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瞬間變化電流檢測儀的應(yīng)用和設(shè)計

作者: 時間:2011-10-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引 言

指針式和光點式檢流計的外臨界電阻較大,內(nèi)阻較大,在電路中的損耗較大,而且在通電線圈中的電流發(fā)生變化時,線圈做阻尼運動,達到穩(wěn)定位置需要一定的時間,檢流計響應(yīng)速度較慢,因而不能檢測到瞬時變化的電流和回路要求損耗較小的瞬時電流(例如LC振蕩電流),也不適于測量回路電阻較小的瞬時電路電流。通常萬用表只可測量交流電流的有效值和直流電流大小。因此檢流計和萬用表都不能滿足測量和觀察瞬時變化電流的需要。本設(shè)計利用短路電流放大器的原理對檢測電流進行1:1放大后,可結(jié)合附屬電路借助發(fā)光二極管定性地檢測瞬變電流的大小和變化方向。

2 原理與實現(xiàn)

2.1 短路電流放大器

借助集成運放電路轉(zhuǎn)換速率高,輸入基極電流和漂移電流小,漂移電壓溫度系數(shù)小的特點,利用短路電流放大器的原理對待檢測電流進行1:1放大,展寬信號的內(nèi)阻大小要求范圍,提高了檢測的靈敏度,實現(xiàn)電流的檢測。圖1所示為一反相輸入比例運算放大器電路,輸入信號Vi經(jīng)過電阻R1接到集成運放的反相輸入端∑,而同相輸入端∑經(jīng)過電阻R2接地。輸出電壓VO經(jīng)反饋電阻RF接回到反相輸入端,形成一深度的電壓負反饋。在實際應(yīng)用中為了保證運放的2個輸入端處于平衡的工作狀態(tài),避免輸入偏流產(chǎn)生附加的差動輸入電壓,應(yīng)使反相輸入端與同相輸入端對地的電阻相等。在圖1中應(yīng)使R2=R1∥RF。由于理想運放的L=L=0,所以R2上無壓降,VO=0,再由理想運放的V+=V-,所以V-=0,得Vi=Ii×R1,所以反相輸入放大電路的等效輸入電阻r1=V/Ii=Ii×R1/Ii=R1。若使R1=0,則放大器輸入電阻即為零,根據(jù)平衡電阻的取值要求R2=R1∥RF,則R2=0,這就構(gòu)成了一個短路電流放大器,電流輸入的阻抗為零,輸出的電壓VO的大小隨輸入的電流線性變化。如圖1所示,因為V∑∑=0,相當(dāng)于信號源外電路短路,但實際并不斷路,∑,∑之間電阻極大,又因為∑點對地電阻達到幾兆歐,所以信號源的輸出電流只能經(jīng)RF和IC形成回路,即VO=IORF。

2 檢測電路工作原理

瞬變電路原理如圖2所示。選用TL084結(jié)型場效應(yīng)管輸入運算放大器,其中的每一個運算放大器在單塊集成電路上使用了高電壓結(jié)型場效應(yīng)管和雙極性管,兼容了更好的匹配性,具有轉(zhuǎn)換速率高,輸入基極電流和輸入漂移電流小,漂移電壓溫度系數(shù)低的特點。集成運放A與R1成短路電流放大器,B與R2~R6、W1構(gòu)成一個反相加法器,,對運放A的輸出電壓V1起放大作用,其中R3,R4與W1構(gòu)成電路,如果輸入i=0時,運放B的輸出電壓VO≠0,則可移動多圈電位器W1的活動觸頭使VO=0,實際上,W1相當(dāng)于指針式檢流計調(diào)零旋鈕的作用。運放B的電壓放大倍數(shù)AV=-R6/R2=-40。R7~R17串聯(lián)分壓產(chǎn)生10個基準(zhǔn)電壓,各集成運放接成電壓比較器,并與電阻、發(fā)光二極管組成電平指示電路。當(dāng)有輸入電流i,運放A的輸出電壓V1=-i?R1,該電壓被由B與R2~R6、W1構(gòu)成的放大電路放大后與電壓比較器的參考電壓相比較,通過發(fā)光二極管組成電平指示電路來同步反映端子a,b間流過電流的相對大小、方向及變化規(guī)律。運放C~G構(gòu)成的5個電壓比較器,其反相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓1.918 9 V,1.465 8 V,1.012 7 V,0.559 6 V,0.106 5 V,同相輸入端都接放大器B的輸出VO,用于正向電流(即從a端流人,b端流出)的比較顯示。另5個電壓比較器的同相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓,-0.106 5 V,-0.559 6 V,-1.012 7 V,-1.465 8 V,-1.918 9 V,反相輸入端都接放大器的輸出VO,用于負向電流(即從b端流入,a端流出)的比較顯示。

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,發(fā)光管點亮的次序為LED5~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,擔(dān)任負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)光管點亮的數(shù)目越多,點亮次序為LED7~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,因為imin×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運放如運放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。


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