瞬變電流檢測儀的工作原理及應(yīng)用

　　當(dāng)有電流i從a端流入，假如大小0.1 mA，則放大器B的輸出電壓為VO=0.000 1 A×330 Ω×40=1.32 V，高于電壓比較器E，F(xiàn)，G的基準(zhǔn)電壓，他們輸出高電平，對應(yīng)發(fā)光管LED3～LED5，發(fā)光;當(dāng)i=0.15 mA，則VO=0.00 015 A×330 Ω×40=1.98 V，高于電壓比較器C，D，E，E，G的基準(zhǔn)電壓，這些比較器輸出高電平，對應(yīng)發(fā)光管LED1～LED3發(fā)光。發(fā)光管的數(shù)目與檢測電流的大小成正比，輸入電流由小到大變化時(shí)，發(fā)光管點(diǎn)亮的次序?yàn)長ED5～LED4～LED3～LED1～LED1。當(dāng)電流從b端流入，放大器B的輸出電壓VO為負(fù)，擔(dān)任負(fù)向電流檢測的比較器H，j，k，1，M依次輸出高電平，使對應(yīng)LED發(fā)光。電流越大，VO越低，發(fā)光管點(diǎn)亮的數(shù)目越多，點(diǎn)亮次序?yàn)長ED7～LED8～LED9～LED10～0LED11。這樣，通過弧形排列的十只LED(常亮的LED6除外)的發(fā)光數(shù)目和位置即可定性地反映檢測電流的方向和大小。且發(fā)光管與電流的變化同步顯示，非常形象、直觀。

　　由于運(yùn)放A的輸出端電壓V.等于被測電流i與R。的乘積，即：V1=-iR1。V1max=-4.8 V。取R1=330 Ω，則可測電流的最大值為imax=V1max/R1=14.55 mA。電阻R7～R17串聯(lián)總電阻RS為22.07 kΩ。R12兩端的電壓V12=(5 V+5 V)R12/RS=10×470/(22.07×103)V=0.212 96 V，運(yùn)放G，H的參考電壓分別為V12/2=0.106 5 V和-V12/2=-0.106 5 V。輸出0.106 5 V電壓對應(yīng)的輸入電壓為0.106 5/40=0.002 7 V，該電壓值大于TL084的輸入誤差電壓。設(shè)能夠檢測的最小電流為imin，因?yàn)閕min×R1×AV≥V12/2，所以imin≥V12/(2R1 Av)=0.106 5/(330×40)A=8.06×10-6A，所以該檢流計(jì)的電流檢測范圍是8.06×10-6A～14.55×10-3A。驅(qū)動顯示同一方向電流大小的相臨的兩個(gè)運(yùn)放如運(yùn)放E、F間的參考電壓V=10 V×R10/RS=10 V×1 kΩ/(22.07 kΩ)V=0.453 1 V，設(shè)可區(qū)分的輸入電流的大小為△i，則△iR1Av=V，所以△i=V/(R1Av)=0.4531/(330×40)A=3.43×10-5A，因此能夠顯示的電流的區(qū)分度為3.43×10-5A。

　　閉合電鍵K2可借助發(fā)光二極管觀察電流的變化方向及觀察電流定性的大小變化。閉合電鍵K3可用電壓表觀察電流變化的大小，但由于電壓表的固有原因，電壓表不能反映頻率較高的電流的實(shí)際大小。

　　2.3 電流檢測儀制作

　　運(yùn)放A～M用3塊運(yùn)放集成電路TL084，每塊運(yùn)放集成電路內(nèi)含有4個(gè)相同的運(yùn)算放大器，他們電源共用，彼此獨(dú)立工作。發(fā)光二極管LED6為紅色或黃色，其余LED為綠色，均用φ6高亮度的，所有電阻均用1/8 W精度為1±%的金屬膜電阻，C1用耐壓25 V的電解電容器，W1用阻值為1 kΩ的多圈電位器。電源使用±5 V的雙輸出穩(wěn)壓電源。除電位器W1，LED及限流電阻R18～R28外，其余元件都設(shè)計(jì)安裝在1塊敷銅板上，電路板圖如圖3所示，所有限流電阻均和LED焊在一起，這樣可減少引線。為適應(yīng)指針式檢流計(jì)的觀察習(xí)慣，可把LED1～LED11呈扇形排列安裝在面板上，LED6排在正中間，如圖3所示，為便于學(xué)生觀察，電流檢測儀外形尺寸可適當(dāng)大些，如：高40 cm，寬25 cm，厚10 cm。只要元件無誤，安裝正確，不用調(diào)試，均能正常工作。

　　3 應(yīng) 用

　　使用前，接通電源開關(guān)K1，調(diào)整W1使排在正中間的LED6發(fā)光外，其余LED均不發(fā)光(即調(diào)零)。把接線柱a、b接入待測電路。即可向指針式檢流計(jì)一樣進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

　　LC電磁振蕩的演示 L選擇電感系數(shù)大、內(nèi)阻小的帶磁芯線圈，振蕩周期要大，町使用J2343型電磁振蕩演示儀的特制自感線圈，其最大電感量大于500 H，電阻小于50 Ω，電容最好選用0.6μF的CBB電容器，若用耐壓大于25 V的普通電容器代替，反向漏電較嚴(yán)重，加快了能量的損耗，振蕩持續(xù)的時(shí)間將變短，電源用6 V。按演示實(shí)驗(yàn)電路要求連接操作，即可清楚的觀察到周期相同的減幅振蕩。由于LC振蕩回路阻尼小，振蕩次數(shù)可觀察到5次以上，且可以觀察周期為十分之一秒的振蕩，而指針式檢流計(jì)一般只能觀察2個(gè)周期，且對于周期小于1 s的很難反應(yīng)。換用不同容量的電容器可驗(yàn)證振蕩周期與電容的關(guān)系。

　　單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示 用1根50～80 cm的軟導(dǎo)線，兩端分別接到該檢流計(jì)接線柱a，b上，手拿導(dǎo)線的中間部分放人馬蹄型磁鐵磁場中做切割磁力線運(yùn)動，檢流計(jì)即顯示有感應(yīng)電流產(chǎn)生?？煞浅Ｃ黠@的驗(yàn)證磁場、導(dǎo)線運(yùn)動，感應(yīng)電流三者方向之間的關(guān)系，即右手定則，解決了單根導(dǎo)線切割磁力線運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)演示難題。

　　發(fā)電機(jī)原理的演示 把單相交流發(fā)電機(jī)模型的輸出端接到該檢流計(jì)輸入端a，b上，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子從中性面位置開始緩慢旋轉(zhuǎn)，搖一周，發(fā)光二極管顯示電流的大小方向變化一個(gè)周期。逐步加快轉(zhuǎn)速，則兩側(cè)發(fā)光管交替顯示得越快，且發(fā)光管亮得數(shù)目越多，但始終與轉(zhuǎn)動同步。當(dāng)轉(zhuǎn)速快到一定程度后，兩側(cè)發(fā)光管交替閃光逐漸加快到無法分辨其方向變化，幾乎一直發(fā)光，這正好說明50 Hz交流電通過燈泡而看不出燈光閃爍的道理。這也正是指針式檢流計(jì)所不及的觀察效果。

　　4 結(jié) 語

　　本瞬間變化電流的檢測儀克服了指針式和光標(biāo)式檢流計(jì)在電路中損耗較大，響應(yīng)速度較慢的固有缺點(diǎn)，能夠檢測瞬時(shí)變化的電流，適合用于檢測待測回路要求損耗較小以及回路電阻較小的瞬時(shí)電流。作為相關(guān)物理和電予測量低成本的測量儀器，其可用于LC電磁振蕩、單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)原理等演示實(shí)驗(yàn)。