電壓輸出與電流成比例的改進(jìn)型電流監(jiān)控器

　　本設(shè)計(jì)實(shí)例是對(duì)以往設(shè)計(jì)實(shí)例  的擴(kuò)展（參考文獻(xiàn)1）。原版采用一個(gè)電流變壓器 style="TEXT-DECORATION: underline" >變壓器，它的次級(jí)繞組構(gòu)成一個(gè)振蕩器振蕩回路的一部分。正常條件下，流經(jīng)電流變壓器單匝初級(jí)繞組的直流電流不會(huì)使電路保持振蕩，直到初級(jí)電流停止流動(dòng)。雖然這個(gè)電路起到一個(gè)斷電檢測(cè)器的作用，但當(dāng)增加一些元件后，其工作原理也適合于測(cè)量設(shè)備。這種經(jīng)改進(jìn)的電路可提供精確的線性電壓輸出，該電壓與流經(jīng)電流檢測(cè)變壓器T₁初級(jí)繞組中的直流電流成正比（圖1）。另外，該電路還可以作為一個(gè)交流電流傳感器。

　　為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)性能，設(shè)計(jì)延用了原有振蕩電路的概念，并增加了一個(gè)PLL電路和在電流變壓器上增加一個(gè)額外繞組，變壓器的次級(jí)構(gòu)成一個(gè) LC振蕩器的共振電路。PLL集成了一個(gè)74HC4046（IC₁），測(cè)量由Q₁及相應(yīng)元件構(gòu)成的LC振蕩器的頻率，并將其與一個(gè)固定頻率的內(nèi)部VCO（壓控振蕩器）進(jìn)行對(duì)比。PLL的相位比較器輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)由Q₂和Q₃組成的電流源，并將電流饋送至電流檢測(cè)變壓器磁芯上的額外繞組。
T₁的鐵氧體磁芯可來(lái)源于多家公司，包括Epcos(www.epcos.com)，它提供B64290L 632×87-環(huán)形 20×10×7材料N87；Pramet(www.pramet.com)，它提供 Fonox Type T20材料H60；Vacuumschmelze (www.vacuumschmelze.com)，它提供 VAC T60006L2020-W409-52；還有其它一些廠家。根據(jù)所使用的鐵氧體材料，某種程度上該電路幾乎可以用任何鐵氧體環(huán)形磁芯。（很難用 PSpice或其它仿真器對(duì)電路作仿真；精確的結(jié)果需要一個(gè)復(fù)雜的模型，要在各種電流水平上精確地描述磁芯的非線性特性。）

　　增加的繞組在磁芯中產(chǎn)生了磁通量，減小了它的導(dǎo)磁率和電感，從而提高了LC振蕩器的頻率。當(dāng)振蕩器的頻率與VCO（基準(zhǔn)）頻率相匹配時(shí)，電路便達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)。增加或減小通過(guò)補(bǔ)償線圈的電流就可以抵消流經(jīng)測(cè)量線圈直流電流所產(chǎn)生的任何額外磁通量。

　　在PLL的頻率跟蹤范圍內(nèi)，通過(guò)補(bǔ)償線圈的電流波形與所測(cè)電流的波動(dòng)相同。1:250的匝數(shù)比（也是變壓器T₁中電流的比率）使2.5A的初級(jí)電流建立起10 mA的次級(jí)電流。如果PLL電路的增益足夠大，而且避開(kāi)鐵氧體磁芯的飽和工作區(qū)，則電路的閉環(huán)構(gòu)置可將磁芯的磁通量保持在一個(gè)恒定值，因而將磁芯材料非線性的影響降至最低。

　　對(duì)電阻器R₅上電壓差的測(cè)量顯示，電路的輸出電壓與補(bǔ)償電流成線性正比，而R₅的電阻值與電壓輸出成比例。對(duì)100Ω的R₅而言，1V 輸出相應(yīng)于初級(jí)側(cè)的電流為2.5A。當(dāng)零電流流經(jīng)單匝初級(jí)繞組時(shí)，可調(diào)整電位計(jì)R₁₁到設(shè)置的一個(gè)工作點(diǎn)，就可標(biāo)定電路的范圍。R₅上2V的電壓降可將測(cè)量范圍設(shè)定為 +5A ~ -5A。如果要適應(yīng)其它測(cè)量范圍，可以改變T₁的匝數(shù)比，或換用不同的R₅、R₁₁值來(lái)改變補(bǔ)償電流。電路的供電要用穩(wěn)壓良好的電源?？梢杂靡粋€(gè)軟件PLL仿真例程替代74HC4046，以利用微控制器的空閑處理資源。

參考文獻(xiàn)
1. Ackerley, Kevin, "Impedance transformer flags failed fuse," EDN, Dec 17, 2004, pg 67.