瞬变电流检测仪的工作原理及应用
1 引 言
指针式和光点式检流计的外临界电阻较大，内阻较大，在电路中的损耗较大，而且在通电线圈中的电流发生变化时，线圈做阻尼运动，达到稳定位置需要一定的时间，检流计响应速度较慢，因而不能检测到瞬时变化的电流和回路要求损耗较小的瞬时电流(例如lc振荡电流)，也不适于测量回路电阻较小的瞬时电路电流。通常万用表只可测量交流电流的有效值和直流电流大小。因此检流计和万用表都不能满足测量和观察瞬时变化电流的需要。本设计利用短路电流放大器的原理对检测电流进行1：1放大后，可结合附属电路借助发光二极管定性地检测瞬变电流的大小和变化方向。
2 原理与实现
2.1 短路电流放大器
借助集成运放电路转换速率高，输入基极电流和漂移电流小，漂移电压温度系数小的特点，利用短路电流放大器的原理对待检测电流进行1：1放大，展宽信号的内阻大小要求范围，提高了检测的灵敏度，实现瞬间变化电流的检测。图1所示为一反相输入比例运算放大器电路，输入信号vi经过电阻r1接到集成运放的反相输入端∑，而同相输入端∑经过电阻r2接地。输出电压vo经反馈电阻rf接回到反相输入端，形成一深度的电压负反馈。在实际应用中为了保证运放的2个输入端处于平衡的工作状态，避免输入偏流产生附加的差动输入电压，应使反相输入端与同相输入端对地的电阻相等。在图1中应使r2=r1∥rf。由于理想运放的l=l=0，所以r2上无压降，vo=0，再由理想运放的v+=v-，所以v-=0，得vi=ii×r1，所以反相输入放大电路的等效输入电阻r1=v/ii=ii×r1/ii=r1。若使r1=0，则放大器输入电阻即为零，根据平衡电阻的取值要求r2=r1∥rf，则r2=0，这就构成了一个短路电流放大器，电流输入的阻抗为零，输出的电压vo的大小随输入的电流线性变化。如图1所示，因为v∑∑=0，相当于信号源外电路短路，但实际并不断路，∑，∑之间电阻极大，又因为∑点对地电阻达到几兆欧，所以信号源的输出电流只能经rf和ic形成回路，即vo=iorf。
2 检测电路工作原理
瞬变电流检测仪电路原理如图2所示。选用tl084结型场效应管输入运算放大器，其中的每一个运算放大器在单块集成电路上使用了高电压结型场效应管和双极性管，兼容了更好的匹配性，具有转换速率高，输入基极电流和输入漂移电流小，漂移电压温度系数低的特点。集成运放a与r1成短路电流放大器，b与r2～r6、w1构成一个反相加法器，，对运放a的输出电压v1起放大作用，其中r3，r4与w1构成电路，如果输入i=0时，运放b的输出电压vo≠0，则可移动多圈电位器w1的活动触头使vo=0，实际上，w1相当于指针式检流计调零旋钮的作用。运放b的电压放大倍数av=-r6/r2=-40。r7～r17串联分压产生10个基准电压，各集成运放接成电压比较器，并与电阻、发光二极管组成电平指示电路。当有输入电流i，运放a的输出电压v1=-i?r1，该电压被由b与r2～r6、w1构成的放大电路放大后与电压比较器的参考电压相比较，通过发光二极管组成电平指示电路来同步反映端子a，b间流过电流的相对大小、方向及变化规律。运放c～g构成的5个电压比较器，其反相输入端分别接基准电压1.918 9 v，1.465 8 v，1.012 7 v，0.559 6 v，0.106 5 v，同相输入端都接放大器b的输出vo，用于正向电流(即从a端流人，b端流出)的比较显示。另5个电压比较器的同相输入端分别接基准电压，-0.106 5 v，-0.559 6 v，-1.012 7 v，-1.465 8 v，-1.918 9 v，反相输入端都接放大器的输出vo，用于负向电流(即从b端流入，a端流出)的比较显示。
当有电流i从a端流入，假如大小0.1 ma，则放大器b的输出电压为vo=0.000 1 a×330 ω×40=1.32 v，高于电压比较器e，f，g的基准电压，他们输出高电平，对应发光管led3～led5，发光;当i=0.15 ma，则vo=0.00 015 a×330 ω×40=1.98 v，高于电压比较器c，d，e，e，g的基准电压，这些比较器输出高电平，对应发光管led1～led3发光。发光管的数目与检测电流的大小成正比，输入电流由小到大变化时，发光管点亮的次序为led5～led4～led3～led1～led1。当电流从b端流入，放大器b的输出电压vo为负，担任负向电流检测的比较器h，j，k，1，m依次输出高电平，使对应led发光。电流越大，vo越低，发光管点亮的数目越多，点亮次序为led7～led8～led9～led10～0led11。这样，通过弧形排列的十只led(常亮的led6除外)的发光数目和位置即可定性地反映检测电流的方向和大小。且发光管与电流的变化同步显示，非常形象、直观。
由于运放a的输出端电压v.等于被测电流i与r。的乘积，即：v1=-ir1。v1max=-4.8 v。取r1=330 ω，则可测电流的最大值为imax=v1max/r1=14.55 ma。电阻r7～r17串联总电阻rs为22.07 kω。r12两端的电压v12=(5 v+5 v)r12/rs=10×470/(22.07×103)v=0.212 96 v，运放g，h的参考电压分别为v12/2=0.106 5 v和-v12/2=-0.106 5 v。输出0.106 5 v电压对应的输入电压为0.106 5/40=0.002 7 v，该电压值大于tl084的输入误差电压。设能够检测的最小电流为imin，因为imin×r1×av≥v12/2，所以imin≥v12/(2r1 av)=0.106 5/(330×40)a=8.06×10-6a，所以该检流计的电流检测范围是8.06×10-6a～14.55×10-3a。驱动显示同一方向电流大小的相临的两个运放如运放e、f间的参考电压v=10 v×r10/rs=10 v×1 kω/(22.07 kω)v=0.453 1 v，设可区分的输入电流的大小为△i，则△ir1av=v，所以△i=v/(r1av)=0.4531/(330×40)a=3.43×10-5a，因此能够显示的电流的区分度为3.43×10-5a。
闭合电键k2可借助发光二极管观察电流的变化方向及观察电流定性的大小变化。闭合电键k3可用电压表观察电流变化的大小，但由于电压表的固有原因，电压表不能反映频率较高的电流的实际大小。
2.3 电流检测仪制作
运放a～m用3块运放集成电路tl084，每块运放集成电路内含有4个相同的运算放大器，他们电源共用，彼此独立工作。发光二极管led6为红色或黄色，其余led为绿色，均用φ6高亮度的，所有电阻均用1/8 w精度为1±%的金属膜电阻，c1用耐压25 v的电解电容器，w1用阻值为1 kω的多圈电位器。电源使用±5 v的双输出稳压电源。除电位器w1，led及限流电阻r18～r28外，其余元件都设计安装在1块敷铜板上，电路板图如图3所示，所有限流电阻均和led焊在一起，这样可减少引线。为适应指针式检流计的观察习惯，可把led1～led11呈扇形排列安装在面板上，led6排在正中间，如图3所示，为便于学生观察，电流检测仪外形尺寸可适当大些，如：高40 cm，宽25 cm，厚10 cm。只要元件无误，安装正确，不用调试，均能正常工作。
3 应 用
使用前，接通电源开关k1，调整w1使排在正中间的led6发光外，其余led均不发光(即调零)。把接线柱a、b接入待测电路。即可向指针式检流计一样进行演示实验。
lc电磁振荡的演示 l选择电感系数大、内阻小的带磁芯线圈，振荡周期要大，町使用j2343型电磁振荡演示仪的特制自感线圈，其最大电感量大于500 h，电阻小于50 ω，电容最好选用0.6μf的cbb电容器，若用耐压大于25 v的普通电容器代替，反向漏电较严重，加快了能量的损耗，振荡持续的时间将变短，电源用6 v。按演示实验电路要求连接操作，即可清楚的观察到周期相同的减幅振荡。由于lc振荡回路阻尼小，振荡次数可观察到5次以上，且可以观察周期为十分之一秒的振荡，而指针式检流计一般只能观察2个周期，且对于周期小于1 s的很难反应。换用不同容量的电容器可验证振荡周期与电容的关系。
单根导线电磁感应现象的演示 用1根50～80 cm的软导线，两端分别接到该检流计接线柱a，b上，手拿导线的中间部分放人马蹄型磁铁磁场中做切割磁力线运动，检流计即显示有感应电流产生。可非常明显的验证磁场、导线运动，感应电流三者方向之间的关系，即右手定则，解决了单根导线切割磁力线运动的实验演示难题。
发电机原理的演示 把单相交流发电机模型的输出端接到该检流计输入端a，b上，使发电机的转子从中性面位置开始缓慢旋转，摇一周，发光二极管显示电流的大小方向变化一个周期。逐步加快转速，则两侧发光管交替显示得越快，且发光管亮得数目越多，但始终与转动同步。当转速快到一定程度后，两侧发光管交替闪光逐渐加快到无法分辨其方向变化，几乎一直发光，这正好说明50 hz交流电通过灯泡而看不出灯光闪烁的道理。这也正是指针式检流计所不及的观察效果。
4 结 语
本瞬间变化电流的检测仪克服了指针式和光标式检流计在电路中损耗较大，响应速度较慢的固有缺点，能够检测瞬时变化的电流，适合用于检测待测回路要求损耗较小以及回路电阻较小的瞬时电流。作为相关物理和电予测量低成本的测量仪器，其可用于lc电磁振荡、单根导线电磁感应、发电机原理等演示实验。
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发电机中性点经高电阻接地有何特点？
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指针式和光点式检流计的外临界电阻较大，内阻较大，在电路中的损耗较大，而且在通电线圈中的电流发生变化时，线圈做阻尼运动，达到稳定位置需要一定的时间，检流计响应速度较慢，因而不能检测到瞬时变化的电流和回路要求损耗较小的瞬时电流(例如lc振荡电流)，也不适于测量回路电阻较小的瞬时电路电流。通常万用表只可测量交流电流的有效值和直流电流大小。因此检流计和万用表都不能满足测量和观察瞬时变化电流的需要。本设计利用短路电流放大器的原理对检测电流进行1：1放大后，可结合附属电路借助发光二极管定性地检测瞬变电流的大小和变化方向。
2 原理与实现
2.1 短路电流放大器
借助集成运放电路转换速率高，输入基极电流和漂移电流小，漂移电压温度系数小的特点，利用短路电流放大器的原理对待检测电流进行1：1放大，展宽信号的内阻大小要求范围，提高了检测的灵敏度，实现瞬间变化电流的检测。图1所示为一反相输入比例运算放大器电路，输入信号vi经过电阻r1接到集成运放的反相输入端∑，而同相输入端∑经过电阻r2接地。输出电压vo经反馈电阻rf接回到反相输入端，形成一深度的电压负反馈。在实际应用中为了保证运放的2个输入端处于平衡的工作状态，避免输入偏流产生附加的差动输入电压，应使反相输入端与同相输入端对地的电阻相等。在图1中应使r2=r1∥rf。由于理想运放的l=l=0，所以r2上无压降，vo=0，再由理想运放的v+=v-，所以v-=0，得vi=ii×r1，所以反相输入放大电路的等效输入电阻r1=v/ii=ii×r1/ii=r1。若使r1=0，则放大器输入电阻即为零，根据平衡电阻的取值要求r2=r1∥rf，则r2=0，这就构成了一个短路电流放大器，电流输入的阻抗为零，输出的电压vo的大小随输入的电流线性变化。如图1所示，因为v∑∑=0，相当于信号源外电路短路，但实际并不断路，∑，∑之间电阻极大，又因为∑点对地电阻达到几兆欧，所以信号源的输出电流只能经rf和ic形成回路，即vo=iorf。
2 检测电路工作原理
瞬变电流检测仪电路原理如图2所示。选用tl084结型场效应管输入运算放大器，其中的每一个运算放大器在单块集成电路上使用了高电压结型场效应管和双极性管，兼容了更好的匹配性，具有转换速率高，输入基极电流和输入漂移电流小，漂移电压温度系数低的特点。集成运放a与r1成短路电流放大器，b与r2～r6、w1构成一个反相加法器，，对运放a的输出电压v1起放大作用，其中r3，r4与w1构成电路，如果输入i=0时，运放b的输出电压vo≠0，则可移动多圈电位器w1的活动触头使vo=0，实际上，w1相当于指针式检流计调零旋钮的作用。运放b的电压放大倍数av=-r6/r2=-40。r7～r17串联分压产生10个基准电压，各集成运放接成电压比较器，并与电阻、发光二极管组成电平指示电路。当有输入电流i，运放a的输出电压v1=-i?r1，该电压被由b与r2～r6、w1构成的放大电路放大后与电压比较器的参考电压相比较，通过发光二极管组成电平指示电路来同步反映端子a，b间流过电流的相对大小、方向及变化规律。运放c～g构成的5个电压比较器，其反相输入端分别接基准电压1.918 9 v，1.465 8 v，1.012 7 v，0.559 6 v，0.106 5 v，同相输入端都接放大器b的输出vo，用于正向电流(即从a端流人，b端流出)的比较显示。另5个电压比较器的同相输入端分别接基准电压，-0.106 5 v，-0.559 6 v，-1.012 7 v，-1.465 8 v，-1.918 9 v，反相输入端都接放大器的输出vo，用于负向电流(即从b端流入，a端流出)的比较显示。
当有电流i从a端流入，假如大小0.1 ma，则放大器b的输出电压为vo=0.000 1 a×330 ω×40=1.32 v，高于电压比较器e，f，g的基准电压，他们输出高电平，对应发光管led3～led5，发光;当i=0.15 ma，则vo=0.00 015 a×330 ω×40=1.98 v，高于电压比较器c，d，e，e，g的基准电压，这些比较器输出高电平，对应发光管led1～led3发光。发光管的数目与检测电流的大小成正比，输入电流由小到大变化时，发光管点亮的次序为led5～led4～led3～led1～led1。当电流从b端流入，放大器b的输出电压vo为负，担任负向电流检测的比较器h，j，k，1，m依次输出高电平，使对应led发光。电流越大，vo越低，发光管点亮的数目越多，点亮次序为led7～led8～led9～led10～0led11。这样，通过弧形排列的十只led(常亮的led6除外)的发光数目和位置即可定性地反映检测电流的方向和大小。且发光管与电流的变化同步显示，非常形象、直观。
由于运放a的输出端电压v.等于被测电流i与r。的乘积，即：v1=-ir1。v1max=-4.8 v。取r1=330 ω，则可测电流的最大值为imax=v1max/r1=14.55 ma。电阻r7～r17串联总电阻rs为22.07 kω。r12两端的电压v12=(5 v+5 v)r12/rs=10×470/(22.07×103)v=0.212 96 v，运放g，h的参考电压分别为v12/2=0.106 5 v和-v12/2=-0.106 5 v。输出0.106 5 v电压对应的输入电压为0.106 5/40=0.002 7 v，该电压值大于tl084的输入误差电压。设能够检测的最小电流为imin，因为imin×r1×av≥v12/2，所以imin≥v12/(2r1 av)=0.106 5/(330×40)a=8.06×10-6a，所以该检流计的电流检测范围是8.06×10-6a～14.55×10-3a。驱动显示同一方向电流大小的相临的两个运放如运放e、f间的参考电压v=10 v×r10/rs=10 v×1 kω/(22.07 kω)v=0.453 1 v，设可区分的输入电流的大小为△i，则△ir1av=v，所以△i=v/(r1av)=0.4531/(330×40)a=3.43×10-5a，因此能够显示的电流的区分度为3.43×10-5a。
闭合电键k2可借助发光二极管观察电流的变化方向及观察电流定性的大小变化。闭合电键k3可用电压表观察电流变化的大小，但由于电压表的固有原因，电压表不能反映频率较高的电流的实际大小。
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3 应 用
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4 结 语
本瞬间变化电流的检测仪克服了指针式和光标式检流计在电路中损耗较大，响应速度较慢的固有缺点，能够检测瞬时变化的电流，适合用于检测待测回路要求损耗较小以及回路电阻较小的瞬时电流。作为相关物理和电予测量低成本的测量仪器，其可用于lc电磁振荡、单根导线电磁感应、发电机原理等演示实验。
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