浅谈集成运放在电功率测量方面的应用

2022-09-11

随着计算机技术的迅猛发展, 电工测量已经逐渐步入数字化时代。为了达到测量数据准确的目的, 各种电量需要方便地变为数字信号。低漂移集成运放既能把小信号放大, 也能将高电压衰减, 在多路测量系统中, 只要将被测信号调整到模数转换器 (A/D) 的输入范围, 后续的处理电路就能把所有模拟量变成数字量。在自动化系统中, 有了数字量, 就有了根据, 各种人工处理的事务就可以完全由机器替代, 自动化程度和准确度明显提高。

1 集成运放

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便, 所以随着便携式仪器应用范围的扩大, 必须使用低电压供电、低功率消耗的运算放大器。而在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中, 总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。所以低漂移低功耗的集成运放得到广泛应用, 如0P07CP, 使用很方便, 只要双电源供电, 合理使用两个输入端和同向输出端即可。

1.1 集成运放的特性

集成运放具有高输入阻抗特性, 可以得出集成运放两输入端的输入电流为零, i+=i-, 简述为“虚断”。在分析放大电路时, 可以断开运放的输入端。

集成运放运放具有高增益特性, 运放两输入端的电位差近似为零, u+=u-, 简述为“虚短”。在分析放大电路时, 可以将运放的输入端用虚线连接。

集成运放具有输出低阻抗特性, 使得经过放大的信号负载能力强。

对集成运放来说, 输入端电压差、输入电流构成的输入特性, 即“虚短”和“虚断”, 在伏安特性坐标系中, 在第一象限, 当Uid→0时, Iid→0就是指向坐标原点;在第三象限, 当Uid→0时, Iid→0也是指向坐标原点, 如图1所示。

1.2 集成运放的基本应用电路

1.2.1 反相比例运算

集成运放可以实现反向比例运算, 构成的电路如图2所示, 途中R1=R2||Rf, 根据运放的虚短虚断特性简化, A点电位等于0, R2和Rf流过相同的电流, 则Ku=-R f/R 2。

实际应用时, 如果Ui不超出VCC和VSS的范围, 运放将工作在线性范围内。当Ui超出电源电压范围, 该电路作为衰减器使用, 在两个输入端间必须加二极管保护, 使得电路仍具有运放的虚短虚断特性, 维持线性放大。

1.2.2 同相比例运算

集成运放可以实现同向比例运算, 构成的电路如图3所示, 根据运放的虚短虚断特性简化, Ku=1+Rf/R2, 不管Rf和R2阻值如何, 总有Ku≥1。

实际应用中, 通常是放大小信号, 当R2开路时, Ku=1, Uo=Ui, 即同相跟随器。

1.3 集成运放输入端保护

当运放用于衰减高电压信号时, 运放的两个输入端等电位就有可能瞬间遭到破坏, 通常用两个二极管反向并联在输入端口上对交流限幅加以保护。

两个二极管反向并联及伏安特性曲线如图4, 由于硅二极管处于死区电压时电流为0, 对外仍然等效为高阻抗, 分析电路时同样理解为虚断;两个二极管并到运放输入端不影响运放两输入端常处于虚短状态[3] (见图4) 。

2 集成运放在电功率测量方面的应用

测量电功率时, 主要是通过测电压电流值来计算的。

2.1 电流的测量

电流的测量可以采用测量电流互感器或钳形表来完成, 电流互感器根据需要将被测大电流线性变换为小电流, 后接精密电阻转换为小电压, 用线性运放放大, 供后续电路处理。需要说明的是:互感器输出与输入, 幅值基本成线性关系, 但是相位滞后, 相位差随电流大小而不同, 只能补偿处理, 这样测量很不方便。所以采用取样电阻直接测量电流的方法, 测量电路如图5所示。

图5中, R0为取样电阻, 其负端被选作参考地电位。假如取样电阻R0为5毫欧且最大允许通入20A电流, 现通入5A电流, 取样电阻两端电压为25毫伏, 采用Ku=-10的反相放大器, 输出电压就被放大到250毫伏。目前的数字式单相电能表均如此, 取样电阻电损耗很小, 成本低廉, 没有相位偏差, 电能计量精确 (见图5) 。

2.2 电压的测量

在测量电压时, 根据电压等级不同采用的方法也不同。

2.2.1 高电压的测量

对于高电压的测量, 通常采用降压互感器, 降压互感器将大电压信号变换成小电压信号, 这样输出小信号与高电压同步变化, 一般电压变化动态范围小, 在组合功率或电能测量时, 相位偏差可以近似认为是定值, 依照经验值处理即可。

将小电压信号线性放大后, 可以作为电压测量处理电路使用, 也可以同时作为功率或电能测量处理用信号。

2.2.2 0V~500V交流电压的测量

(1) 参考电位选在火 (相) 线上的电压测量。

参考电位选在火线上, 电流按照参考方向流入, 电压的参考方向指向Un, Un相对于参考点是反相。由于图5电流采样是反相放大, 为使电压放大输出信号与之同相位, 先将Un衰减, 然后同相放大。电路如图6所示, 图6中R4是R 5的1 0 0 0倍, 电压衰减1 00 1倍, R 3是R 6的1 0 0 0倍, 电压同相放大1.001倍, 整个放大电路衰减1000倍, 这样输入500V时, 输出500mV (见图6) 。

R4是R5的1000倍, 电压衰减1001倍, 输入500V时, R5上电压约500mV。D5~D8四只二极管组成的过压保护电路能够限制R5上电压, 使峰值1000mV以下的交流信号得以线性放大, 也就是限制了外部输入电压。这样允许直接测量0V~500V交流电压, 有效防止高电压输入导致放大电路损坏或者后续电路过输入。

(2) 参考电位选在零线上的电压测量。

参考电位选在零线上, 电流按照参考方向流入, 电压的参考方向指向Un, Up相对于参考点是同相。由于图5电流采样是反相放大, 为使电压放大输出信号与之同相位, 将Up反相衰减1000倍。电路如图7所示, R3是R6的1000倍, 电压反相衰减1000倍, 整个放大电路衰减1000倍 (见图7) 。

图5、图6和图7是针对单相交流电的测量电路, 图5是电流测量端, 图6图7中的Up、Un是电压测量端。单相交流电功率、电能测量方案中, 将电压Up、Un和电流I+、I-四端引出, 加入测量的电压电流信号即可。运放输出的小电压信号与电流和电压线性相关, 便于后续电路处理。

由于参考地是随电流回路负端而确定的, 运放电路的供电电源地只能是浮置的, 这就决定了以上电路适用于单相交流电功率测量, 对三相交流电功率测量只能分开进行, 不能合并到一个地上。