二線制交流電流變送器的設(shè)計步驟

前言
根據(jù)廣大網(wǎng)友的要求，特別是剛走出學(xué)校門的大學(xué)生們，在進行電路設(shè)計時，面對新的項目，無法下手，不知道具體的設(shè)計思路從何處怎樣開展，到處求人提供資料，而大部分都不能實用。
本 人經(jīng)常收到網(wǎng)友的求助，要求提供設(shè)計思路。但本人的答復(fù)僅對某個項目提出一點建議，而針對廣大網(wǎng)友來講，起不到啟發(fā)作用！原因是，很多網(wǎng)友不希望本人公開 答復(fù)，一是擔(dān)心提出的問題太低級，招來某些“閑人”的熱潮冷諷。二是存在人們固有的保守思想的影響，不想讓別人知道他的“秘密項目”。用現(xiàn)在比較時髦的話 來講，稱“保護知識產(chǎn)權(quán)”。
知識產(chǎn)權(quán)是有時效性的！過分強調(diào)保護知識產(chǎn)權(quán)，對于整個社會的發(fā)展是有害而無益的！
比如本人在網(wǎng)上轉(zhuǎn)載多年前公開發(fā)行的專業(yè)書籍，就引來不少非議。而提出非議的并不是作者本人！我想，作者寫書的目的并非純粹為了經(jīng)濟利益吧？
在這里提醒大家一下，任何項目，從設(shè)計到實施完成，都是一個系統(tǒng)工程，并非是某一個專業(yè)能夠獨立完成的。它需要不同專業(yè)的密切配合，齊心協(xié)力，共同攻關(guān)，最終的成功必定是一個集體智慧的結(jié)晶！
為了向大家提供一個具體的設(shè)計思路，這里將本人十年前設(shè)計的一個小項目的具體步驟公開出來，希望能夠給大家今后進行設(shè)計項目時起到一點引導(dǎo)作用。同時也希望專家學(xué)者給本人提出批評指導(dǎo)意見。

二線制交流電流變送器的設(shè)計步驟

已知大電流電流互感器均將不同的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的交流電流進行現(xiàn)場顯示。而進行遠距離傳送時，必須將該電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號4~20mA，才能進行傳送。
市場上此類交流電流變送器大都采用“四線制”的方法：即交流電源線二根，直流電流信號線二根。而我們設(shè)計的是“二線制交流電流變送器”則只采用二根電線：即在給變送器內(nèi)的電路提供直流電源的同時，將根據(jù)0~5A交流電流變化的變送輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號4~20mA遠傳至控制室顯示或進入計算機內(nèi)處理后在顯示器畫面上顯示。
設(shè)計思路
1，選擇低功耗元器件，在滿足功能要求的前提下，盡量簡化電路，滿足二線制儀表的要求。
2，采取有效措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小溫度飄移。
3，完善系統(tǒng)保護措施，增加儀表的可靠性。

一，互感器的選擇
電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當(dāng)初級流過交流電流時，次級線圈則對應(yīng)其變比產(chǎn)生交流電流。再通過負載電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓信號。
合理選擇互感器的變比十分重要。
在選擇變比之前，首先要確定通過互感器產(chǎn)生的負載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在2~3V/AC左右。
同時選擇互感器負載電阻為標(biāo)準(zhǔn)系列電阻。選RL=1KΩ。（見圖一）

例如：輸入信號電壓選2.5V。
I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA
已知:交流電流輸入為0~5A，
則變比為:5A/0.0025A=2000
即1:2000
所以,當(dāng)電流互感器初級電流為0~5A變化時,次級負載電阻兩端的電壓為0~2.5V。
選擇5A/2.5mA的互感器。
如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3V時，只需要將負載電阻選擇為RL=1.2KΩ即可。
V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V
仍然選擇5A/2.5mA的互感器。
二，整流電路的選擇
如果輸入的信號非常微弱時，需要首先對信號進行放大后再進行整流。為了簡化電路，我們選擇的輸入信號電壓幅度比較大，0~2.5V/AC。所以可以直接整流，而不必進行放大。
如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會造成小電流時不能正常輸出，從而造成在互感器輸入≤1A電流時，變送器無法線性輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.5~0.7V左右，當(dāng)互感器輸入電流≤1A時，次級負載電阻兩端的電壓為≤0.5V，此時晶體二極管無法導(dǎo)通！
我們利用運算放大器的反饋電路來實現(xiàn)理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。
同時，為了簡化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路。（見圖二）

圖中的R2，R3，D1與N1運算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1串接于運算放大器N1的輸出端，并且從D1的陰極開始進行反饋。R2是串聯(lián)的輸入電阻Ri，R3是反饋電阻Rf。既然不需要進行放大，所以選擇R3=R2。通常選擇通用運算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相對誤差盡量小一點，否則輸出的直流電壓會產(chǎn)生誤差。
對于輸入的負半周信號來講，N1是一個典型的反相放大器。此時的增益為
A=（—Vi）×（—R3/R2）=Vi
而對于輸入的正半周信號來講，N1的輸出則變成負值
A=Vi×（—R3/R2）=—Vi
此時D1被反相偏置而截止，輸入信號Vi則通過R2，R3串聯(lián)電路直接輸出至后一級電路。
(未完待續(xù))