瞬變電流檢測(cè)儀的工作原理與應(yīng)用
1 引 言
指針式和光點(diǎn)式檢流計(jì)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(shí)，線圈做阻尼運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定位置需要一定的時(shí)間，檢流計(jì)響應(yīng)速度較慢，因而不能檢測(cè)到瞬時(shí)變化的電流和回路要求損耗較小的瞬時(shí)電流(例如LC振蕩電流)，也不適于測(cè)量回路電阻較小的瞬時(shí)電路電流。通常萬用表只可測(cè)量交流電流的有效值和直流電流大小。因此檢流計(jì)和萬用表都不能滿足測(cè)量和觀察瞬時(shí)變化電流的需要。本設(shè)計(jì)利用短路電流放大器的原理對(duì)檢測(cè)電流進(jìn)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(cè)瞬變電流的大小和變化方向。
2 原理與實(shí)現(xiàn)
2.1 短路電流放大器
借助集成運(yùn)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(diǎn)，利用短路電流放大器的原理對(duì)待檢測(cè)電流進(jìn)行1：1放大，展寬信號(hào)的內(nèi)阻大小要求范圍，提高了檢測(cè)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)瞬間變化電流的檢測(cè)。圖1所示為一反相輸入比例運(yùn)算放大器電路，輸入信號(hào)Vi經(jīng)過電阻R1接到集成運(yùn)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(fù)反饋。在實(shí)際應(yīng)用中為了保證運(yùn)放的2個(gè)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(dòng)輸入電壓，應(yīng)使反相輸入端與同相輸入端對(duì)地的電阻相等。在圖1中應(yīng)使R2=R1∥RF。由于理想運(yùn)放的L=L=0，所以R2上無壓降，VO=0，再由理想運(yùn)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(gè)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?yàn)閂∑∑=0，相當(dāng)于信號(hào)源外電路短路，但實(shí)際并不斷路，∑，∑之間電阻極大，又因?yàn)?sum;點(diǎn)對(duì)地電阻達(dá)到幾兆歐，所以信號(hào)源的輸出電流只能經(jīng)RF和IC形成回路，即VO=IORF。
2 檢測(cè)電路工作原理
瞬變電流檢測(cè)儀電路原理如圖2所示。選用TL084結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入運(yùn)算放大器，其中的每一個(gè)運(yùn)算放大器在單塊集成電路上使用了高電壓結(jié)型場(chǎng)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(diǎn)。集成運(yùn)放A與R1成短路電流放大器，B與R2～R6、W1構(gòu)成一個(gè)反相加法器，，對(duì)運(yùn)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(shí)，運(yùn)放B的輸出電壓VO≠0，則可移動(dòng)多圈電位器W1的活動(dòng)觸頭使VO=0，實(shí)際上，W1相當(dāng)于指針式檢流計(jì)調(diào)零旋鈕的作用。運(yùn)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(gè)基準(zhǔn)電壓，各集成運(yùn)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(dāng)有輸入電流i，運(yùn)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(duì)大小、方向及變化規(guī)律。運(yùn)放C～G構(gòu)成的5個(gè)電壓比較器，其反相輸入端分別接基準(zhǔn)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(gè)電壓比較器的同相輸入端分別接基準(zhǔn)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(fù)向電流(即從b端流入，a端流出)的比較顯示。
當(dāng)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(zhǔn)電壓，他們輸出高電平，對(duì)應(yīng)發(fā)光管LED3～LED5，發(fā)光;當(dāng)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(zhǔn)電壓，這些比較器輸出高電平，對(duì)應(yīng)發(fā)光管LED1～LED3發(fā)光。發(fā)光管的數(shù)目與檢測(cè)電流的大小成正比，輸入電流由小到大變化時(shí)，發(fā)光管點(diǎn)亮的次序?yàn)長(zhǎng)ED5～LED4～LED3～LED1～LED1。當(dāng)電流從b端流入，放大器B的輸出電壓VO為負(fù)，擔(dān)任負(fù)向電流檢測(cè)的比較器H，j，k，1，M依次輸出高電平，使對(duì)應(yīng)LED發(fā)光。電流越大，VO越低，發(fā)光管點(diǎn)亮的數(shù)目越多，點(diǎn)亮次序?yàn)長(zhǎng)ED7～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(cè)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(yùn)放A的輸出端電壓V.等于被測(cè)電流i與R。的乘積，即：V1=-iR1。V1max=-4.8 V。取R1=330 Ω，則可測(cè)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(yùn)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(duì)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(cè)的最小電流為imin，因?yàn)閕min×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(jì)的電流檢測(cè)范圍是8.06×10-6A～14.55×10-3A。驅(qū)動(dòng)顯示同一方向電流大小的相臨的兩個(gè)運(yùn)放如運(yùn)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(shí)際大小。
2.3 電流檢測(cè)儀制作
運(yùn)放A～M用3塊運(yùn)放集成電路TL084，每塊運(yùn)放集成電路內(nèi)含有4個(gè)相同的運(yùn)算放大器，他們電源共用，彼此獨(dú)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(jì)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(jì)的觀察習(xí)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(xué)生觀察，電流檢測(cè)儀外形尺寸可適當(dāng)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(cè)電路。即可向指針式檢流計(jì)一樣進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。
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(yán)重，加快了能量的損耗，振蕩持續(xù)的時(shí)間將變短，電源用6 V。按演示實(shí)驗(yàn)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(jì)一般只能觀察2個(gè)周期，且對(duì)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(yàn)證振蕩周期與電容的關(guān)系。
單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示 用1根50～80 cm的軟導(dǎo)線，兩端分別接到該檢流計(jì)接線柱a，b上，手拿導(dǎo)線的中間部分放人馬蹄型磁鐵磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，檢流計(jì)即顯示有感應(yīng)電流產(chǎn)生。可非常明顯的驗(yàn)證磁場(chǎng)、導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)線切割磁力線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示難題。
發(fā)電機(jī)原理的演示 把單相交流發(fā)電機(jī)模型的輸出端接到該檢流計(jì)輸入端a，b上，使發(fā)電機(jī)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(gè)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(dòng)同步。當(dāng)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(jì)所不及的觀察效果。
4 結(jié) 語
本瞬間變化電流的檢測(cè)儀克服了指針式和光標(biāo)式檢流計(jì)在電路中損耗較大，響應(yīng)速度較慢的固有缺點(diǎn)，能夠檢測(cè)瞬時(shí)變化的電流，適合用于檢測(cè)待測(cè)回路要求損耗較小以及回路電阻較小的瞬時(shí)電流。作為相關(guān)物理和電予測(cè)量低成本的測(cè)量?jī)x器，其可用于LC電磁振蕩、單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)原理等演示實(shí)驗(yàn)。
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