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LED顯示瞬變電流檢測(cè)儀的原理及設(shè)計(jì)
2015-08-25
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(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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 檢測(cè)電路工作原理
瞬變電流檢測(cè)儀電路原理如圖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。
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