瞬間變化電流檢測儀的設計以及應用研究
2.2 檢測電路工作原理
瞬變電流檢測儀電路原理如圖2所示。選用TL084結型場效應管輸入運算放大器,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型場效應管和雙極性管,兼容了更好的匹配性,具有轉換速率高,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相當于指針式檢流計調零旋鈕的作用。運放B的電壓放大倍數(shù)AV=-R6/R2=-40。R7~R17串聯(lián)分壓產生10個基準電壓,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構成的5個電壓比較器,其反相輸入端分別接基準電壓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的基準電壓,他們輸出高電平,對應發(fā)光管LED3~LED5,發(fā)光;當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的基準電壓,這些比較器輸出高電平,對應發(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。當電流從b端流入,放大器B的輸出電壓VO為負,擔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際大小。
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