电压输出与电流成比例的改进型电流监控器

　　本设计实例是对以往设计实例  的扩展（参考文献1）。原版采用一个电流变压器，它的次级绕组构成一个振荡器振荡回路的一部分。正常条件下，流经电流变压器单匝初级绕组的直流电流不会使电路保持振荡，直到初级电流停止流动。虽然这个电路起到一个断电检测器的作用，但当增加一些元件后，其工作原理也适合于测量设备。这种经改进的电路可提供精确的线性电压输出，该电压与流经电流检测变压器T1初级绕组中的直流电流成正比（图1）。另外，该电路还可以作为一个交流电流传感器。

　　为实现改进性能，设计延用了原有振荡电路的概念，并增加了一个PLL电路和在电流变压器上增加一个额外绕组，变压器的次级构成一个 LC振荡器的共振电路。PLL集成了一个74HC4046（IC1），测量由Q1及相应元件构成的LC振荡器的频率，并将其与一个固定频率的内部VCO（压控振荡器）进行对比。PLL的相位比较器输出驱动一个由Q2和Q3组成的电流源，并将电流馈送至电流检测变压器磁芯上的额外绕组。
T1的铁氧体磁芯可来源于多家公司，包括Epcos(www.epcos.com)，它提供B64290L 632×87-环形 2

 

0×10×7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；还有其它一些厂家。根据所使用的铁氧体材料，某种程度上该电路几乎可以用任何铁氧体环形磁芯。（很难用 PSpice或其它仿真器对电路作仿真；精确的结果需要一个复杂的模型，要在各种电流水平上精确地描述磁芯的非线性特性。）

　　增加的绕组在磁芯中产生了磁通量，减小了它的导磁率和电感，从而提高了LC振荡器的频率。当振荡器的频率与VCO（基准）频率相匹配时，电路便达到一个均衡状态。增加或减小通过补偿线圈的电流就可以抵消流经测量线圈直流电流所产生的任何额外磁通量。

　　在PLL的频率跟踪范围内，通过补偿线圈的电流波形与所测电流的波动相同。1:250的匝数比（也是变压器T1中电流的比率）使2.5A的初级电流建立起10 mA的次级电流。如果PLL电路的增益足够大，而且避开铁氧体磁芯的饱和工作区，则电路的闭环构置可将磁芯的磁通量保持在一个恒定值，因而将磁芯材料非线性的影响降至最低。

　　对电阻器R5上电压差的测量显示，电路的输出电压与补偿电流成线性正比，而R5的电阻值与电压输出成比例。对100Ω的R5而言，1V 输出相应于初级侧的电流为2.5A。当零电流流经单匝初级绕组时，可调整电位计R11到设置的一个工作点，就可标定电路的范围。R5上2V的电压降可将测量范围设定为 +5A ~ -5A。如果要适应其它测量范围，可以改变T1的匝数比，或换用不同的R5、R11值来改变补偿电流。电路的供电要用稳压良好的电源。可以用一个软件PLL仿真例程替代74HC4046，以利用微控制器的空闲处理资源。