二線制交流電流變送器的設(shè)計(jì)步驟

前言
根據(jù)廣大網(wǎng)友的要求，特別是剛走出學(xué)校門的大學(xué)生們，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，面對(duì)新的項(xiàng)目，無法下手，不知道具體的設(shè)計(jì)思路從何處怎樣開展，到處求人提供資料，而大部分都不能實(shí)用。
本 人經(jīng)常收到網(wǎng)友的求助，要求提供設(shè)計(jì)思路。但本人的答復(fù)僅對(duì)某個(gè)項(xiàng)目提出一點(diǎn)建議，而針對(duì)廣大網(wǎng)友來講，起不到啟發(fā)作用！原因是，很多網(wǎng)友不希望本人公開 答復(fù)，一是擔(dān)心提出的問題太低級(jí)，招來某些“閑人”的熱潮冷諷。二是存在人們固有的保守思想的影響，不想讓別人知道他的“秘密項(xiàng)目”。用現(xiàn)在比較時(shí)髦的話 來講，稱“保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)”。
知識(shí)產(chǎn)權(quán)是有時(shí)效性的！過分強(qiáng)調(diào)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)于整個(gè)社會(huì)的發(fā)展是有害而無益的！
比如本人在網(wǎng)上轉(zhuǎn)載多年前公開發(fā)行的專業(yè)書籍，就引來不少非議。而提出非議的并不是作者本人！我想，作者寫書的目的并非純粹為了經(jīng)濟(jì)利益吧？
在這里提醒大家一下，任何項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)到實(shí)施完成，都是一個(gè)系統(tǒng)工程，并非是某一個(gè)專業(yè)能夠獨(dú)立完成的。它需要不同專業(yè)的密切配合，齊心協(xié)力，共同攻關(guān)，最終的成功必定是一個(gè)集體智慧的結(jié)晶！
為了向大家提供一個(gè)具體的設(shè)計(jì)思路，這里將本人十年前設(shè)計(jì)的一個(gè)小項(xiàng)目的具體步驟公開出來，希望能夠給大家今后進(jìn)行設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)起到一點(diǎn)引導(dǎo)作用。同時(shí)也希望專家學(xué)者給本人提出批評(píng)指導(dǎo)意見。

二線制交流電流變送器的設(shè)計(jì)步驟

已知大電流電流互感器均將不同的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的交流電流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，必須將該電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)4~20mA，才能進(jìn)行傳送。
市場(chǎng)上此類交流電流變送器大都采用“四線制”的方法：即交流電源線二根，直流電流信號(hào)線二根。而我們?cè)O(shè)計(jì)的是“二線制交流電流變送器”則只采用二根電線：即在給變送器內(nèi)的電路提供直流電源的同時(shí)，將根據(jù)0~5A交流電流變化的變送輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)4~20mA遠(yuǎn)傳至控制室顯示或進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)處理后在顯示器畫面上顯示。
設(shè)計(jì)思路
1，選擇低功耗元器件，在滿足功能要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化電路，滿足二線制儀表的要求。
2，采取有效措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小溫度飄移。
3，完善系統(tǒng)保護(hù)措施，增加儀表的可靠性。

一，互感器的選擇
電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當(dāng)初級(jí)流過交流電流時(shí)，次級(jí)線圈則對(duì)應(yīng)其變比產(chǎn)生交流電流。再通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)。
合理選擇互感器的變比十分重要。
在選擇變比之前，首先要確定通過互感器產(chǎn)生的負(fù)載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號(hào)電壓。通常我們將輸入信號(hào)電壓的最大值選擇在2~3V/AC左右。
同時(shí)選擇互感器負(fù)載電阻為標(biāo)準(zhǔn)系列電阻。選RL=1KΩ。（見圖一）

例如：輸入信號(hào)電壓選2.5V。
I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA
已知:交流電流輸入為0~5A，
則變比為:5A/0.0025A=2000
即1:2000
所以,當(dāng)電流互感器初級(jí)電流為0~5A變化時(shí),次級(jí)負(fù)載電阻兩端的電壓為0~2.5V。
選擇5A/2.5mA的互感器。
如果要求輸入信號(hào)電壓的最大值選擇在3V時(shí)，只需要將負(fù)載電阻選擇為RL=1.2KΩ即可。
V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V
仍然選擇5A/2.5mA的互感器。
二，整流電路的選擇
如果輸入的信號(hào)非常微弱時(shí)，需要首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行整流。為了簡(jiǎn)化電路，我們選擇的輸入信號(hào)電壓幅度比較大，0~2.5V/AC。所以可以直接整流，而不必進(jìn)行放大。
如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會(huì)造成小電流時(shí)不能正常輸出，從而造成在互感器輸入≤1A電流時(shí)，變送器無法線性輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.5~0.7V左右，當(dāng)互感器輸入電流≤1A時(shí)，次級(jí)負(fù)載電阻兩端的電壓為≤0.5V，此時(shí)晶體二極管無法導(dǎo)通！
我們利用運(yùn)算放大器的反饋電路來實(shí)現(xiàn)理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號(hào)的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。
同時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路。（見圖二）

圖中的R2，R3，D1與N1運(yùn)算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1串接于運(yùn)算放大器N1的輸出端，并且從D1的陰極開始進(jìn)行反饋。R2是串聯(lián)的輸入電阻Ri，R3是反饋電阻Rf。既然不需要進(jìn)行放大，所以選擇R3=R2。通常選擇通用運(yùn)算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相對(duì)誤差盡量小一點(diǎn)，否則輸出的直流電壓會(huì)產(chǎn)生誤差。
對(duì)于輸入的負(fù)半周信號(hào)來講，N1是一個(gè)典型的反相放大器。此時(shí)的增益為
A=（—Vi）×（—R3/R2）=Vi
而對(duì)于輸入的正半周信號(hào)來講，N1的輸出則變成負(fù)值
A=Vi×（—R3/R2）=—Vi
此時(shí)D1被反相偏置而截止，輸入信號(hào)Vi則通過R2，R3串聯(lián)電路直接輸出至后一級(jí)電路。
(未完待續(xù))