Corrente nA de alta tensão de amplificação

Eu tenho um circuito que é essencialmente apenas uma fonte de 1kV DC conectada a uma resistência muito alta (estrutura básica do circuito ), dentro da qual a corrente na faixa de 0,1nA a 500uA flui que eu estou tentando medir usando um Arduino (a corrente varia porque a resistência varia devido a fatores externos). Tive a ideia de usar isso (ou semelhante) conectado a um Arduino: https://www.adafruit.com/product/904

No entanto, isso funciona até 26V e tem apenas uma resolução de 0.8mA.

Para resolver isso, pensei primeiro em usar um divisor de potencial para ter uma seção paralela do circuito com tensão reduzida para ~ 13V, onde o INA219 pode ir ( seção de tensão reduzida ), com resistores de alta resistência, de modo que essencialmente toda a corrente flui através desta seção.

No entanto, agora preciso amplificar a corrente nesta seção para um valor que o INA219 possa medir. Depois de pesquisar, pensei que uma boa ideia seria um par de Darlington e o implantei da seguinte maneira: com o par de Darlington . No entanto, acho que não há amplificação para isso. Estou implementando o par de Darlington incorretamente ou não funciona para correntes tão pequenas, ou um par de Darlington é completamente a idéia errada aqui para amplificar a corrente? Se esse for o caminho errado, qual seria uma boa maneira de medir a corrente desse circuito de baixa voltagem e baixa corrente com um Arduino?

Edit: Eu incluí um esquema do diagrama que eu acho que é descrito pela resposta de Olin Lathrop

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Esse seria o esquema que Olin estava pensando, com alguns bônus.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Os Zeners podem ter corrente de fuga bastante alta e você precisa de uma proteção com vazamento muito baixo, pois a corrente que você deseja medir é pequena.

Portanto, o D3 criará uma referência de 3V com a capacidade de desviar o excesso de corrente para o terra. D1 / D2 liga, apenas se algo der errado. D1 e D2 são diodos de silício normais, que você deve selecionar para baixa corrente de fuga.

O editor esquemático usou 1N4148, mas de acordo com a folha de dados, o vazamento é bastante alto. Você pode tentar o 1N3595, que tem um vazamento muito menor. Selecionei uma peça de furo passante de propósito, porque é mais fácil ter um baixo vazamento com o furo passante devido ao espaçamento maior entre os pinos ...

C1 fornece alguma filtragem passa-baixo, se necessário. Caso contrário, remova o R5 / C1.

Observe que isso só estará totalmente protegido contra um curto circuito em R1 se R3 for capaz de suportar 1kV sem arco ou queima, ou se o suprimento for desligado devido a sobrecarga, etc.

Se o seu suprimento de 1kV for capaz de produzir apenas alguns mA, os diodos D2-D3 protegerão o ADC do seu micro, mas o R2 / R3 entrará em arco e morrerá. Peças não muito caras, então sua escolha é projetar demais ou não.

Você deseja medir até 500 µA com um microcontrolador. Um resistor sensor de corrente lateral baixa parece ser a escolha óbvia, a menos que haja restrições sobre as quais você não está nos falando. Com 1 kV, deve ser aceitável baixar um volt ou alguns.

Digamos que você queira 3,0 V a 500 µA. Faça as contas. (3,0 V) / (500 µA) = 6 kΩ. Com isso entre a extremidade inferior da carga e o terra, você receberá um sinal de 0 a 3,0 V indicando 0 a 500 µA.

Com a grande tensão em volta, eu colocaria alguma proteção entre esse sinal de 3 V e o A / D. Adicione alguma resistência em série seguida de recorte de diodo no terra e 3,3 V ou algo assim.

Com um A / D de 12 bits (hoje fácil de incorporar em um microcontrolador), você obtém uma resolução de 122 nA. Se isso não for bom o suficiente, use um A / D externo, como delta-sigma, se sua largura de banda for baixa o suficiente.

Adicionado

A colocação dos diodos e R4 não faz sentido no seu esquema.

Aqui está o que eu descrevi acima:

R2 é o conversor de corrente para tensão. Faz 3,0 V a 500 µA. D1 e D2 cortam o resultado para um nível seguro e R1 fornece a impedância para que eles trabalhem.

Uma desvantagem do recorte é que a impedância de OUT se torna alta. A saída mostrada acima precisa ser armazenada em buffer antes de acionar uma entrada A / D. Isso pode ser feito com um opamp como seguidor de tensão.

Como você acaba com um opamp lá de qualquer maneira, considere reduzir o R2 e usar o opamp para amplificar. Se isso faz sentido depende de várias compensações sobre as quais você não nos falou.

Uma opção é usar um optoisolador em série com a carga:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Isso tem o benefício de poder isolar completamente a alta tensão do seu microcontrolador.

A principal desvantagem é que a taxa de transferência atual (CTR) dos optoisoladores varia, portanto, será necessária alguma calibração. Dependendo da precisão da medida necessária, é possível usar algum modelo genérico com 100% -1000% de CTR, mas com uma resposta não linear. Se você precisar de precisão extra, existem optoisoladores linearizados, mas sua CTR é de apenas 1%, o que significa que, em vez de amplificar, você atenuou o sinal e precisaria adicionar um amplificador operacional no lado de baixa tensão.