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技術(shù)專題
電流互感器：如何投影
如果需要測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)計的電流互感器，該頻率更適合于工業(yè)/科學(xué)機械或過程監(jiān)控。電流互感器是非接觸式和非侵入式的，這意味著對于許多型號，您不需要通過電路板運行交流電源。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繞組，又用作初級線圈。變壓器的主體有數(shù)十至數(shù)千個繞組，形成次級線圈。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線圈中的每1A電流在次級線圈中產(chǎn)生0.001A電流。
您會發(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。
在這個項目中，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，這似乎是一個非常簡單的任務(wù)，但是隨著您的深入研究，電流互感器會變得更加有趣，尤其是如果您以前從未使用過它們。因此，該項目將比我以前的一些項目更加實用和動手。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，我們實際上將構(gòu)建一個精密整流器板，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。對于此傳感器，一個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，實際電流互感器電路中的電流可能并不那么完美?？梢酝ㄟ^僅讀取峰值電壓來確定電流的粗略估計，但是要獲得準(zhǔn)確的電流測量結(jié)果，您將需要進行多次測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，這對微控制器不是很友好。我們需要對信號進行一些處理，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直流偏移。
這是一個簡單的分壓器，在電阻之間的中點將有3.3V輸入的一半，產(chǎn)生1.65V的DC偏移?，F(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。
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法給我提供1.65V的電壓。藍(lán)色是2V峰峰值信號，黃色是具有DC偏移的信號。
我有一個用于即將進行的項目的1.1kW加熱器墊，如果通過AC1010電流互感器和相同的電阻器運行它，則會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。實際負(fù)載幾乎永遠(yuǎn)不會是完美的正弦波。
ADC分辨率
這種測量方法的缺點是我們已經(jīng)抵消了波形的電壓，以使其保持在ADC的范圍內(nèi)，這意味著我們無法有效利用很多電壓范圍。
成本相對較低的現(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，對于本文而言，我將在12位ADC的前提下進行工作。
一個簡單的12位ADC將為我們提供212個或4096個可能的值。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（以我們計算出的分辨率顯示），當(dāng)使用我們的100歐姆負(fù)載電阻時，每個ADC值大約轉(zhuǎn)換為3mA（請記住：這是RMS?。?。對于這個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，這可能無法滿足您的要求。
盡管如此，這個失調(diào)的直流電壓仍然是讀取電流互感器的最簡單方法，總共只需要3個電阻。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。
代替簡單的橋式整流器，我們可以使用兩個運算放大器構(gòu)建一個精密整流器。一個運放將為您提供一個半波整流器，對于某些安培數(shù)的測量可能就足夠了。不過，全波整流器的額外組件成本可以忽略不計，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，由于使用運算放大器，因此在使用時也可以放大整流后的波形。
我正在使用便宜的AD8542運算放大器，該放大器在一個封裝中有兩個放大器。盡管如今運放調(diào)整的精確度令人驚訝，但將兩個放大器放在同一封裝中會大大增加兩個放大器施加相同增益的可能性，這一點很重要。在我的最終設(shè)計中，出于相同的原因，我還將使用0.1％的電阻器。
最后，我在運算放大器的輸出端有一個簡單的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，不會影響50Hz信號。
但是，我試驗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。
請注意，負(fù)波的電壓略低于正波。那是因為我使用的電阻器的匹配度不是特別好。
當(dāng)我們用加熱元件作為負(fù)載進行測試時，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)我給運算放大器一個接地參考（而不是一個負(fù)電壓）時，對于整流信號，我們會有一個103mV的微小DC偏移。該偏移量對于我的應(yīng)用程序是可接受的，因為它是一致的，因此可以在電路板測試期間將其編程到微控制器中。
ADC分辨率
對于采用電壓補償方法施加的相同負(fù)載，我們獲得了1219mv的信號。但是，借助精密整流器和2倍的輸出增益，我們實際上對該信號的峰峰值讀數(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，我該如何驗證當(dāng)前測量值正確或至少接近？每個器件都有其自己的公差和精度，而AC1010數(shù)據(jù)表的對數(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，我們可以計算出預(yù)期的負(fù)載，并將其與傳感器測得的波形進行比較。理想情況下，我將在多個負(fù)載下執(zhí)行此操作，但是對于本文，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。
測量加熱元件
我使用4線電阻測量來測量加熱元件。在讓我的萬用表將讀數(shù)平均一段時間后，它穩(wěn)定在50.262歐姆。
測量負(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出現(xiàn)同樣的結(jié)果。我住過的其他國家聲稱電壓為240V，但我在墻上測得的電壓為270VAC。英國為240V + 10 / -20％，我的房子為239.632V！對我來說，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試中，我們測量了傳感器的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％。
您可以購買更精密的電流互感器，但是這些價格便宜，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
精密整流器的設(shè)計相當(dāng)簡單，在精密儀器應(yīng)用中非常常見。第一個運算放大器將信號反相，而參考地則切斷了負(fù)電壓，僅給我們一個正的半整流信號。為了確保整流波形的對稱性，第一個運算放大器增益為統(tǒng)一（R3 = R6）。第二個運算放大器合并兩個信號，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
運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)計期間應(yīng)牢記這一點。如果增益太高而無法使用ADC可以讀取的整個電壓范圍，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際電流負(fù)載應(yīng)小于我為測試而施加的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。對于我的應(yīng)用程序來說，這應(yīng)該綽綽有余，但是請記住這一點，以防不適合您的應(yīng)用程序。
讓我們設(shè)計一塊PCB！
該項目的電路板設(shè)計非常簡單，因為它只有少量組件，沒有高頻。對于新的Altium用戶而言，這將是一個非常好的第一個PCB項目。
我計劃在即將到來的項目中使用其中的6個電流互感器，因此我希望將設(shè)計保持盡可能小。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量機械或其他設(shè)備內(nèi)部電流的實用獨立板。由電流互感器確定寬度，由連接器確定電路板的長度，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組件使該項目對組裝和手工焊接“初學(xué)者友好”。AD8542運放的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)計以使用更大的IC，對于初學(xué)者來說可能是一個不錯的練習(xí)。
我還在設(shè)計中添加了一些大型1206去耦電容器。如果該板位于電纜的末端，那么板載電容會一直很好。
根據(jù)您所居住的國家/地區(qū)，此設(shè)計為50hz或60hz，因此沒有信號需要阻抗匹配或任何其他使電路板設(shè)計過程復(fù)雜化的考慮。