा नहीं है, लेकिन संधारित्र को आसान बना देगा।
7. 1 kΩ बाधा जोड़ा R6 में वर्तमान सीमित करने के लिए OA1 ( @Autistic और @Master )।

^{इस सर्किट का अनुकरण करें}

Comments

आपका क्लैम्प बहुत बुरा नहीं है। प्लीज रेसपॉसर ने पोज़ ओप्पम इनपुट के साथ श्रृंखला में 10K कहा और आपके पास कुछ ऐसा है जो चिप को उड़ा नहीं सकता है। TVS अपनी वर्तमान स्थिति में कॉस्मेटिक है।

— ऑटिस्टिक

वहाँ टीवीएस कॉस्मेटिक क्या है? मैंने अपने औचित्य में इसका उल्लेख नहीं किया था, लेकिन मैं एक निरंतर it 400V इनपुट जैसे कुछ पर भी विचार कर रहा था। यह कल्पना से बाहर है, लेकिन अगर ऐसा होता है तो मैं अपनी V 7.5V रेल पर कर नहीं लगाना चाहता, जो कि छोटी आपूर्ति से हैं। (क्षति के लिए, या तो नहीं करना चाहते हैं।)

— जॉन्सस्पीक्स

अपने छोटे से आपूर्ति पर 8v2 zeners रखो और टीवीएस खो दें और रिसाव की सटीकता के बारे में कभी चिंता न करें।

— ऑटिस्टिक

बिजली की आपूर्ति में ओवर-वोल्टेज का एक भयानक विचार है। इसे ग्राउंड पर शंट करें, और अंडर-वोल्टेज के लिए डिट्टो। आप गैस डिस्चार्ज डिवाइस पर विचार कर सकते हैं।

— user207421

@ ईजेपी - मेरा मानना ​​है कि शंटिंग समस्या को सर्किट के वर्तमान संस्करण में हल किया गया है (प्रश्न के अंत में दिखाया गया है)। पूर्व-पक्षपाती जेनर डायोड हैं जो ओवरवॉल्टेज और अंडरवॉलेट दोनों को जमीन पर धकेलने के लिए उपयोग किए जाते हैं। टीवीएस डायोड निश्चित रूप से एक जीडीटी की तुलना में काफी तेज हो सकता है, और वोल्टेज के प्राथमिक स्रोत के रूप में be 500 वी ईएसडी होगा, यह एक बेहतर विकल्प था।

— जॉनस्पीक

Answer 1

आपका D1 & D2 इनपुट सर्जेस लेगा, न कि TVS - 220k को 200k + 20k पर विभाजित करें, और 20k भाग को TVS और डायोड के बीच रखें।

या बस उस नोड से GND के लिए एक 4.7 वी जेनर का उपयोग करें।

Comments

मुझे 220K को विभाजित करने का विचार पसंद है। मेरे लिए उसका मतलब बनता है। जेनर डायोड कैसे काम करेगा? क्या यह असममित रूप से AC इनपुट को प्रभावित नहीं करेगा?

— जॉनस्पेक्स

एक जेनर असमान रूप से चीजों को प्रभावित करेगा - आप श्रृंखला में बैक-बैक में 2 ज़ेनर का उपयोग कर सकते हैं, जो आपके पास डायोड की तुलना में बेहतर हो सकता है यदि आपको आपूर्ति से कम करने के लिए opamp के इनपुट को सीमित करने की आवश्यकता थी।

— jp314

Answer 2

आपको R3 / C2 की आवश्यकता नहीं है। गैर-inverting op-amp इनपुट 'पूर्वाग्रह वर्तमान डीसी पथ पर' R2 (20K) को देखता है (220K नहीं), इसलिए यदि आप इसे एक छोटे से बदल देते हैं, तो ऑफसेट की संभावना नगण्य होगी। यदि आप R3 / C2 पर जोर देते हैं, तो गणना के लिए नीचे देखें।

220K 1 हर्ट्ज पर 0.7uF के कैपेसिटिव रिएक्शन का प्रतिनिधित्व करता है, इसलिए मुझे लगता है कि एक छोटा और सस्ता (और नॉन-लीक) 10uF सिरेमिक कैपेसिटर सिर्फ 7%, क्वाडरेचर में, लगभग 7%, ठीक जोड़ देगा, इसलिए कुल प्रभाव 0.3% से कम होगा । हालांकि क्लैम्पिंग के कारण कुछ प्रभाव हो सकते हैं, इसलिए इस बात की जांच करना बेहतर है कि आप इसे कैसे व्यवहार करने की उम्मीद करते हैं । जब clamping यह '20k' को कम प्रतिबाधा क्लैंप के साथ श्रृंखला में देखता है, तो समय स्थिर 11x कम होता है।

R1 विश्वसनीयता के लिए महत्वपूर्ण है- वस्तुतः सभी वोल्टेज इसके पार हो जाते हैं- यह एक उच्च वोल्टेज प्रकार होना चाहिए, जो कुछ भी आपके द्वारा अपेक्षित ग्राहकों का सामना करने के लिए रेटेड हो, खासकर यदि यह इनपुट वोल्टेज मुख्य से आ रहा है, जिसका अर्थ हो सकता है कि युगल केवी। Vishay VR25 उपयुक्त (सीसा युक्त) हो सकता है। यहाँ कंजूसी मत करो। जब तक पिछले कुछ पैसे विश्वसनीयता से अधिक महत्वपूर्ण हैं, मैं इस उद्देश्य के लिए कई साधारण प्रतिरोधों का उपयोग करने का एक बड़ा प्रशंसक नहीं हूँ जब तक आप उपयोग करने की आवश्यकता हो या तो एक ठीक से मूल्यांकन हिस्सा ठीक होना चाहिए दो और भी अधिक विश्वसनीयता के लिए श्रृंखला में ठीक से मूल्यांकन किया प्रतिरोधों ।

मैं टीवीएस को खो देता हूं और सीधे शंट (जैसे कि एक जेनर जोड़ी) या लो-कैपेसिटेंस स्विचिंग डायोड को BAV99 जोड़ी की तरह प्री-बायस्ड शंट जैसे कि Zeners या TL431s (सप्लाई रेल के प्रतिरोधों के साथ) के साथ क्लैम्पिंग पर विचार करता हूं। उत्तरार्द्ध सीधे zeners का उपयोग करने की तुलना में बहुत कम समाई होगा और इस प्रकार 1kHz पर कम चरण बदलाव का कारण होगा, अगर यह आपके लिए महत्वपूर्ण है। क्लैम्पिंग करंट 200V में 1mA से कम है, इसलिए यह बहुत अधिक कर नहीं है, इसलिए जब तक R1 जो भी EMF के अधीन है, उसके खिलाफ पकड़ रखता है। मेरे द्वारा सुझाए गए दोनों विकल्प आसानी से कम से कम थोड़े समय के लिए 100 एमएएम का क्लैंप कर सकते हैं।

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R3 / C2 वास्तव में एक कम पास फिल्टर नहीं बनाते हैं- R3 और ऑप-एम्प के इनपुट कैपेसिटेंस को एक कम पास फिल्टर बनाते हैं, और C2 को आदर्श रूप से बहुत बड़ा चुना जाएगा, इसलिए यदि इनपुट कैपेसिटी 15pF है तो 1nF का उपयोग कर सकते हैं या कुछ इस तरह का। यदि आप बेतहाशा अनुचित ऑप-एम्प (बहुत उच्च आवृत्तियों में सक्षम) होते हैं, तो आप केवल 20K के साथ ही परेशानी में चलेंगे, जहाँ परिणामी चरण शिफ्ट स्थिरता को प्रभावित करता है, और निश्चित रूप से उस समस्या को कम नहीं करता है।

Comments

पहले पैराग्राफ में दो "आर 2 / सी 2" दोनों को "आर 3 / सी 2" माना जाता था?

— जॉनस्पेक्स

@ जॉन्स्पीक्स हाँ, धन्यवाद, बदल गया। मुझे लगता है कि एक बड़ा मॉनिटर (या बेहतर मेमोरी) चाहिए।

— स्पेरो पेफेनी

क्या यह टीवीएस डायोड पर आपकी राय बदल देगा यदि यह संभावना थी कि ± 300 या ts 600 वोल्ट की लंबी अवधि (30 सेकंड या अधिक) हो सकती है? मुझे नहीं पता कि यह कितनी ऊँचाई तक लगातार जाता है, क्योंकि एक उदाहरण को ऑसिलोस्कोप के साथ क्षेत्र में मापा गया था, जो सिग्नल को to 150V तक ले जाता है, और तरंग को एक्सट्रपलेट करते हुए मैंने लगभग, 200V का अनुमान लगाया, लेकिन यह भी संभव है कि यह अधिक हो सकता है। मुझे शायद इस सवाल को संपादित करना चाहिए कि वहां अधिक मूल्य दिया जाए।

— जॉनस्पिक्स

@ जॉनस्पेक्स 600 वीडीसी 220K अवरोधक में 1.6W अपव्यय का कारण बनेगा, इसलिए बेहतर होगा कि इसे एक युगल वाट के लिए रेट किया जाए, लेकिन मैंने जिस ज़ेनर या शंट रेगुलेटर का उल्लेख किया है, वह आसानी से 2.7mA लगातार संभाल सकता है- यह केवल 20mW / 7.5V है। श्रृंखला में दो VR68 1W प्रतिरोधक एक 20kV क्षणिक को संभाल सकते हैं और 100mA भी दबाना मुश्किल नहीं है। जब आप कम प्रतिबाधा रखते हैं और सैकड़ों वाट में ऊर्जा का एक बड़ा स्पाइक अवशोषित करना होता है, तो टीवीएस डायोड अच्छे होते हैं- वे निरंतर बिजली को नष्ट करने में विशेष रूप से महान नहीं होते हैं। इस स्थिति में, आप स्पाइक के लिए दरवाजा नहीं खोलते हैं, इसलिए इसे अवशोषित करने की आवश्यकता नहीं है।

— स्पीहरो पफैनी

@Sphero Pefhany मैं है देखा है कि टीवीएस डायोड datasheets शायद ही कभी सतत संचालन के लिए किसी भी चश्मा दे ... R1 भर में अपव्यय के बारे में आपकी बात अच्छी तरह से लिया जाता है, के रूप में प्रतिरोधों के लिए अपने सुझाव दिए गए हैं। सिद्धांत रूप में, मैं R1 (अभी भी VR25 / VR68 प्रतिरोधों जैसी किसी चीज़ का उपयोग करके) को कम करने के लिए R1 (और R2) के मूल्य को बढ़ा सकता हूं, लेकिन मैं चिंतित हूं कि नई समस्याओं का परिचय हो सकता है।

— जॉन्सपीक्स

Answer 3

^{इस सर्किट का अनुकरण करें - सर्किटलैब का उपयोग करके बनाई गई योजनाबद्ध}

ओपी एएमपी के पी / एन और योजनाबद्ध पर डायोड का मतलब कुछ भी नहीं है। डायोड डी 3 डी 4 या तो एक बीएवी 199 या 2 गेट टू चैनल जंक्शन्स ऑफ जेएफईटी एमएमबीएफ 4117 हैं। OA1 OPA365 है। C3 को C3, R1 / 2 पर फ़िल्टर के लिए पर्याप्त रूप से कम पास आवृत्ति प्रदान करने के लिए चुना जाना चाहिए।

आर 2 और आर 3 अधिमानतः सटीक पतली फिल्म प्रतिरोधक या एक प्रतिरोधक नेटवर्क के दो भाग हैं। वे आपके शून्य बहाव को परिभाषित करते हैं।

R5 को 1 kV वोल्टेज के लिए रेट किया जाना चाहिए, आप श्रृंखला में कई 0603 प्रतिरोधों का उपयोग कर सकते हैं।

और, वास्तव में सुरक्षित होने के लिए, आप OPA365 के गैर-इनवर्टिंग इनपुट और R1 R2 के मध्य-बिंदु के बीच कुछ 1 kOhm रोकनेवाला जोड़ सकते हैं। यदि कुछ वास्तव में खराब हो जाता है तो यह इनपुट करंट को सीमित करने में मदद करता है।

उच्च शक्ति वोल्टेज लिमिटर (जैसे टीवीएस डायोड या वैरिस्टर) INPUT और GND के बीच अधिमानतः जुड़ा हुआ है। इसका वोल्टेज लगभग 600-800 V है।

Comments

इससे पहले कि मैं इसे प्रोटोटाइप कर सकूं और अन्य विकल्पों की तुलना कर पाऊंगा, मैं उनमें से कुछ हिस्सों को ऑर्डर करने जा रहा हूं। बने रहें!

— जॉनस्पिक्स

दुर्भाग्यवश उस का RC भाग (डायोड और ऑप को अनदेखा करते हुए) 1 hz पर लगभग -1.44dB द्वारा इनपुट को रोल करता है (आउटपुट को लगभग 15% काटकर): आवृत्ति प्रतिक्रिया वक्र । टोपी को बढ़ाकर 10 यूएफ तय करता है और चीजों को 1 हर्ट्ज तक बहुत सपाट रखता है, लेकिन फिर 470k प्रतिरोधों के माध्यम से टोपी को चार्ज करने के लिए 30 सेकंड की तरह कुछ लगता है। (और निश्चित रूप से उन लोगों को कम करने का काम नहीं करता है, क्योंकि यह कम-आवृत्ति प्रतिक्रिया को फिर से बंद कर देता है।)

— जॉन्सपाइक्स

देर से उत्तर के लिए क्षमा करें। हाँ। यह सच है, बिल्कुल। लेकिन आपको यह समस्या कम पास फिल्टर के किसी भी डिजाइन के साथ मिलती है। आपको C3 की आवश्यकता क्यों है? डीसी युग्मन बेहतर हो सकता है?

— मास्टर

यह बहुत अच्छी बात है। मैं इस डीसी युग्मित कर सकता है। मेरे विशेष एप्लिकेशन में, डीसी ऑफ़सेट्स की कोई संभावना नहीं है, और आउटपुट सिग्नल उल्टा होने पर मुझे भी परवाह नहीं है। तो मैं ऑफसेट वोल्टेज को जोड़ने के लिए इनवर्टिंग कॉन्फ़िगरेशन में एक सेशन amp का उपयोग कर सकता था।

— जॉनस्पिक्स 13

ठीक है, जानकर अच्छा लगा! आपके सवालों का स्वागत है!

— मास्टर

Answer 4

आप किस तरह का OPA इस्तेमाल करते हैं? यदि यह एफईटी इनपुट ओपी एएमपी (100 पीए से नीचे इनपुट धाराओं) है, तो आपको आर 3 सी 2 की आवश्यकता नहीं है। इसके अलावा, यदि आप डीसी ऑफसेट की परवाह नहीं करते हैं, तो आर 3 सी 2 को निकालना बेहतर है।

मैं टीवीएस डायोड 30 वी में कोई मूल्य नहीं देखता हूं। बिल्कुल @Autistic से सहमत हूं। आप इसे सीधे इनपुट के समानांतर (R1 से पहले) और 500-700 वी प्रकार में बदल सकते हैं। तब इसका कार्य होता है: R1 और अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स को 800 V से अधिक छोटी स्पाइक्स से बचाने के लिए (मुझे नहीं पता कि आपका एप्लिकेशन इस तरह की परेशानी में पड़ सकता है)।

R1 को 1000 V के लिए रेट किया जाना चाहिए या 0603 या बड़े प्रतिरोधों की एक श्रृंखला के रूप में कार्यान्वित किया जाना चाहिए, अलगाव अंतराल को ध्यान में रखते हुए।

जैसा कि "वास्तविक" क्लैंप के लिए: पूर्व-पक्षपाती BAV199 (एक एसओटी पैकेज में दो कम रिसाव वाले डायोड) के @Spehro Pefhany का विचार सबसे अच्छा लगता है। मैं बिजली की रेल को धाराओं के बारे में बहुत अधिक ध्यान नहीं देता: वे 4 mA (800 V / 200 kOhms) द्वारा सीमित हैं, यह संभवतः आपके द्वारा उपयोग किए जाने वाले एक ओपी एएमपी की बिजली की आपूर्ति से कम है।

क्यू 1 से पहले क्यू 2 (मुझे विश्वास है कि यह एक वोल्टेज डिवाइडर है) और आर 2 के स्थान पर बहुत बड़े अवरोधक (1 एमओएचएम) का उपयोग करने के लिए - यह सी 1 को कुछ यूएफ जितना छोटा होने की अनुमति देता है।

Comments

आपको यह ध्यान रखना होगा कि इस OPA का इनपुट बायस करंट 70 C पर 1-4 nA जितना बड़ा है। इसका मतलब है (आपके डिज़ाइन के लिए) कि अतिरिक्त ऑफसेट वोल्टेज 200 uV तक हो सकती है, यह इससे कहीं अधिक है इसकी "नाममात्र" ऑफसेट वोल्टेज। यह jFET OP AMPs की एक आम समस्या है, वे थोड़े उच्च तापमान पर उच्च प्रतिबाधा इनपुट के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

— मास्टर

आधुनिक BJT OP AMPs (AD8675) में उनके पूर्वाग्रह के वर्तमान तापमान की तुलना में बहुत कम भिन्नता है, हालांकि उनकी इनपुट धाराएं भी बड़ी हैं (1 nA)।

— मास्टर

आपको किस श्रेणी के आउटपुट वोल्टेज की आवश्यकता है?

— मास्टर

रेल-टू-रेल 5 वी ओपीए का उपयोग क्यों नहीं किया जाता है? यह ADC के लिए स्वाभाविक रूप से 0-5 V तक चढ़ जाता है। वे "उच्च" वोल्टेज ओपीए की तुलना में इनपुट प्रदर्शन के लिए बहुत बेहतर हैं।

— मास्टर

क्षमा करें, "स्वाभाविक रूप से clamps"

— मास्टर