Усиливающий ток высокого напряжения нА

У меня есть схема, которая, по сути, представляет собой источник постоянного тока 1 кВ, подключенный к очень высокому сопротивлению ( контур базовой схемы ), внутри которого течет ток в диапазоне от 0,1 нА до 500 мкА, который я пытаюсь измерить с помощью Arduino (ток меняется, потому что сопротивление меняется из-за внешних факторов). У меня была идея использовать это (или подобное) подключенное к Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

Однако это работает до 26 В и имеет разрешение всего 0,8 мА.

Чтобы решить эту проблему, я сначала подумал об использовании делителя потенциала для параллельного участка цепи с напряжением, уменьшенным до ~ 13 В, куда может идти INA219 ( секция пониженного напряжения ), с резисторами высокого сопротивления, так что практически весь ток протекает через этот участок.

Однако теперь мне нужно усилить ток в этом разделе до значения, которое может измерить INA219. После поиска вещей я подумал, что хорошей идеей для этого будет пара Дарлингтона, и реализовал это так: с парой Дарлингтона . Однако я считаю, что для этого нет усиления. Я неправильно реализую пару Дарлингтона или она не работает для таких малых токов, или пара Дарлингтона совершенно не подходит для усиления тока? Если это неправильный путь, какой будет хороший способ измерить ток этой низковольтной цепи высокого напряжения с Arduino?

Изменить: я включил схему диаграммы, которая, как мне кажется, описывается ответом Олина Латропа

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

Это будет схема, о которой думал Олин, с несколькими бонусами.

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

Стабилизаторы могут иметь довольно высокий ток утечки, и вам нужна защита с очень малой утечкой, поскольку ток, который вы хотите измерить, крошечный.

Таким образом, D3 будет создать ссылку 3V с возможностью шунта избыточного тока на землю. D1 / D2 включится, только если что-то пойдет не так. D1 и D2 - нормальные кремниевые диоды, которые вы должны выбрать для низкого тока утечки.

В редакторе схемы использовался 1N4148, но, согласно данным, утечка довольно высока. Вы можете попробовать 1N3595, который имеет гораздо меньшую утечку. Я специально выбрал деталь с сквозным отверстием, потому что легче иметь малую утечку через сквозное отверстие из-за более широкого расстояния между пальцами ...

C1 обеспечивает некоторую фильтрацию нижних частот, если это необходимо. Если нет, удалите R5 / C1.

Обратите внимание, что это будет полностью защищено от короткого замыкания на R1 только в том случае, если R3 способен выдержать 1 кВ без искрения или возгорания, или если питание отключается из-за перегрузки по току и т. Д.

Если ваш источник питания 1 кВ способен выдавать только несколько мА, то диоды D2-D3 будут защищать АЦП вашего микро, но R2 / R3 будут дуги и умирают. Не очень дорогие запчасти, поэтому ваш выбор переоценить или нет.

Вы хотите измерить до 500 мкА с помощью микроконтроллера. Чувствительный резистор низкого напряжения кажется очевидным выбором, если нет ограничений, о которых вы не говорите. С 1 кВ, должно быть приемлемо падение вольт или несколько.

Допустим, вы хотите 3,0 В при 500 мкА. Делать математику. (3,0 В) / (500 мкА) = 6 кОм. При этом между нижним концом нагрузки и землей вы получите сигнал от 0 до 3,0 В, указывающий от 0 до 500 мкА.

При большом напряжении я бы поставил некоторую защиту между этим сигналом 3 В и аналого-цифровым сигналом. Добавьте некоторое последовательное сопротивление с последующим ограничением диода на землю и 3,3 В или что-то в этом роде.

Благодаря 12-битному АЦП (который в настоящее время легко встроить в микроконтроллер) вы получаете разрешение около 122 нА. Если этого недостаточно, используйте внешний A / D, например delta-sigma, если ваша пропускная способность достаточно мала.

добавленной

Расположение диодов и R4 не имеет смысла в вашей схеме.

Вот что я описал выше:

R2 - преобразователь тока в напряжение. Он составляет 3,0 В при 500 мкА. D1 и D2 обрезают результат до безопасного уровня, а R1 обеспечивает сопротивление, с которым они могут работать.

Один недостаток ограничения состоит в том, что полное сопротивление OUT становится высоким. OUT, показанный выше, должен быть буферизован перед запуском A / D-входа. Это можно сделать с помощью операционного усилителя в качестве повторителя напряжения.

Так как вы в любом случае получите там операционный усилитель, вы можете подумать о снижении R2 и использовании операционного усилителя для усиления. Имеет ли это смысл, зависит от различных компромиссов, о которых вы нам не сказали.

Одним из вариантов является использование оптоизолятора последовательно с нагрузкой:

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

Это дает то преимущество, что вы можете полностью изолировать высокое напряжение от вашего микроконтроллера.

Основным недостатком является то, что коэффициент передачи тока (CTR) оптоизоляторов варьируется, поэтому потребуется некоторая калибровка. В зависимости от того, насколько точное измерение вам нужно, вы можете использовать некоторую общую модель со 100% -1000% CTR, но несколько нелинейным откликом. Если вам нужна дополнительная точность, существуют линеаризованные оптоизоляторы, но их CTR составляет всего около 1%, что означает, что вместо усиления вы ослабили сигнал, и вам потребуется добавить операционный усилитель на стороне низкого напряжения.