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瞬間變化電流檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

作者:王公堂,王春興 時(shí)間:2008-11-27 來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù) 收藏

1 引 言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/89839.htm

  指針式和光點(diǎn)式檢流計(jì)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(shí),線圈做阻尼運(yùn)動(dòng),達(dá)到穩(wěn)定位置需要一定的時(shí)間,檢流計(jì)響應(yīng)速度較慢,因而不能檢測(cè)到瞬時(shí)變化的電流和回路要求損耗較小的瞬時(shí)電流(例如LC振蕩電流),也不適于測(cè)量回路電阻較小的瞬時(shí)電路電流。通常萬(wàn)用表只可測(cè)量交流電流的有效值和直流電流大小。因此檢流計(jì)和萬(wàn)用表都不能滿足測(cè)量和觀察瞬時(shí)變化電流的需要。本設(shè)計(jì)利用短路電流放大器的原理對(duì)檢測(cè)電流進(jìn)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(cè)瞬變電流的大小和變化方向。

2 原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 短路電流放大器

  借助集成運(yùn)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(diǎn),利用短路電流放大器的原理對(duì)待檢測(cè)電流進(jìn)行1:1放大,展寬信號(hào)的內(nèi)阻大小要求范圍,提高了檢測(cè)的靈敏度,實(shí)現(xiàn)瞬間變化電流的檢測(cè)。圖1所示為一反相輸入比例運(yùn)算放大器電路,輸入信號(hào)Vi經(jīng)過(guò)電阻R1接到集成運(yùn)放的反相輸入端∑,而同相輸入端∑'經(jīng)過(guò)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(fù)反饋。在實(shí)際應(yīng)用中為了保證運(yùn)放的2個(gè)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(dòng)輸入電壓,應(yīng)使反相輸入端與同相輸入端對(duì)地的電阻相等。在圖1中應(yīng)使R2=R1∥RF。由于理想運(yùn)放的L=L=0,所以R2上無(wú)壓降,VO=0,再由理想運(yùn)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(gè)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?yàn)閂∑∑=0,相當(dāng)于信號(hào)源外電路短路,但實(shí)際并不斷路,∑,∑'之間電阻極大,又因?yàn)?sum;點(diǎn)對(duì)地電阻達(dá)到幾兆歐,所以信號(hào)源的輸出電流只能經(jīng)RF和IC形成回路,即VO=IORF。

 

2.2 檢測(cè)電路工作原理

  瞬變電路原理如圖2所示。選用TL084結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入運(yùn)算放大器,其中的每一個(gè)運(yùn)算放大器在單塊集成電路上使用了高電壓結(jié)型場(chǎng)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(diǎn)。集成運(yùn)放A與R1成短路電流放大器,B與R2~R6、W1構(gòu)成一個(gè)反相加法器,,對(duì)運(yùn)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(shí),運(yùn)放B的輸出電壓VO≠0,則可移動(dòng)多圈電位器W1的活動(dòng)觸頭使VO=0,實(shí)際上,W1相當(dāng)于指針式檢流計(jì)調(diào)零旋鈕的作用。運(yùn)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(gè)基準(zhǔn)電壓,各集成運(yùn)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(yùn)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(guò)發(fā)光二極管組成電平指示電路來(lái)同步反映端子a,b間流過(guò)電流的相對(duì)大小、方向及變化規(guī)律。運(yùn)放C~G構(gòu)成的5個(gè)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(gè)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(fù)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(duì)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(duì)應(yīng)發(fā)光管LED1~LED3發(fā)光。發(fā)光管的數(shù)目與檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)的比較器H,j,k,1,M依次輸出高電平,使對(duì)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(zhǎng)ED7~LED8~LED9~LED10~0LED11。這樣,通過(guò)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(cè)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(cè)電流i與R。的乘積,即:V1=-iR1。V1max=-4.8 V。取R1=330 Ω,則可測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)范圍是8.06×10-6A~14.55×10-3A。驅(qū)動(dòng)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 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,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(wú)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(cè)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(duì)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(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng),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(chǎng)、導(dǎo)線運(yùn)動(dòng),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(dòng)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(dòng)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(wú)法分辨其方向變化,幾乎一直發(fā)光,這正好說(shuō)明50 Hz交流電通過(guò)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(yǔ)

  本瞬間變化電流的檢測(cè)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(cè)瞬時(shí)變化的電流,適合用于檢測(cè)待測(cè)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(cè)量低成本的測(cè)量?jī)x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)。

 



關(guān)鍵詞: 電流檢測(cè)儀

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