瞬間變化電流檢測儀的設(shè)計和應(yīng)用

1 引 言

　　指針式和光點式檢流計的外臨界電阻較大，內(nèi)阻較大，在電路中的損耗較大，而且在通電線圈中的電流發(fā)生變化時，線圈做阻尼運動，達到穩(wěn)定位置需要一定的時間，檢流計響應(yīng)速度較慢，因而不能檢測到瞬時變化的電流和回路要求損耗較小的瞬時電流(例如LC振蕩電流)，也不適于測量回路電阻較小的瞬時電路電流。通常萬用表只可測量交流電流的有效值和直流電流大小。因此檢流計和萬用表都不能滿足測量和觀察瞬時變化電流的需要。本設(shè)計利用短路電流放大器的原理對檢測電流進行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瞬變電流的大小和變化方向。

2 原理與實現(xiàn)

2.1 短路電流放大器

　　借助集成運放電路轉(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，利用短路電流放大器的原理對待檢測電流進行1：1放大，展寬信號的內(nèi)阻大小要求范圍，提高了檢測的靈敏度，實現(xiàn)瞬間變化電流的檢測。圖1所示為一反相輸入比例運算放大器電路，輸入信號Vi經(jīng)過電阻R1接到集成運放的反相輸入端∑，而同相輸入端∑'經(jīng)過電阻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反饋。在實際應(yīng)用中為了保證運放的2個輸入端處于平衡的工作狀態(tài)，避免輸入偏流產(chǎn)生附加的差動輸入電壓，應(yīng)使反相輸入端與同相輸入端對地的電阻相等。在圖1中應(yīng)使R2=R1∥RF。由于理想運放的L=L=0，所以R2上無壓降，VO=0，再由理想運放的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性變化。如圖1所示，因為V∑∑=0，相當于信號源外電路短路，但實際并不斷路，∑，∑'之間電阻極大，又因為∑點對地電阻達到幾兆歐，所以信號源的輸出電流只能經(jīng)RF和IC形成回路，即VO=IORF。

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(jié)型場效應(yīng)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(jié)型場效應(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。集成運放A與R1成短路電流放大器，B與R2～R6、W1構(gòu)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(gòu)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(diào)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(chǎn)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(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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(qū)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(shè)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。

2.3 電流檢測儀制作

　　運放A～M用3塊運放集成電路TL084，每塊運放集成電路內(nèi)含有4個相同的運算放大器，他們電源共用，彼此獨立工作。發(fā)光二極管LED6為紅色或黃色，其余LED為綠色，均用φ6高亮度的，所有電阻均用1／8 W精度為1±％的金屬膜電阻，C1用耐壓25 V的電解電容器，W1用阻值為1 kΩ的多圈電位器。電源使用±5 V的雙輸出穩(wěn)壓電源。除電位器W1，LED及限流電阻R18～R28外，其余元件都設(shè)計安裝在1塊敷銅板上，電路板圖如圖3所示，所有限流電阻均和LED焊在一起，這樣可減少引線。為適應(yīng)指針式檢流計的觀察習慣，可把LED1～LED11呈扇形排列安裝在面板上，LED6排在正中間，如圖3所示，為便于學生觀察，電流檢測儀外形尺寸可適當大些，如：高40 cm，寬25 cm，厚10 cm。只要元件無誤，安裝正確，不用調(diào)試，均能正常工作。

3 應(yīng) 用

　　使用前，接通電源開關(guān)K1，調(diào)整W1使排在正中間的LED6發(fā)光外，其余LED均不發(fā)光(即調(diào)零)。把接線柱a、b接入待測電路。即可向指針式檢流計一樣進行演示實驗。

　　LC電磁振蕩的演示 L選擇電感系數(shù)大、內(nèi)阻小的帶磁芯線圈，振蕩周期要大，町使用J2343型電磁振蕩演示儀的特制自感線圈，其最大電感量大于500 H，電阻小于50 Ω，電容最好選用0.6μF的CBB電容器，若用耐壓大于25 V的普通電容器代替，反向漏電較嚴重，加快了能量的損耗，振蕩持續(xù)的時間將變短，電源用6 V。按演示實驗電路要求連接操作，即可清楚的觀察到周期相同的減幅振蕩。由于LC振蕩回路阻尼小，振蕩次數(shù)可觀察到5次以上，且可以觀察周期為十分之一秒的振蕩，而指針式檢流計一般只能觀察2個周期，且對于周期小于1 s的很難反應(yīng)。換用不同容量的電容器可驗證振蕩周期與電容的關(guān)系。

　　單根導線電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示 用1根50～80 cm的軟導線，兩端分別接到該檢流計接線柱a，b上，手拿導線的中間部分放人馬蹄型磁鐵磁場中做切割磁力線運動，檢流計即顯示有感應(yīng)電流產(chǎn)生?？煞浅Ｃ黠@的驗證磁場、導線運動，感應(yīng)電流三者方向之間的關(guān)系，即右手定則，解決了單根導線切割磁力線運動的實驗演示難題。

　　發(fā)電機原理的演示 把單相交流發(fā)電機模型的輸出端接到該檢流計輸入端a，b上，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子從中性面位置開始緩慢旋轉(zhuǎn)，搖一周，發(fā)光二極管顯示電流的大小方向變化一個周期。逐步加快轉(zhuǎn)速，則兩側(cè)發(fā)光管交替顯示得越快，且發(fā)光管亮得數(shù)目越多，但始終與轉(zhuǎn)動同步。當轉(zhuǎn)速快到一定程度后，兩側(cè)發(fā)光管交替閃光逐漸加快到無法分辨其方向變化，幾乎一直發(fā)光，這正好說明50 Hz交流電通過燈泡而看不出燈光閃爍的道理。這也正是指針式檢流計所不及的觀察效果。

4 結(jié) 語

　　本瞬間變化電流的檢測儀克服了指針式和光標式檢流計在電路中損耗較大，響應(yīng)速度較慢的固有缺點，能夠檢測瞬時變化的電流，適合用于檢測待測回路要求損耗較小以及回路電阻較小的瞬時電流。作為相關(guān)物理和電予測量低成本的測量儀器，其可用于LC電磁振蕩、單根導線電磁感應(yīng)、發(fā)電機原理等演示實驗。