三相市電電流檢測電路分析

我們有一款產(chǎn)品，需要檢測三相電流，根據(jù)檢測的電流進行設(shè)備的保護；

該產(chǎn)品對成本敏感，而且外殼尺寸也有限，需要盡量精簡單電路設(shè)計；

綜合考慮之后，我設(shè)計了以下的檢測電路：

三相電流檢測

電路分析

L1為電流互感器的線圈，初、次極匝數(shù)比為2000:1。

R4為互感器次極的采樣電路，選為25Ω。

R2為運放反相端輸入電阻，選為4.7K。

MCU工作電壓3.3V經(jīng)過R5、R6分壓之后送入到運放的同相輸入端；

R1為運放反饋端電阻，選為47K。

C1為反饋端電容，用于與R1構(gòu)成低通濾波器，濾除高頻干擾；

R3為MCU A/D輸入端的限流電路，用于當(dāng)運放與MCU不是同時上電時，限制從運放輸出端經(jīng)過MCU的上拉二極管向MCU供電電源上的電容的充電電流；

C2為MCU A/D輸入腳的濾波電路，其作用為與R3構(gòu)成低通濾波器，濾除高頻干擾；

運放選用LM224，其支持單電源供電；單電源供電時，工作電源范圍為:+3.0V-+30V。

同相輸入的直流電平通過放大之后，給電流信號提供直流工作點；

通過運放的加、減運算將交流的電流信號抬升到直流工作點上，使得輸入MCU的電壓大于零；

在同相端輸入的直流電壓，經(jīng)過運放放大之后，在運放輸出端輸出的直流工作點電壓為：

直流工作點電壓

在反相端輸入的電流互感器次極信號Vin，經(jīng)過運放反相放大之后，在輸出端得到的電壓為：

交流輸出電壓

根據(jù)電路疊加原理，運放總的輸出電壓為：

運放輸出電壓

通過在同相輸入端輸入直流電壓，將輸出電壓的直流電平抬升至1.65V，

使得輸入MCU的交流信號可以達到3.3V峰-峰值，從而可以做到最大的測試量程。

需要測試的市電電流額定真有效值為7.5A，經(jīng)過2000:1的交流互感器，

在次極得到的電流信號額定真有效值值為5mA，經(jīng)過25Ω采樣電阻采樣得到真有效值為125mV的電壓；電壓峰-峰值為：125*sqrt(2)*2=265mV。

把測試量程設(shè)置為額定值的1.2倍，滿量程對應(yīng)的同相端輸入電壓的峰-峰值為265mV*1.2=318mV。

而運放輸出端滿量程的峰-峰值為3.3V，因此，放大倍數(shù)為3.3V/318mV=10.5。

綜合上述考慮，反相端輸入的交流信號的放大倍數(shù)選為10，R1選47KΩ，R2選4.7KΩ。

在供電方面，經(jīng)過寬電壓輸入的AC-DC電源得到5V之后，再通過LDO得到3.3V電源給MCU等供電；

由于，運放為單電源5V供電，所以其輸出電壓范圍為0V-3.5V。

而A/D端口最高電壓為3.3V。

所以不需要在端口增加保護二極管進行輸入高壓保護。

總結(jié)

1）根據(jù)所需測試信號的額定值確定量程，根據(jù)量程以及電流互感器變比、采樣電阻阻值確認(rèn)運放放大倍數(shù)為10。

2）將交流信號的直流電平抬升到1.65V以獲得交流信號不失真測量的最大量程，根據(jù)放大倍數(shù)11確認(rèn)同相端輸入的電壓電壓，從而選擇合適的電阻阻值對3.3V的電壓進行分壓。這里選擇2.2K和47K。

3）運放選擇單電源5V供電，節(jié)省了負(fù)電源的電路和成本，而且輸入到MCU的信號不需要經(jīng)過二極管鉗位。

4）反饋端電容以及A/D采樣輸入端電容的容值選擇、濾波網(wǎng)絡(luò)分析在后續(xù)文章中再詳細(xì)講解。

本文來源物聯(lián)網(wǎng)全棧開發(fā)