交流输入电压、电流监测电路设计3

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1、交流输入电压、电流监测电路设计引言　　电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作，因此需要设计相应的监测、保护电路，防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。工频交流电压、电流的大小，通常是利用它的有效值来度量的。有效值的常用测量方法是先进行整流滤波，得出信号的平均值，然后再采用测量直流信号的方法来检测，最后折算成有效值。但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备，如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等，这些设备工作时会产生谐波等干扰。大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、

2、雷电等异常情况出现时，供电主回路中会出现浪涌。当这些情况发生时，供电线路上已不是理想的正弦波，采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。利用真有效值数字测量电路，可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。下面介绍的监测电路安装于配电箱中，与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。　　真有效值数字测量的基本原理　　电流和电压的有效值采集电路原理基本相同，下面以电压真有效值为例进行原理分析。所谓真有效值亦称真均方根值(TRMS)。众所周知，交流电压有效值是按下式定义的：   　　分析式(1)可知

3、，电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的，故称之为真有效值。　　若将式(1)两边平方，且令，还可以得到真有效值另一表达式URMS=　　式(3)中，Avg表示取平均值。这表明，对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，也能得到交流电压有效值。式(3)比式(2)更具有实用价值。由于同时完成两步计算，与分步运算相比，运算器的动态范围大为减小，既便于设计电路，又保证了准确度指标。美国模拟器件公司(ADI)的AD536、AD637、A

4、D737系列单片真有效值/直流转换器，即采用此原理设计而成。　　而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个∆∑调制器作除法器，一个简单的极性开关作乘法器。相比采用对数/反对数电路的产品，号称有更好的线性度，增益受温度影响更小。　　另一方面，在计算机采集系统中U(t)是离散值，可以采用下面的公式计算：　　 　　U(i)为各瞬时采用值，i=1，2，…，n;n为采用次数。　　交流电压采样电路设计　　图1为简易平均值-有效值测量电路原理

5、图，平均值电路由变压器T、整流桥BR、电容器C和电阻RL组成，虚线部分将平均值折算为有效值输出。 　　用图1所示平均值电路进行测量，存在如下问题：　　变压器和整流桥是非线性器件，因此必定会产生非线性误差，难以精确补偿;　　整流桥BR后为得到稳定、平直的DC波形需要较大容值的电容器C，电容充放电时间长，因此响应速度慢;　　由于电容器C容值不可能无限大，在电容C两端测量到的必然是直流脉动波形。     实际上，因为变压器体积较大，简易测量仪表多采用电阻分压的方式衰减被测交流电压，再由运放和二极管组成平均

6、值响应的线性整流电路将交流电压转换为直流电压，然后将平均值折算为有效值。对于理想的正弦交流电压采用上述测量方法是没有问题的，但是电网中存在各种非线性电力、电子设备，对于由此造成的失真，采用均值检波电路将会产生较大的误差。表1中列出均值检波与真有效值的误差比较。 　　在极端情况下，均值检波电路产生如此之大的误差是不能接受的，采用真有效值电路可以避免出现这么大的误差。单片TRMS/DC转换器可以选用美国模拟器件公司的AD536、AD636、AD637、AD736、AD737和凌力尔特公司的LTC1966

7、、LTC1967、LTC1968。　　图2是由AD736构成的5量程3位真效值数字电压表电路图。S1为量程开关，S2为“测量/备用”模式选择开关(常态下S2断开，闭合时仪表呈备用状态)，S3为电源开关。精密电阻R1～R5构成高阻抗分压器，总阻值为10M。输入交流电压Vin首先被衰减成200mV以下，再经限流电阻R6接至AD736的第2引脚。VD1、VD2为双向限幅保护二极管。C1是输入端耦合电容，起隔直作用。C2、C6为电源滤波电容。C4是AD736的平均电容。输出电压经R9、C5滤除纹波后获得直流

8、电压，加至ICL7136的模拟输入端。R9兼ICL7136的限流电阻。ICL7136采用外基准，由ICL8069提供的1.2V基准电压源，通过R8、RP分压后得到基准电压VREV=100mV，基本量程为200mV。 　　交流电流采样电路　　交流电流采样电路前端常用的交流电流互感器有硅钢FeSi电流互感器、罗果夫斯基线圈(RogowskiCoil)电流互感器、霍尔电流传感器三种。　　硅钢电流互感器由于其普及的价格，主要被广泛用在不需要很高精确度的功率监控，对负载进行平衡