4.3.3.1电流检测方法

特殊运算放大器（三）

电流检测方法

位于书本的4.3.3节

在实际应用中呢我们经常需要检测电流的大小

电压检测相对容易我们通过电阻分压就行了

但是电流检测方法需要麻烦一些

通常有两大类检测方法：隔离或者不隔离

对于工频正弦交流电来说

我们最方便的就是采用电流互感器进行隔离检测

利用变压器的原理将原边电流折算到副边

那么使用电流互感器呢有几个注意事项

第一待测电流导线穿过互感器的中心

相当于是变压器的初级就1匝

副边呢则有多匝

那么互感器的参数呢不是标匝数比

而是标 100A：1A 类似这种

它不仅呢告诉我们匝数比是多少

而且呢给定了额定电流参数

那么小型电流互感器呢也采取实心结构

相当于把穿心导线提前给做进去了

那我们直接引这个接头来用就行

我们把主电路电线接在这儿就可以了

我们一定要记得电流互感器的次级是不能够断路的

图式的仿真电路我们次级呢

采用 1MΩ 的电阻来模拟断路情况

我们假设不是断路是接了一个非常大的电阻

那么我 VG1 采用 1000V 的正弦波

待测电流呢就刚好是 100A

折算到次级，1A

那么仿真结果显示呢我的输出电压10万伏

这个现象很好解释

次级电流为 1A

那么乘以电阻 1MΩ

那么电压就是10万伏

仿真中使用的变压器是理想变压器

而实际中呢电压未必能到10万伏

但是定性是类似的

我们图示电路犯的错误呢

其实来源于长期以来我们对于电压源和电流源的不熟悉

电压源是不能短路的

而电流源不能够断路

电压源常见而电流源不常见

所以我们也习惯性地不敢把电流源去短接

对于电流互感器来说它的输出端

在任何时候都应该并联上一个电阻或者是直接并导线

以免产生高压带来损害危险

使用电流互感器还有一个注意事项

就是图中采用电阻R的功率问题

我们通常电路都是不太去计算电阻的功率是否会超标的

但是电流互感器所用的这个电阻是需要计算的

那么具体的方法就是

我根据信号的要求

比如说我现在

次级最大是 1A

我希望 1A 的时候呢

能跟我对应出 5V 的采样电压给我采样

那么我一除我就知道

我这个电阻是要求 5Ω 的一个采样电阻

那么根据 I2R

这个电阻呢功率就是 5W

我们一般呢算这种发热功率留一倍的安全裕量

也就是说我们最终取 5Ω/10W 的一个功率电阻来放在这个地方

那么对于非正弦工频交流电

它是直流或者是非工频正弦

那么就不能用互感器

互感器只能测工频

其它频率的或者其它波形的交流也是不能测的

这时候呢我们可以通过霍尔传感器

也可以通过分流器来进行非隔离测量

那么这个分流器的名字比较好听

但实际上它就是个检流电阻

我们这检流电阻呢是串联在电路中

电流很大，必然发热

而我们不会再去，在工作中不会去测量电阻值

所以检流电阻的电阻值必须是温度稳定的

图中所示呢为大功率的分流器

它黑色部分呢一般是康铜材料

铜合金材料它的热稳定性非常好

发热电阻值也不太变化

缺口呢用于微调电阻值

银白色部分是纯铜的紫铜的，镀了一层锡

用来做接头，尽量减少它的电阻

那么检流电阻的阻值一般都很小

因为它要产生电压不能去影响主电路

所以分流器呢

我们一般标准分流器是 XXA/75mV

也就是说达到额定电流的时候它的压降是 75mV

那么这种标准的 75mV 的分流器是可以接指针仪表的

接上仪表就可以当指针表用

那么如果不接指针的仪表

你得到只有小于 75mV 的信号

一般是需要放大的

那么对于非常小的功率场合我们也常用

直接不用分流器而是毫欧级的专用功率电阻进行检流

毫欧级比如说这个 85mΩ

这个是 2mΩ

这类电阻呢得是无感电阻，不能有电感量

一般为针插或者贴片封装

都是装在电路板上的

好

无论是大功率分流器还是小型的检流电阻

我们都需要把它的信号进行放大再进行后续处理

那么放大电路的基本接法有两种

低侧检测或者是高侧检流

我们先来说低侧检流方法

注明一下

如果你使用的是霍尔电流传感器

它是不需要调理电路的

因为它内部带电路

给你输出的就是已经非常好、放大好、整理好的直接可用的信号

如图所示在负载下方放一个检流电阻 R1

非常小，比如说 1mΩ

R1 的下端接地

因此我只需要测量出 R1 上端的电压

我就可以检测出电流大小

使用运放同相比例运算放大电路

我们放大1001倍，输出电压为 VM1

好，仿真运行

检流电阻上的电压大概是为 500μV，0.5mV

放大一千倍以后呢输出电压 500mV

我们来用实际运放来重复前面的仿真实验

前面仿真用的是理想运放

我们来看看

最便宜的 LM324 行不行

我们来看仿真结果表明放大倍数差不多

但是输出信号产生巨大的直流偏移 1.7V

偏了

原因很好解释

324的输入信号只有 500μV

而运放本身的失调电压呢却在 mV 数量级

那放大一千倍以后自然产生了巨大的直流偏移

所以普通运放不能适用于这种高倍数的放大场合

我们选择一款合适的零漂移运放

找满足失调电压小于 0.01V 的最便宜运放

把价钱拖到最低发现

最便宜有一款0.95美元的 OPA333

我们给 OPA333 供电

然后我们发现呢仿真结果非常完美

几乎没有直流偏移

我们当输入信号在 mV 数量级的时候

就必须考虑使用零漂移运放

或者你用普通运放的话就要加外部调零电路

使用低侧检流时呢仅需要普通运放

也就不是特殊功能运放，普通运放就可以了

那么它的成本低，但是它是有适用范围的

能用于低侧检流时你的负载下面接的不再是地

你的负载必须能够接受这一点

低端不是接在地上

那么一般无需共地的负载都是终端负载

蜂鸣器、喇叭、电机、电灯等用电器

特别指出对于电机这种

非线性强干扰的负载低侧检流也不适用

我们如图所示

低侧检流的基本原理是认为 R1 下端是 0V

所以我们才只需要检测上端电压

就可以得到 R1 两端电压差值

但是对于电机负载

回路的地，主回路的地这个地是功率地

它跟你最后输出信号这个地

信号地之间是有电压差的

是有波动实际上是

所以你只检测 R1 上的电压是不够的

本课小结

对于工频交流信号使用互感器来进行检测

电流互感器呢不能空载因为空载会产生高压

电流互感器相当是一个电流源

它不能空载

其次

输出采样电阻 R2 的功率也是需要计算的

基本上它一定会是要求功率电阻

分流器的使用方法

对于这种标准的 75mV 产品的分流器

是可以直接接指针仪表的

直接就能用

那你不接指针仪表

你要后续电路进行处理就要进行放大

那么分流器信号的低侧放大方法呢

就是在负载的下端放一个检流电阻

非常小阻值的

用一个同相比例放大

把检流电阻上电压放大采样出来

唯一要注意的是

应该使用输入失调电压小的运放

因为你肯定是一个高倍数放大电路

好，这节课就到这里

特殊运算放大器（三）

电流检测方法

位于书本的4.3.3节

在实际应用中呢我们经常需要检测电流的大小

电压检测相对容易我们通过电阻分压就行了

但是电流检测方法需要麻烦一些

通常有两大类检测方法：隔离或者不隔离

对于工频正弦交流电来说

我们最方便的就是采用电流互感器进行隔离检测

利用变压器的原理将原边电流折算到副边

那么使用电流互感器呢有几个注意事项

第一待测电流导线穿过互感器的中心

相当于是变压器的初级就1匝

副边呢则有多匝

那么互感器的参数呢不是标匝数比

而是标 100A：1A 类似这种

它不仅呢告诉我们匝数比是多少

而且呢给定了额定电流参数

那么小型电流互感器呢也采取实心结构

相当于把穿心导线提前给做进去了

那我们直接引这个接头来用就行

我们把主电路电线接在这儿就可以了

我们一定要记得电流互感器的次级是不能够断路的

图式的仿真电路我们次级呢

采用 1MΩ 的电阻来模拟断路情况

我们假设不是断路是接了一个非常大的电阻

那么我 VG1 采用 1000V 的正弦波

待测电流呢就刚好是 100A

折算到次级，1A

那么仿真结果显示呢我的输出电压10万伏

这个现象很好解释

次级电流为 1A

那么乘以电阻 1MΩ

那么电压就是10万伏

仿真中使用的变压器是理想变压器

而实际中呢电压未必能到10万伏

但是定性是类似的

我们图示电路犯的错误呢

其实来源于长期以来我们对于电压源和电流源的不熟悉

电压源是不能短路的

而电流源不能够断路

电压源常见而电流源不常见

所以我们也习惯性地不敢把电流源去短接

对于电流互感器来说它的输出端

在任何时候都应该并联上一个电阻或者是直接并导线

以免产生高压带来损害危险

使用电流互感器还有一个注意事项

就是图中采用电阻R的功率问题

我们通常电路都是不太去计算电阻的功率是否会超标的

但是电流互感器所用的这个电阻是需要计算的

那么具体的方法就是

我根据信号的要求

比如说我现在

次级最大是 1A

我希望 1A 的时候呢

能跟我对应出 5V 的采样电压给我采样

那么我一除我就知道

我这个电阻是要求 5Ω 的一个采样电阻

那么根据 I2R

这个电阻呢功率就是 5W

我们一般呢算这种发热功率留一倍的安全裕量

也就是说我们最终取 5Ω/10W 的一个功率电阻来放在这个地方

那么对于非正弦工频交流电

它是直流或者是非工频正弦

那么就不能用互感器

互感器只能测工频

其它频率的或者其它波形的交流也是不能测的

这时候呢我们可以通过霍尔传感器

也可以通过分流器来进行非隔离测量

那么这个分流器的名字比较好听

但实际上它就是个检流电阻

我们这检流电阻呢是串联在电路中

电流很大，必然发热

而我们不会再去，在工作中不会去测量电阻值

所以检流电阻的电阻值必须是温度稳定的

图中所示呢为大功率的分流器

它黑色部分呢一般是康铜材料

铜合金材料它的热稳定性非常好

发热电阻值也不太变化

缺口呢用于微调电阻值

银白色部分是纯铜的紫铜的，镀了一层锡

用来做接头，尽量减少它的电阻

那么检流电阻的阻值一般都很小

因为它要产生电压不能去影响主电路

所以分流器呢

我们一般标准分流器是 XXA/75mV

也就是说达到额定电流的时候它的压降是 75mV

那么这种标准的 75mV 的分流器是可以接指针仪表的

接上仪表就可以当指针表用

那么如果不接指针的仪表

你得到只有小于 75mV 的信号

一般是需要放大的

那么对于非常小的功率场合我们也常用

直接不用分流器而是毫欧级的专用功率电阻进行检流

毫欧级比如说这个 85mΩ

这个是 2mΩ

这类电阻呢得是无感电阻，不能有电感量

一般为针插或者贴片封装

都是装在电路板上的

好

无论是大功率分流器还是小型的检流电阻

我们都需要把它的信号进行放大再进行后续处理

那么放大电路的基本接法有两种

低侧检测或者是高侧检流

我们先来说低侧检流方法

注明一下

如果你使用的是霍尔电流传感器

它是不需要调理电路的

因为它内部带电路

给你输出的就是已经非常好、放大好、整理好的直接可用的信号

如图所示在负载下方放一个检流电阻 R1

非常小，比如说 1mΩ

R1 的下端接地

因此我只需要测量出 R1 上端的电压

我就可以检测出电流大小

使用运放同相比例运算放大电路

我们放大1001倍，输出电压为 VM1

好，仿真运行

检流电阻上的电压大概是为 500μV，0.5mV

放大一千倍以后呢输出电压 500mV

我们来用实际运放来重复前面的仿真实验

前面仿真用的是理想运放

我们来看看

最便宜的 LM324 行不行

我们来看仿真结果表明放大倍数差不多

但是输出信号产生巨大的直流偏移 1.7V

偏了

原因很好解释

324的输入信号只有 500μV

而运放本身的失调电压呢却在 mV 数量级

那放大一千倍以后自然产生了巨大的直流偏移

所以普通运放不能适用于这种高倍数的放大场合

我们选择一款合适的零漂移运放

找满足失调电压小于 0.01V 的最便宜运放

把价钱拖到最低发现

最便宜有一款0.95美元的 OPA333

我们给 OPA333 供电

然后我们发现呢仿真结果非常完美

几乎没有直流偏移

我们当输入信号在 mV 数量级的时候

就必须考虑使用零漂移运放

或者你用普通运放的话就要加外部调零电路

使用低侧检流时呢仅需要普通运放

也就不是特殊功能运放，普通运放就可以了

那么它的成本低，但是它是有适用范围的

能用于低侧检流时你的负载下面接的不再是地

你的负载必须能够接受这一点

低端不是接在地上

那么一般无需共地的负载都是终端负载

蜂鸣器、喇叭、电机、电灯等用电器

特别指出对于电机这种

非线性强干扰的负载低侧检流也不适用

我们如图所示

低侧检流的基本原理是认为 R1 下端是 0V

所以我们才只需要检测上端电压

就可以得到 R1 两端电压差值

但是对于电机负载

回路的地，主回路的地这个地是功率地

它跟你最后输出信号这个地

信号地之间是有电压差的

是有波动实际上是

所以你只检测 R1 上的电压是不够的

本课小结

对于工频交流信号使用互感器来进行检测

电流互感器呢不能空载因为空载会产生高压

电流互感器相当是一个电流源

它不能空载

其次

输出采样电阻 R2 的功率也是需要计算的

基本上它一定会是要求功率电阻

分流器的使用方法

对于这种标准的 75mV 产品的分流器

是可以直接接指针仪表的

直接就能用

那你不接指针仪表

你要后续电路进行处理就要进行放大

那么分流器信号的低侧放大方法呢

就是在负载的下端放一个检流电阻

非常小阻值的

用一个同相比例放大

把检流电阻上电压放大采样出来

唯一要注意的是

应该使用输入失调电压小的运放

因为你肯定是一个高倍数放大电路

好，这节课就到这里