Является ли этот зажимной делитель напряжения для высокоимпедансного входа хорошей и надежной конструкцией?

У меня есть вход переменного тока следующим образом:

1. Может варьироваться от ± 10 В до не менее ± 500 В непрерывно.
2. Работает от примерно 1 Гц до 1 кГц.
3. Требуется сопротивление> 100 кОм, в противном случае его амплитуда изменяется.
4. Иногда может быть отключено и подвергнуть систему воздействию ESD.

Когда вход ниже 20 В, мне нужно оцифровать сигнал с помощью АЦП. Когда оно выше 20 В, я могу игнорировать его как выходящий за пределы диапазона, но моя система не должна быть повреждена.

Поскольку мой АЦП нуждается в относительно жестком сигнале, я хотел буферизовать вход для дальнейших ступеней (на тех, которые я буду смещать, фиксировать его от 0 до 5 В и подавать на АЦП).

Я разработал следующую схему для моего начального входного каскада, чтобы получить безопасный сильный выходной сигнал, который я могу подать на дальнейшие ступени:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Мои цели:

1. Убедитесь, что сопротивление источника> 100 кОм.
2. Измените вход ± 20 В примерно на выход ± 1,66 В.
3. Обеспечить жесткий выход.
4. Безопасное обращение с непрерывными высоковольтными входами (не менее ± 500 В).
5. Обрабатывать события ESD, не сбрасывая большой ток / напряжение на шины ± 7,5 В.

Вот мое обоснование моей схемы:

1. R1 и R2 образуют делитель напряжения, уменьшая напряжение в 12 раз.
2. В TVS диод реагирует быстро для защиты от событий ОУР на входе, сбрасывая их к моей сильной земле, не сбрасывая ничего на моем (слабый) ± 7.5V рельсы.
3. TVS диод также обрабатывает крайнее перенапряжение (поддерживаются ± 50) шунтирования к земле. В этих случаях уже прошло R1 для ограничения тока.
4. D1 и D2 ограничивают разделенное напряжение до ± 8,5 В, поэтому мне не нужен высоковольтный конденсатор для С1 ; Находясь после R1 , ток через них также ограничен.
5. $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

Эта схема оптимальна для моих целей? Могу ли я ожидать каких-либо проблем с этим? Есть ли какие-либо улучшения, которые я должен сделать, или есть лучший способ для достижения моих целей?

РЕДАКТИРОВАТЬ 1

1. Первоначально я говорил, что это необходимо для постоянного управления ± 200 В, но я думаю, что ± 500 В является более безопасной целью.

2. Чтобы диод TVS работал как есть, необходимо разделить R1 на два резистора, здесь R1a и R1b , как предлагает @ jp314 :

^{смоделировать эту схему}

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Вот пересмотренная схема, которая включает полученные предложения:

1. Стабилитроны через источник питания ( @Autistic ).
2. Резисторы, ведущие в них ( @Spehro Pefhany ).
3. Быстрые диоды BAV199 ( @Master ; альтернатива BAV99 с меньшей утечкой, которую предложил @Spehro Pefhany , хотя с максимальной емкостью около 2 пФ, а не 1,15 пФ).
4. TVS диод снаружи и модернизирован до 500 В ( @Master ), поэтому он обрабатывает только события ESD, защищая R1 .
5. Слишком короткое замыкание с выхода ОУ на отрицательный вход ( @Spehro Pefhany и @Master ).
6. Снижение C1 до 10 мкФ ( @Spehro Pefhany ); это приводит к падению напряжения на 0,3% при частоте 1 Гц, что не так хорошо, как оригинальное ограничение 220 мкФ, но облегчит поиск конденсатора.
7. Добавлен резистор 1 кОм R6 для ограничения тока в OA1 ( @Autistic и @Master ).

^{смоделировать эту схему}

Ваш D1 и D2 будут принимать скачки входного сигнала, а не TVS - разделить 220k на 200k + 20k и поместить 20k часть между TVS и диодами.

Или просто используйте стабилитрон 4,7 В от этого узла к GND.

Вам не нужен R3 / C2. Неинвертирующий вход операционного усилителя «видит» R2 (20K) на пути постоянного тока смещения (не 220K), поэтому смещение, вероятно, будет незначительным, если вы замените его коротким. Если вы настаиваете на R3 / C2, см. Расчет ниже.

220K представляет собой емкостное реактивное сопротивление 0,7 мкФ при 1 Гц, поэтому я думаю, что небольшой и недорогой (и не протекающий) керамический конденсатор 10 мкФ будет очень хорош, добавив, в квадратуре, около 7%, так что общий эффект составляет менее 0,3% , Однако могут быть некоторые эффекты из-за зажима, поэтому лучше изучить это в зависимости от того, как именно вы ожидаете, что он будет себя вести . При зажиме он «видит» 20К последовательно с зажимом с низким импедансом, поэтому постоянная времени в 11 раз короче.

R1 имеет решающее значение для надежности - практически все напряжение падает через него - это должно быть высокое напряжение, рассчитанное на то, чтобы выдерживать любые переходные процессы, которые вы ожидаете, особенно если это входное напряжение исходит от сети, что может означать пару кВ. Vishay VR25 может подойти (этилированный). Не экономьте здесь. Если последние несколько копеек не важнее, чем надежность, я не большой поклонник использования нескольких обычных резисторов для этой цели - одна деталь с надлежащим номиналом должна быть в порядке, если вам не нужно использовать два последовательно рассчитанных резистора для еще большей надежности ,

Я бы потерял TVS и рассмотрел бы возможность зажима либо напрямую с помощью шунта (например, пары стабилитронов), либо переключающих диодов с низкой емкостью, таких как пары BAV99, с предварительно смещенными шунтами, такими как стабилитроны или TL431s (с резисторами для шин питания). Последний будет иметь гораздо меньшую емкость, чем при прямом использовании стабилитронов, и, следовательно, будет вызывать меньший сдвиг фазы на частоте 1 кГц, если это важно для вас. Ток зажима составляет менее 1 мА при напряжении 200 В, поэтому он не очень обременителен, пока R1 выдерживает любую ЭДС, которой он подвержен. Оба варианта, которые я предложил, могут легко зажать 100 мА, по крайней мере, на короткое время.

R3 / C2 на самом деле не формируют фильтр нижних частот - R3, а входная емкость операционного усилителя формирует фильтр нижних частот, и в идеале C2 должен быть намного больше, поэтому, если входная емкость равна 15 пФ, вы можете использовать 1 нФ или что-то типа того. Вы столкнулись бы с проблемами только с 20K, если бы у вас был дико неуместный ОУ (способный работать на очень высоких частотах), где результирующий сдвиг фазы повлиял на стабильность, и, конечно, короткое замыкание не имеет этой проблемы.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

P / N OP AMP и диодов на схемах ничего не значат. Диоды D3 D4 - это либо один BAV199, либо 2 соединения Gate-to-Channel в jFET MMBF4117. OA1 - это OPA365. C3 должен быть выбран, чтобы обеспечить достаточно низкую частоту прохода для фильтра на C3, R1 / 2.

R2 и R3 предпочтительно являются точными тонкопленочными резисторами или даже двумя частями одной резисторной сети. Они определяют ваш нулевой дрейф.

R5 должен быть рассчитан на напряжение 1 кВ, вы можете использовать несколько резисторов 0603 последовательно.

И, чтобы быть по-настоящему безопасным, вы можете добавить резистор 1 кОм между неинвертирующим входом OPA365 и средней точкой R1 R2. Это помогает ограничить входной ток, если что-то идет очень плохо.

Ограничитель высокого напряжения (например, диод TVS или варистор) предпочтительно подключен между входом и заземлением. Его напряжение составляет около 600-800 В.

Какой тип OPA вы используете? Если это вход FET OP AMP (входной ток ниже 100 пА), то вам не нужно R3 C2. Также, если вас не волнует смещение по постоянному току, гораздо лучше убрать R3 C2.

Я не вижу значения в TVS диоде 30 В. Абсолютно согласен с @Autistic. Вы можете поместить его прямо параллельно входу (до R1) и переключиться на тип 500-700 В. Его функция заключается в следующем: защищать R1 и другую электронику от действительно коротких скачков напряжения свыше 800 В (я не знаю, может ли ваше приложение столкнуться с такими проблемами).

R1 должен быть рассчитан либо на 1000 В, либо реализован в виде серии резисторов 0603 или более с учетом разрывов изоляции.

Что касается «настоящего» зажима: идея @Spehro Pefhany о предварительно смещенном BAV199 (два диода с малой утечкой в ​​одном корпусе SOT) выглядит лучше всего. Мне было бы наплевать на токи для силовых шин: они ограничены 4 мА (800 В / 200 кОм), это, вероятно, меньше, чем ток источника питания одного OP AMP, который вы используете.

Почему бы не поставить R2 (я полагаю, что это делитель напряжения) перед C1 и использовать очень большой резистор (1 МОм) вместо R2 - это позволяет C1 быть всего лишь небольшим мкФ.