交流输入电压、电流监测电路设计

 引言

　　电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作，因此需要设计相应的监测、保护电路，防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。工频交流电压、电流的大小，通常是利用它的有效值来度量的。有效值的常用测量方法是先进行整流滤波，得出信号的平均值，然后再采用测量直流信号的方法来检测，最后折算成有效值。但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备，如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等，这些设备工作时会产生谐波等干扰。大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、雷电等异常情况出现时，供电主回路中会出现浪涌。当这些情况发生时，供电线路上已不是理想的正弦波，采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。利用真有效值数字测量电路，可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。下面介绍的监测电路安装于配电箱中，与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。

　　真有效值数字测量的基本原理

　　电流和电压的有效值采集电路原理基本相同，下面以电压真有效值为例进行原理分析。所谓真有效值亦称真均方根值(TRMS)。众所周知，交流电压有效值是按下式定义的：

　　分析式(1)可知，电路对输入电压u进行"平方→取平均值→开平方"运算，就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的，故称之为真有效值。

　　若将式(1)两边平方，且令，还可以得到真有效值另一表达式URMS=

　　式(3)中，Avg表示取平均值。这表明，对u依次进行"取绝对值→平方/除法→取平均值"运算，也能得到交流电压有效值。式(3)比式(2)更具有实用价值。由于同时完成两步计算，与分步运算相比，运算器的动态范围大为减小，既便于设计电路，又保证了准确度指标。美国模拟器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列单片真有效值/直流转换器，即采用此原理设计而成。

　　而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个?∑调制器作除法器，一个简单的极性开关作乘法器。相比采用对数/反对数电路的产品，号称有更好的线性度，增益受温度影响更小。

　　另一方面，在计算机采集系统中U(t)是离散值，可以采用下面的公式计算 ：
　　

　　U(i)为各瞬时采用值，i=1，2，…，n;n为采用次数。

　　交流电压采样电路设计

　　图1为简易平均值-有效值测量电路原理图，平均值电路由变压器T、整流桥BR、电容器C和电阻RL组成，虚线部分将平均值折算为有效值输出。

　　用图1所示平均值电路进行测量，存在如下问题：

　　变压器和整流桥是非线性器件，因此必定会产生非线性误差，难以精确补偿;

　　整流桥BR后为得到稳定、平直的DC波形需要较大容值的电容器C，电容充放电时间长，因此响应速度慢;

　　由于电容器C容值不可能无限大，在电容C两端测量到的必然是直流脉动波形。

         实际上，因为变压器体积较大，简易测量仪表多采用电阻分压的方式衰减被测交流电压，再由运放和二极管组成平均值响应的线性整流电路将交流电压转换为直流电压，然后将平均值折算为有效值。对于理想的正弦交流电压采用上述测量方法是没有问题的，但是电网中存在各种非线性电力、电子设备，对于由此造成的失真，采用均值检波电路将会产生较大的误差。表1中列出均值检波与真有效值的误差比较。

　　在极端情况下，均值检波电路产生如此之大的误差是不能接受的，采用真有效值电路可以避免出现这么大的误差。单片TRMS/DC转换器可以选用美国模拟器件公司的AD536、AD636、AD637、AD736、AD737和凌力尔特公司的LTC1966、LTC1967、LTC1968。

　　图2是由AD736构成的5量程3位真效值数字电压表电路图。S1为量程开关，S2为"测量/备用"模式选择开关(常态下S2断开，闭合时仪表呈备用状态)，S3为电源开关。精密电阻R1～R5构成高阻抗分压器，总阻值为10M。输入交流电压Vin首先被衰减成200mV以下，再经限流电阻R6接至AD736的第2引脚。VD1、VD2为双向限幅保护二极管。C1是输入端耦合电容，起隔直作用。C2、C6为电源滤波电容。C4是AD736的平均电容。输出电压经R9、C5滤除纹波后获得直流电压，加至ICL7136的模拟输入端。R9兼ICL7136的限流电阻。ICL7136采用外基准，由ICL8069提供的1.2V基准电压源，通过R8、RP分压后得到基准电压VREV=100mV，基本量程为200mV。

　　交流电流采样电路

　　交流电流采样电路前端常用的交流电流互感器有硅钢FeSi电流互感器、罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)电流互感器、霍尔电流传感器三种。

硅钢电流互感器由于其普及的