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技術(shù)專題
電流互感器：如何投影
如果需要測(cè)量來自交流電源的電流，則電流互感器可以是一種低成本，準(zhǔn)確的選擇。您可以找到專為50 / 60Hz電力線應(yīng)用和更高頻率而設(shè)計(jì)的電流互感器，該頻率更適合于工業(yè)/科學(xué)機(jī)械或過程監(jiān)控。電流互感器是非接觸式和非侵入式的，這意味著對(duì)于許多型號(hào)，您不需要通過電路板運(yùn)行交流電源。取而代之的是，電線穿過變壓器的開口，否則變壓器本身可能會(huì)打開以使其卡在電線上。
穿過電流互感器的導(dǎo)線既用作變壓器的單個(gè)繞組，又用作初級(jí)線圈。變壓器的主體有數(shù)十至數(shù)千個(gè)繞組，形成次級(jí)線圈。與電壓互感器不同，電流互感器具有反比。這意味著比率為1000：1的電流互感器將通過初級(jí)線圈中的每1A電流在次級(jí)線圈中產(chǎn)生0.001A電流。
您會(huì)發(fā)現(xiàn)電流互感器的繞組比適合于從單安培到高達(dá)數(shù)千安培的測(cè)量，這使得它們比PCB安裝/傳導(dǎo)電流傳感器的應(yīng)用范圍更廣。
在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將研究幾種將電流互感器的輸出轉(zhuǎn)換為與微控制器接口更有用的方法。乍一看，這似乎是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的任務(wù)，但是隨著您的深入研究，電流互感器會(huì)變得更加有趣，尤其是如果您以前從未使用過它們。因此，該項(xiàng)目將比我以前的一些項(xiàng)目更加實(shí)用和動(dòng)手。首先，我們將拉出面包板，函數(shù)發(fā)生器和示波器以了解電流互感器。然后，我們實(shí)際上將構(gòu)建一個(gè)精密整流器板，以便能夠最佳利用帶有微控制器ADC輸入的電流互感器。
電流互感器的基本輸出
使用歐姆定律（V = IR），我們可以將變壓器輸出的電流轉(zhuǎn)換為可用電壓。我將Talema AC1010用作本文中所有內(nèi)容的電流互感器。對(duì)于此傳感器，一個(gè)100歐姆的負(fù)載電阻將在通過電流互感器的電線上產(chǎn)生10A的1V RMS電壓
將變壓器和電阻器并聯(lián)連接后，您可以簡(jiǎn)單地將結(jié)構(gòu)的一端連接到地面，將另一端連接到ADC以獲得讀數(shù)。但是，這可能是一個(gè)非常糟糕的主意。我僅介紹此原理圖，以展示您可以看到電流互感器工作的最簡(jiǎn)單方法。
這就是示波器上ADC的輸出結(jié)果。這是我的函數(shù)發(fā)生器的輸出，用于模擬7amp負(fù)載，而不是實(shí)際的電流傳感器輸出-我們將盡快解決。
這里有一些重要的事情要注意：
信號(hào)的峰峰值為2伏，但我說的是7安（即0.7V）負(fù)載！
波形是交流電，因此是+ 1V至-1V，這是微控制器不會(huì)喜歡的。
電流互感器只是在轉(zhuǎn)換線路上的電流，因此您的實(shí)際電流將是波形的均方根（RMS）。函數(shù)發(fā)生器輸出幾乎完美的正弦波，但是根據(jù)您的負(fù)載，實(shí)際電流互感器電路中的電流可能并不那么完美。可以通過僅讀取峰值電壓來確定電流的粗略估計(jì)，但是要獲得準(zhǔn)確的電流測(cè)量結(jié)果，您將需要進(jìn)行多次測(cè)量以確定曲線下的總面積（即電流消耗）。
2V峰峰值輸出以地為中心，這對(duì)微控制器不是很友好。我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些處理，以使其更加有用。
偏置地面
由于電流互感器只是負(fù)載電阻兩端的浮動(dòng)電壓，因此，我們可以參考變壓器電壓的唯一方法是將其接地。除了將其接地以外，我們還可以將一只腳綁在通過電阻分壓器獲得的DC偏置電壓上。這將為交流波形提供一個(gè)直流偏移。
這是一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器，在電阻之間的中點(diǎn)將有3.3V輸入的一半，產(chǎn)生1.65V的DC偏移。現(xiàn)在，在0.65V至2.65V的范圍內(nèi)，我們的2V峰峰值波形應(yīng)在1.65V左右擺動(dòng)。
我們可以用示波器來顯示。我正在使用一些非常便宜的大容量電阻器，這些電阻器在分壓器的中央無(wú)法給我提供1.65V的電壓。藍(lán)色是2V峰峰值信號(hào)，黃色是具有DC偏移的信號(hào)。
我有一個(gè)用于即將進(jìn)行的項(xiàng)目的1.1kW加熱器墊，如果通過AC1010電流互感器和相同的電阻器運(yùn)行它，則會(huì)得到偏移電壓正弦波。注意波形如何不如函數(shù)發(fā)生器的波形那么完美。實(shí)際負(fù)載幾乎永遠(yuǎn)不會(huì)是完美的正弦波。
ADC分辨率
這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是我們已經(jīng)抵消了波形的電壓，以使其保持在ADC的范圍內(nèi)，這意味著我們無(wú)法有效利用很多電壓范圍。
成本相對(duì)較低的現(xiàn)代ARM Cortex微控制器將具有12位ADC，而一些較新的ADC標(biāo)準(zhǔn)配備14位或16位ADC，而一些較舊的ADC具有10位ADC。不過，對(duì)于本文而言，我將在12位ADC的前提下進(jìn)行工作。
一個(gè)簡(jiǎn)單的12位ADC將為我們提供212個(gè)或4096個(gè)可能的值。應(yīng)用于3300mV范圍，這使我們獲得約0.8mV的分辨率。上圖所示的負(fù)載的總峰峰值電壓跨度為1219mV，應(yīng)為4.5-4.7A左右的負(fù)載。1219mV為我們提供了可能的1523值（以我們計(jì)算出的分辨率顯示），當(dāng)使用我們的100歐姆負(fù)載電阻時(shí)，每個(gè)ADC值大約轉(zhuǎn)換為3mA（請(qǐng)記住：這是RMS！）。對(duì)于這個(gè)10安培的傳感器來說，這綽綽有余。但是，當(dāng)您開始讀取越來越大的安培數(shù)或使用比AC1010匝數(shù)更多的電流互感器時(shí)，這可能無(wú)法滿足您的要求。
盡管如此，這個(gè)失調(diào)的直流電壓仍然是讀取電流互感器的最簡(jiǎn)單方法，總共只需要3個(gè)電阻。您還應(yīng)該包括TVS二極管來鉗制負(fù)載，以確保在電流尖峰期間它不會(huì)超過微控制器的最大額定電壓。
精密整流器
您可以使用橋式整流器來整流電流互感器中的波形，但是二極管的正向電壓會(huì)大大降低電流感應(yīng)能力。二極管可以輕松消除超過一半的電流感應(yīng)范圍，使任何低于傳感器安培范圍一半的東西都不可讀。更糟糕的是，二極管的正向電壓會(huì)根據(jù)電壓，溫度和其他條件而變化，因此整流后的電壓不太可能特別有用。
代替簡(jiǎn)單的橋式整流器，我們可以使用兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)精密整流器。一個(gè)運(yùn)放將為您提供一個(gè)半波整流器，對(duì)于某些安培數(shù)的測(cè)量可能就足夠了。不過，全波整流器的額外組件成本可以忽略不計(jì)，因此即使在半波整流器足夠的情況下，我們也可以使用它。精密整流器在諸如此類的儀器應(yīng)用中很常見，并且是產(chǎn)生可用電壓的絕佳方法。另外，由于使用運(yùn)算放大器，因此在使用時(shí)也可以放大整流后的波形。
我正在使用便宜的AD8542運(yùn)算放大器，該放大器在一個(gè)封裝中有兩個(gè)放大器。盡管如今運(yùn)放調(diào)整的精確度令人驚訝，但將兩個(gè)放大器放在同一封裝中會(huì)大大增加兩個(gè)放大器施加相同增益的可能性，這一點(diǎn)很重要。在我的最終設(shè)計(jì)中，出于相同的原因，我還將使用0.1％的電阻器。
最后，我在運(yùn)算放大器的輸出端有一個(gè)簡(jiǎn)單的600Hz RC濾波器，以消除可能已經(jīng)拾取的任何交流噪聲。該濾波器的截止頻率足夠高，不會(huì)影響50Hz信號(hào)。
但是，我試驗(yàn)板上的原型使用的是聲稱為5％的神秘電阻，因此我們的結(jié)果不太準(zhǔn)確。
請(qǐng)注意，負(fù)波的電壓略低于正波。那是因?yàn)槲沂褂玫碾娮杵鞯钠ヅ涠炔皇翘貏e好。
當(dāng)我們用加熱元件作為負(fù)載進(jìn)行測(cè)試時(shí)，該誤差并不明顯。和以前一樣，藍(lán)色是電流互感器的波形，黃色是精密整流器的輸出。
當(dāng)我給運(yùn)算放大器一個(gè)接地參考（而不是一個(gè)負(fù)電壓）時(shí)，對(duì)于整流信號(hào)，我們會(huì)有一個(gè)103mV的微小DC偏移。該偏移量對(duì)于我的應(yīng)用程序是可接受的，因?yàn)樗且恢碌模虼丝梢栽陔娐钒鍦y(cè)試期間將其編程到微控制器中。
ADC分辨率
對(duì)于采用電壓補(bǔ)償方法施加的相同負(fù)載，我們獲得了1219mv的信號(hào)。但是，借助精密整流器和2倍的輸出增益，我們實(shí)際上對(duì)該信號(hào)的峰峰值讀數(shù)為2066mV。我們剛剛將分辨率提高了一倍！
由于這次我們還能夠查看示波器的原始波形，因此我們可以計(jì)算該波形的RMS電壓以確定電流消耗。442.9mV應(yīng)該表示我們正在通過加熱器拉4.429A。如果正確，我們的12位ADC的電流檢測(cè)分辨率為1.71mA，這足以滿足我的應(yīng)用要求。
電流傳感器正確嗎？
問題是，我該如何驗(yàn)證當(dāng)前測(cè)量值正確或至少接近？每個(gè)器件都有其自己的公差和精度，而AC1010數(shù)據(jù)表的對(duì)數(shù)圖使用100 ohm負(fù)載電阻很難讀取該器件的公差。取而代之的是，我們可以計(jì)算出預(yù)期的負(fù)載，并將其與傳感器測(cè)得的波形進(jìn)行比較。理想情況下，我將在多個(gè)負(fù)載下執(zhí)行此操作，但是對(duì)于本文，我將僅使用它來查看我們是否還遠(yuǎn)遠(yuǎn)接近預(yù)期的結(jié)果。
測(cè)量加熱元件
我使用4線電阻測(cè)量來測(cè)量加熱元件。在讓我的萬(wàn)用表將讀數(shù)平均一段時(shí)間后，它穩(wěn)定在50.262歐姆。
測(cè)量負(fù)載電阻
考慮到我使用的某些10k電阻有多糟糕，我驚喜地發(fā)現(xiàn)我一直在使用的100 ohm負(fù)載電阻為99.983 ohms。
測(cè)量交流電源
在負(fù)載電阻如此接近標(biāo)稱值的驚訝之后，我沒想到我的交流電壓會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果。我住過的其他國(guó)家聲稱電壓為240V，但我在墻上測(cè)得的電壓為270VAC。英國(guó)為240V + 10 / -20％，我的房子為239.632V！對(duì)我來說，這真是太神奇了。
放在一起
現(xiàn)在回到歐姆定律，V = IR，在50.262歐姆負(fù)載下的239.623V，意味著我們應(yīng)該看到4.76766A。在上一次使用精密整流器的測(cè)試中，我們測(cè)量了傳感器的4.429V RMS。使用99.983 ohm負(fù)載電阻，該電阻應(yīng)等于4.4297A，這意味著我們的折扣大約為7％。
您可以購(gòu)買更精密的電流互感器，但是這些價(jià)格便宜，并且10％的公差足以滿足我的應(yīng)用需求。
精密整流器設(shè)計(jì)
精密整流器的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在精密儀器應(yīng)用中非常常見。第一個(gè)運(yùn)算放大器將信號(hào)反相，而參考地則切斷了負(fù)電壓，僅給我們一個(gè)正的半整流信號(hào)。為了確保整流波形的對(duì)稱性，第一個(gè)運(yùn)算放大器增益為統(tǒng)一（R3 = R6）。第二個(gè)運(yùn)算放大器合并兩個(gè)信號(hào)，并且將電阻器R8和R5設(shè)置為5k和10k，我們將輸出電壓加倍。
最大電壓注意事項(xiàng)
運(yùn)放能夠輸出的最大電壓為V +減去二極管正向電壓。在精密整流器設(shè)計(jì)期間應(yīng)牢記這一點(diǎn)。如果增益太高而無(wú)法使用ADC可以讀取的整個(gè)電壓范圍，則將削波波形的頂部。
最大電流考慮
您還應(yīng)該留出一些空間以容納安培數(shù)峰值。該傳感器將讀取的實(shí)際電流負(fù)載應(yīng)小于我為測(cè)試而施加的1100W負(fù)載。但是，即使在全量程下，該精密整流器在全10A負(fù)載下也將具有約2.8V的輸出。對(duì)于我的應(yīng)用程序來說，這應(yīng)該綽綽有余，但是請(qǐng)記住這一點(diǎn)，以防不適合您的應(yīng)用程序。
讓我們?cè)O(shè)計(jì)一塊PCB！
該項(xiàng)目的電路板設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗挥猩倭拷M件，沒有高頻。對(duì)于新的Altium用戶而言，這將是一個(gè)非常好的第一個(gè)PCB項(xiàng)目。
我計(jì)劃在即將到來的項(xiàng)目中使用其中的6個(gè)電流互感器，因此我希望將設(shè)計(jì)保持盡可能小。我在板上添加了Molex SL 70553系列閂鎖連接器，這將使它成為用于測(cè)量機(jī)械或其他設(shè)備內(nèi)部電流的實(shí)用獨(dú)立板。由電流互感器確定寬度，由連接器確定電路板的長(zhǎng)度，我們最終得到25x25mm的區(qū)域，可以在其中布置電路。我正在使用0603組件使該項(xiàng)目對(duì)組裝和手工焊接“初學(xué)者友好”。AD8542運(yùn)放的MSOP-8版本可能與此有所抵觸，但它也采用SOIC-8封裝，可以很容易地安裝在額外的電路板上。修改設(shè)計(jì)以使用更大的IC，對(duì)于初學(xué)者來說可能是一個(gè)不錯(cuò)的練習(xí)。
我還在設(shè)計(jì)中添加了一些大型1206去耦電容器。如果該板位于電纜的末端，那么板載電容會(huì)一直很好。
根據(jù)您所居住的國(guó)家/地區(qū)，此設(shè)計(jì)為50hz或60hz，因此沒有信號(hào)需要阻抗匹配或任何其他使電路板設(shè)計(jì)過程復(fù)雜化的考慮。