電(diàn)流互感器：如何投影

2020-07-09

如果需要测量来自交流電(diàn)源的電(diàn)流，则電(diàn)流互感器可(kě)以是一种低成本，准确的选择。您可(kě)以找到专為(wèi)50 / 60Hz電(diàn)力線(xiàn)应用(yòng)和更高频率而设计的電(diàn)流互感器，该频率更适合于工业/科(kē)學(xué)机械或过程监控。電(diàn)流互感器是非接触式和非侵入式的，这意味着对于许多(duō)型号，您不需要通过電(diàn)路板运行交流電(diàn)源。取而代之的是，電(diàn)線(xiàn)穿过变压器的开口，否则变压器本身可(kě)能(néng)会打开以使其卡在電(diàn)線(xiàn)上。

穿过電(diàn)流互感器的导線(xiàn)既用(yòng)作变压器的单个绕组，又(yòu)用(yòng)作初级線(xiàn)圈。变压器的主體(tǐ)有(yǒu)数十至数千个绕组，形成次级線(xiàn)圈。与電(diàn)压互感器不同，電(diàn)流互感器具有(yǒu)反比。这意味着比率為(wèi)1000：1的電(diàn)流互感器将通过初级線(xiàn)圈中的每1A電(diàn)流在次级線(xiàn)圈中产生0.001A電(diàn)流。

您会发现電(diàn)流互感器的绕组比适合于从单安培到高达数千安培的测量，这使得它们比PCB安装/传导電(diàn)流传感器的应用(yòng)范围更广。

在这个项目中，我们将研究几种将電(diàn)流互感器的输出转换為(wèi)与微控制器接口更有(yǒu)用(yòng)的方法。乍一看，这似乎是一个非常简单的任務(wù)，但是随着您的深入研究，電(diàn)流互感器会变得更加有(yǒu)趣，尤其是如果您以前从未使用(yòng)过它们。因此，该项目将比我以前的一些项目更加实用(yòng)和动手。首先，我们将拉出面包板，函数发生器和示波器以了解電(diàn)流互感器。然后，我们实际上将构建一个精密整流器板，以便能(néng)够最佳利用(yòng)带有(yǒu)微控制器ADC输入的電(diàn)流互感器。

電(diàn)流互感器的基本输出

使用(yòng)欧姆定律（V = IR），我们可(kě)以将变压器输出的電(diàn)流转换為(wèi)可(kě)用(yòng)電(diàn)压。我将Talema AC1010用(yòng)作本文(wén)中所有(yǒu)内容的電(diàn)流互感器。对于此传感器，一个100欧姆的负载電(diàn)阻将在通过電(diàn)流互感器的電(diàn)線(xiàn)上产生10A的1V RMS電(diàn)压

将变压器和電(diàn)阻器并联连接后，您可(kě)以简单地将结构的一端连接到地面，将另一端连接到ADC以获得读数。但是，这可(kě)能(néng)是一个非常糟糕的主意。我仅介绍此原理(lǐ)图，以展示您可(kě)以看到電(diàn)流互感器工作的最简单方法。

这就是示波器上ADC的输出结果。这是我的函数发生器的输出，用(yòng)于模拟7amp负载，而不是实际的電(diàn)流传感器输出-我们将尽快解决。

这里有(yǒu)一些重要的事情要注意：

信号的峰峰值為(wèi)2伏，但我说的是7安（即0.7V）负载！

波形是交流電(diàn)，因此是+ 1V至-1V，这是微控制器不会喜欢的。

電(diàn)流互感器只是在转换線(xiàn)路上的電(diàn)流，因此您的实际電(diàn)流将是波形的均方根（RMS）。函数发生器输出几乎完美的正弦波，但是根据您的负载，实际電(diàn)流互感器電(diàn)路中的電(diàn)流可(kě)能(néng)并不那么完美。可(kě)以通过仅读取峰值電(diàn)压来确定電(diàn)流的粗略估计，但是要获得准确的電(diàn)流测量结果，您将需要进行多(duō)次测量以确定曲線(xiàn)下的总面积（即電(diàn)流消耗）。

2V峰峰值输出以地為(wèi)中心，这对微控制器不是很(hěn)友好。我们需要对信号进行一些处理(lǐ)，以使其更加有(yǒu)用(yòng)。

偏置地面

由于電(diàn)流互感器只是负载電(diàn)阻两端的浮动電(diàn)压，因此，我们可(kě)以参考变压器電(diàn)压的唯一方法是将其接地。除了将其接地以外，我们还可(kě)以将一只脚绑在通过電(diàn)阻分(fēn)压器获得的DC偏置電(diàn)压上。这将為(wèi)交流波形提供一个直流偏移。

这是一个简单的分(fēn)压器，在電(diàn)阻之间的中点将有(yǒu)3.3V输入的一半，产生1.65V的DC偏移。现在，在0.65V至2.65V的范围内，我们的2V峰峰值波形应在1.65V左右摆动。

我们可(kě)以用(yòng)示波器来显示。我正在使用(yòng)一些非常便宜的大容量電(diàn)阻器，这些電(diàn)阻器在分(fēn)压器的中央无法给我提供1.65V的電(diàn)压。蓝色是2V峰峰值信号，黄色是具有(yǒu)DC偏移的信号。

我有(yǒu)一个用(yòng)于即将进行的项目的1.1kW加热器垫，如果通过AC1010電(diàn)流互感器和相同的電(diàn)阻器运行它，则会得到偏移電(diàn)压正弦波。注意波形如何不如函数发生器的波形那么完美。实际负载几乎永遠(yuǎn)不会是完美的正弦波。

ADC分(fēn)辨率

这种测量方法的缺点是我们已经抵消了波形的電(diàn)压，以使其保持在ADC的范围内，这意味着我们无法有(yǒu)效利用(yòng)很(hěn)多(duō)電(diàn)压范围。

成本相对较低的现代ARM Cortex微控制器将具有(yǒu)12位ADC，而一些较新(xīn)的ADC标准配备14位或16位ADC，而一些较旧的ADC具有(yǒu)10位ADC。不过，对于本文(wén)而言，我将在12位ADC的前提下进行工作。

一个简单的12位ADC将為(wèi)我们提供212个或4096个可(kě)能(néng)的值。应用(yòng)于3300mV范围，这使我们获得约0.8mV的分(fēn)辨率。上图所示的负载的总峰峰值電(diàn)压跨度為(wèi)1219mV，应為(wèi)4.5-4.7A左右的负载。1219mV為(wèi)我们提供了可(kě)能(néng)的1523值（以我们计算出的分(fēn)辨率显示），当使用(yòng)我们的100欧姆负载電(diàn)阻时，每个ADC值大约转换為(wèi)3mA（请记住：这是RMS！）。对于这个10安培的传感器来说，这绰绰有(yǒu)余。但是，当您开始读取越来越大的安培数或使用(yòng)比AC1010匝数更多(duō)的電(diàn)流互感器时，这可(kě)能(néng)无法满足您的要求。

尽管如此，这个失调的直流電(diàn)压仍然是读取電(diàn)流互感器的最简单方法，总共只需要3个電(diàn)阻。您还应该包括TVS二极管来钳制负载，以确保在電(diàn)流尖峰期间它不会超过微控制器的最大额定電(diàn)压。

精密整流器

您可(kě)以使用(yòng)桥式整流器来整流電(diàn)流互感器中的波形，但是二极管的正向電(diàn)压会大大降低電(diàn)流感应能(néng)力。二极管可(kě)以轻松消除超过一半的電(diàn)流感应范围，使任何低于传感器安培范围一半的东西都不可(kě)读。更糟糕的是，二极管的正向電(diàn)压会根据電(diàn)压，温度和其他(tā)条件而变化，因此整流后的電(diàn)压不太可(kě)能(néng)特别有(yǒu)用(yòng)。

代替简单的桥式整流器，我们可(kě)以使用(yòng)两个运算放大器构建一个精密整流器。一个运放将為(wèi)您提供一个半波整流器，对于某些安培数的测量可(kě)能(néng)就足够了。不过，全波整流器的额外组件成本可(kě)以忽略不计，因此即使在半波整流器足够的情况下，我们也可(kě)以使用(yòng)它。精密整流器在诸如此类的仪器应用(yòng)中很(hěn)常见，并且是产生可(kě)用(yòng)電(diàn)压的绝佳方法。另外，由于使用(yòng)运算放大器，因此在使用(yòng)时也可(kě)以放大整流后的波形。

我正在使用(yòng)便宜的AD8542运算放大器，该放大器在一个封装中有(yǒu)两个放大器。尽管如今运放调整的精确度令人惊讶，但将两个放大器放在同一封装中会大大增加两个放大器施加相同增益的可(kě)能(néng)性，这一点很(hěn)重要。在我的最终设计中，出于相同的原因，我还将使用(yòng)0.1％的電(diàn)阻器。

最后，我在运算放大器的输出端有(yǒu)一个简单的600Hz RC滤波器，以消除可(kě)能(néng)已经拾取的任何交流噪声。该滤波器的截止频率足够高，不会影响50Hz信号。

但是，我试验板上的原型使用(yòng)的是声称為(wèi)5％的神秘電(diàn)阻，因此我们的结果不太准确。

请注意，负波的電(diàn)压略低于正波。那是因為(wèi)我使用(yòng)的電(diàn)阻器的匹配度不是特别好。

当我们用(yòng)加热元件作為(wèi)负载进行测试时，该误差并不明显。和以前一样，蓝色是電(diàn)流互感器的波形，黄色是精密整流器的输出。

当我给运算放大器一个接地参考（而不是一个负電(diàn)压）时，对于整流信号，我们会有(yǒu)一个103mV的微小(xiǎo)DC偏移。该偏移量对于我的应用(yòng)程序是可(kě)接受的，因為(wèi)它是一致的，因此可(kě)以在電(diàn)路板测试期间将其编程到微控制器中。

ADC分(fēn)辨率

对于采用(yòng)電(diàn)压补偿方法施加的相同负载，我们获得了1219mv的信号。但是，借助精密整流器和2倍的输出增益，我们实际上对该信号的峰峰值读数為(wèi)2066mV。我们刚刚将分(fēn)辨率提高了一倍！

由于这次我们还能(néng)够查看示波器的原始波形，因此我们可(kě)以计算该波形的RMS電(diàn)压以确定電(diàn)流消耗。442.9mV应该表示我们正在通过加热器拉4.429A。如果正确，我们的12位ADC的電(diàn)流检测分(fēn)辨率為(wèi)1.71mA，这足以满足我的应用(yòng)要求。

電(diàn)流传感器正确吗？

问题是，我该如何验证当前测量值正确或至少接近？每个器件都有(yǒu)其自己的公差和精度，而AC1010数据表的对数图使用(yòng)100 ohm负载電(diàn)阻很(hěn)难读取该器件的公差。取而代之的是，我们可(kě)以计算出预期的负载，并将其与传感器测得的波形进行比较。理(lǐ)想情况下，我将在多(duō)个负载下执行此操作，但是对于本文(wén)，我将仅使用(yòng)它来查看我们是否还遠(yuǎn)遠(yuǎn)接近预期的结果。

测量加热元件

我使用(yòng)4線(xiàn)電(diàn)阻测量来测量加热元件。在让我的万用(yòng)表将读数平均一段时间后，它稳定在50.262欧姆。

测量负载電(diàn)阻

考虑到我使用(yòng)的某些10k電(diàn)阻有(yǒu)多(duō)糟糕，我惊喜地发现我一直在使用(yòng)的100 ohm负载電(diàn)阻為(wèi)99.983 ohms。

测量交流電(diàn)源

在负载電(diàn)阻如此接近标称值的惊讶之后，我没想到我的交流電(diàn)压会出现同样的结果。我住过的其他(tā)國(guó)家声称電(diàn)压為(wèi)240V，但我在墙上测得的電(diàn)压為(wèi)270VAC。英國(guó)為(wèi)240V + 10 / -20％，我的房子為(wèi)239.632V！对我来说，这真是太神奇了。

放在一起

现在回到欧姆定律，V = IR，在50.262欧姆负载下的239.623V，意味着我们应该看到4.76766A。在上一次使用(yòng)精密整流器的测试中，我们测量了传感器的4.429V RMS。使用(yòng)99.983 ohm负载電(diàn)阻，该電(diàn)阻应等于4.4297A，这意味着我们的折扣大约為(wèi)7％。

您可(kě)以購(gòu)买更精密的電(diàn)流互感器，但是这些价格便宜，并且10％的公差足以满足我的应用(yòng)需求。

精密整流器设计

精密整流器的设计相当简单，在精密仪器应用(yòng)中非常常见。第一个运算放大器将信号反相，而参考地则切断了负電(diàn)压，仅给我们一个正的半整流信号。為(wèi)了确保整流波形的对称性，第一个运算放大器增益為(wèi)统一（R3 = R6）。第二个运算放大器合并两个信号，并且将電(diàn)阻器R8和R5设置為(wèi)5k和10k，我们将输出電(diàn)压加倍。

最大電(diàn)压注意事项

运放能(néng)够输出的最大電(diàn)压為(wèi)V +减去二极管正向電(diàn)压。在精密整流器设计期间应牢记这一点。如果增益太高而无法使用(yòng)ADC可(kě)以读取的整个電(diàn)压范围，则将削波波形的顶部。

最大電(diàn)流考虑

您还应该留出一些空间以容纳安培数峰值。该传感器将读取的实际電(diàn)流负载应小(xiǎo)于我為(wèi)测试而施加的1100W负载。但是，即使在全量程下，该精密整流器在全10A负载下也将具有(yǒu)约2.8V的输出。对于我的应用(yòng)程序来说，这应该绰绰有(yǒu)余，但是请记住这一点，以防不适合您的应用(yòng)程序。

让我们设计一块PCB！

该项目的電(diàn)路板设计非常简单，因為(wèi)它只有(yǒu)少量组件，没有(yǒu)高频。对于新(xīn)的Altium用(yòng)户而言，这将是一个非常好的第一个PCB项目。

我计划在即将到来的项目中使用(yòng)其中的6个電(diàn)流互感器，因此我希望将设计保持尽可(kě)能(néng)小(xiǎo)。我在板上添加了Molex SL 70553系列闩锁连接器，这将使它成為(wèi)用(yòng)于测量机械或其他(tā)设备内部電(diàn)流的实用(yòng)独立板。由電(diàn)流互感器确定宽度，由连接器确定電(diàn)路板的長(cháng)度，我们最终得到25x25mm的區(qū)域，可(kě)以在其中布置電(diàn)路。我正在使用(yòng)0603组件使该项目对组装和手工焊接“初學(xué)者友好”。AD8542运放的MSOP-8版本可(kě)能(néng)与此有(yǒu)所抵触，但它也采用(yòng)SOIC-8封装，可(kě)以很(hěn)容易地安装在额外的電(diàn)路板上。修改设计以使用(yòng)更大的IC，对于初學(xué)者来说可(kě)能(néng)是一个不错的练习。

我还在设计中添加了一些大型1206去耦電(diàn)容器。如果该板位于電(diàn)缆的末端，那么板载電(diàn)容会一直很(hěn)好。

根据您所居住的國(guó)家/地區(qū)，此设计為(wèi)50hz或60hz，因此没有(yǒu)信号需要阻抗匹配或任何其他(tā)使電(diàn)路板设计过程复杂化的考虑。