二線(xiàn)制交流電流變送器的設計步驟

前言
根據廣大網(wǎng)友的要求，特別是剛走出學(xué)校門(mén)的大學(xué)生們，在進(jìn)行電路設計時(shí)，面對新的項目，無(wú)法下手，不知道具體的設計思路從何處怎樣開(kāi)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，要求提供設計思路。但本人的答復僅對某個(gè)項目提出一點(diǎn)建議，而針對廣大網(wǎng)友來(lái)講，起不到啟發(fā)作用！原因是，很多網(wǎng)友不希望本人公開(kāi) 答復，一是擔心提出的問(wèn)題太低級，招來(lái)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“秘密項目”。用現在比較時(shí)髦的話(huà) 來(lái)講，稱(chēng)“保護知識產(chǎn)權”。
知識產(chǎn)權是有時(shí)效性的！過(guò)分強調保護知識產(chǎn)權，對于整個(gè)社會(huì )的發(fā)展是有害而無(wú)益的！
比如本人在網(wǎng)上轉載多年前公開(kāi)發(fā)行的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，就引來(lái)不少非議。而提出非議的并不是作者本人！我想，作者寫(xiě)書(shū)的目的并非純粹為了經(jīng)濟利益吧？
在這里提醒大家一下，任何項目，從設計到實(shí)施完成，都是一個(gè)系統工程，并非是某一個(gè)專(zhuān)業(yè)能夠獨立完成的。它需要不同專(zhuān)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)集體智慧的結晶！
為了向大家提供一個(gè)具體的設計思路，這里將本人十年前設計的一個(gè)小項目的具體步驟公開(kāi)出來(lái)，希望能夠給大家今后進(jìn)行設計項目時(shí)起到一點(diǎn)引導作用。同時(shí)也希望專(zhuān)家學(xué)者給本人提出批評指導意見(jiàn)。

二線(xiàn)制交流電流變送器的設計步驟

已知大電流電流互感器均將不同的電流轉換成0~5A的交流電流進(jìn)行現場(chǎng)顯示。而進(jìn)行遠距離傳送時(shí)，必須將該電流轉換成標準直流電流信號4~20mA，才能進(jìn)行傳送。
市場(chǎng)上此類(lèi)交流電流變送器大都采用“四線(xiàn)制”的方法：即交流電源線(xiàn)二根，直流電流信號線(xiàn)二根。而我們設計的是“二線(xiàn)制交流電流變送器”則只采用二根電線(xiàn)：即在給變送器內的電路提供直流電源的同時(shí)，將根據0~5A交流電流變化的變送輸出標準直流電流信號4~20mA遠傳至控制室顯示或進(jìn)入計算機內處理后在顯示器畫(huà)面上顯示。
設計思路
1，選擇低功耗元器件，在滿(mǎn)足功能要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化電路，滿(mǎn)足二線(xiàn)制儀表的要求。
2，采取有效措施，提高系統的抗干擾能力，減小溫度飄移。
3，完善系統保護措施，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，當初級流過(guò)交流電流時(shí)，次級線(xiàn)圈則對應其變比產(chǎn)生交流電流。再通過(guò)負載電阻轉換成交流電壓信號。
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(guò)互感器產(chǎn)生的負載電壓是否滿(mǎn)足變送電路需要的輸入信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在2~3V/AC左右。
同時(shí)選擇互感器負載電阻為標準系列電阻。選RL=1KΩ。（見(jiàn)圖一）

例如：輸入信號電壓選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,當電流互感器初級電流為0~5A變化時(shí),次級負載電阻兩端的電壓為0~2.5V。
選擇5A/2.5mA的互感器。
如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3V時(shí)，只需要將負載電阻選擇為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
如果輸入的信號非常微弱時(shí)，需要首先對信號進(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(wú)法線(xiàn)性輸出標準電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.5~0.7V左右，當互感器輸入電流≤1A時(shí)，次級負載電阻兩端的電壓為≤0.5V，此時(shí)晶體二極管無(wú)法導通！
我們利用運算放大器的反饋電路來(lái)實(shí)現理想二極管獲得過(guò)零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線(xiàn)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(jiàn)圖二）

圖中的R2，R3，D1與N1運算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1串接于運算放大器N1的輸出端，并且從D1的陰極開(kāi)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。
對于輸入的負半周信號來(lái)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
而對于輸入的正半周信號來(lái)講，N1的輸出則變成負值
A=Vi×（—R3/R2）=—Vi
此時(shí)D1被反相偏置而截止，輸入信號Vi則通過(guò)R2，R3串聯(lián)電路直接輸出至后一級電路。
(未完待續)