Hochspannung mit ADC messen

[Karel M. (marsalek)]

Liebe Kollegen,

möchte mit einem AD Wandler Gleichspannung von 0 bis ca. +1 kV gegenüber 
der gemeinsamen Masse messen. Das Hochspannungsteil liefert max. 0.5 mA. 
Im Betrieb ist die Hochspannung konstant gehalten. Ich überlege ca. 15µA 
durch einen selbstgebauten Spannungsteiler zu jagen um daraus 0 bis +5V 
für den ADC zu bekommen.

1. wie schütze ich den Eingang des AD-Wandlers? Wenn mit einer 
Zenerdiode, wieweit verfälscht deren Strom die Messung (belasteter 
Spannungsteiler)

2. Werde wohl SMD Hochspannungswiderstände im Package 2512 verwenden, 
die 3 kV aushalten sollten (Datenblatt). Habe etwas Bauchschmerzen, 
direkt an diesem Bauteil 1000V zu haben und möchte daher 3 Stück in 
Serie schalten. Ist es so OK? Wie große Leiterbahn-Abstände muss ich auf 
der Platine einhalten?

3. Gibt es fertige Spannungsteiler mit einer Toleranz unter 1%?

4. Welches Laborequippment soll ich für unser Labor neuanschaffen, um 
solche Spannungen auf mind. 0.5V genau messen zu können?

Danke
Karel

[Ulrich (Gast)]

Ein paar Widerstände in Reihe ist bei Hochspannung eine gute Idee und 
durchaus üblich.

Es gibt fürs Oszilloskop fertige Tastköpfe für Hochspannung, sind aber 
nicht ganz billig.

Es sollte auch fertige Digitalvoltmeter für 1000 V und etwas darüber 
geben. Ggf. auch nur als Zusatzmodul zu einem Tischmultimeter. Damit 
sollten dann auch hohe Genauigkeiten drin sein.

Für nur DC könnte auch ein genauer selbst gebauter Spannungsteiler schon 
reichen. Das Aussuchen gleicher Widerstandswerte geht recht gut und 
genau. Wenn der Teiler dann aus 10 oder 20 gleichen Widerständen besteht 
ist das ja kein Problem.

Die Schutzschaltung für den AD-Wandler, oder ggf. den Verstärker vor dem 
eigentlichen Wandler kann z.B. aus Dioden mit geringem Leckstrom und 
einer Hilfspannungsquelle von z.B. 5 V bestehen. Zenerdioden haben oft 
zu viel Leckstrom. Deshalb besser nur die Hilfsspannung per Zenerdiode 
oder ähnliches begrenzen und erst über die Dioden zum Eingang.

[MaWin (Gast)]

> 1. wie schütze ich den Eingang des AD-Wandlers?

Unnötig, die Vorwiderstände begrenzen den Strom der durch die 
Schutzdioden fliesen könnte.

Aber dein uC wird an A/D 10k Eingangsimpedanz erwarten. Hast du 10k nach 
GND ? Wenn es mehr sind, muss man keinen OpAmp-Buffer einbauen, es 
reicht ein Kondensator nach Masse (10nF mindestens) der allerdings die 
Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzt.

> Wie große Leiterbahn-Abstände muss ich auf der Platine einhalten?

Beim Package 2512 ist eh nicht viel Luft, also so viel wie möglich. 3kV 
auf 2512 kommt mir auch merkwürdig vor, Vishay nennt 250V.

> 3. Gibt es fertige Spannungsteiler mit einer Toleranz unter 1%?

Sicher, bis 0.01%, Vishay ist eine gute Quelle.

> 4. Welches Laborequippment soll ich für unser Labor neuanschaffen, um
> solche Spannungen auf mind. 0.5V genau messen zu können?

0.05% ? Ein 6-stelliges Multimeter wie Keithley 2000.

[Karel M. (marsalek)]

Danke Ulrich und MaWin für euere Ideen!

> Aber dein uC wird an A/D 10k Eingangsimpedanz erwarten. Hast du 10k nach
> GND ?

Habe im Moment 270K nach GND. Der A/D (TLC4545) hat einen 
Eingangs-Leckstrom von max. 1µA, d.h. 1/15 von dem Gesamtstrom durch den 
Spannungsteiler (ergo 15µA). Das ist mir zu hohe Belastung des Teilers 
und benötigt "meine Aufmerksamkeit" :-)

> Wenn es mehr sind, muss man keinen OpAmp-Buffer einbauen, es
> reicht ein Kondensator nach Masse (10nF mindestens) der allerdings die
> Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzt.

Danke für den Tip! Wenn ich den Strom durch den Spannungsteiler 10x 
erhöhe, und den 270K/10 Widerstand mit einem 10nF puffere, bekomme ich 
eine Auflade-Zeitkonstante von 60ms - damit kann ich leben. Falls die 
Sampling Time 0.1µs (?) dauert und dabei der 10nF Kondensator mit 1µA 
entladen wird, sinkt die Kondensatorspannung um 0.1 mV während des 0.1µs 
langen Sampling-Pulses. Das ist für die benötigte Genauigkeit auch OK.

Vishay hat tatsächlich ein schönes Widerstands-Angebot. Dort finde ich 
schon das Passende.

Der Keithley 2000 gefällt mir gut!

Karel

[Andrew T. (marsufant)]

Hallo Karel,
Du hast Dazu PN.