摘 要：設(shè)計(jì)一種基于短路電流放大器的瞬間變化電流的檢測(cè)儀，并對(duì)其電路工作原理和測(cè)量精度做了分析。該檢測(cè)儀適合于要求損耗較小和待測(cè)回路電阻較小時(shí)的瞬變電流檢測(cè)，可作為物理及電子實(shí)驗(yàn)低成本的檢測(cè)儀器，用于單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)現(xiàn)象等實(shí)驗(yàn)。 

關(guān)鍵詞：TL084;短路電流放大器;瞬變電流;檢流計(jì)

中圖分類號(hào)：TN710.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)08-185-03

Design and Application of Transient Current Measuring Equipment

WANG Gongtang，WANG Chunxing

(College of Physics and Electronics，Shandong Normal University，Jinan，250014，China)

Abstract：Based on short circuit current amplifier，an current meter for measuring transient current is made up.The work principle and the measuring accuracy are dissertated in a detail.It is fit for measuring transient current of the circuit with small loop internal resistance and requiring loss power consumption from instrument.As physical and electronic demo experiment instrument，it can be used for single conducting wire electromagnetic induction experiment and so on.

Keywords：TL084;short circuit current amplifier;transient current;current meter

1 引 言

指針式和光點(diǎn)式檢流計(jì)的外臨界電阻較大，內(nèi)阻較大，在電路中的損耗較大，而且在通電線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)， 線圈做阻尼運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定位置需要一定的時(shí)間， 檢流計(jì)響應(yīng)速度較慢^[1]，因而不能檢測(cè)到瞬時(shí)變化的電流和回路要求損耗較小的瞬時(shí)電流(例如LC振蕩電流)，也不適于測(cè)量回路電阻較小的瞬時(shí)電路電流。通常萬(wàn)用表只可測(cè)量交流電流的有效值和直流電流大小。因此檢流計(jì)和萬(wàn)用表都不能滿足測(cè)量和觀察瞬時(shí)變化電流的需要。本設(shè)計(jì)利用短路電流放大器的原理對(duì)檢測(cè)電流進(jìn)行1∶1放大后，可結(jié)合附屬電路借助發(fā)光二極管定性地檢測(cè)瞬變電流的大小和變化方向。

2 原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 短路電流放大器

借助集成運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換速率高，輸入基極電流和漂移電流小，漂移電壓溫度系數(shù)小的特點(diǎn)，利用短路電流放大器的原理對(duì)待檢測(cè)電流進(jìn)行1∶1放大，展寬信號(hào)的內(nèi)阻大小要求范圍，提高了檢測(cè)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)瞬間變化電流的檢測(cè)。圖1所示為一反相輸入比例運(yùn)算放大器電路^[2]，輸入信號(hào)Vi經(jīng)過電阻R1接到集成運(yùn)放的反相輸入端Σ，而同相輸入端Σ′經(jīng)過電阻R2接地。輸出電壓VO經(jīng)反饋電阻RF接回到反相輸入端，形成一深度的電壓負(fù)反饋。在實(shí)際應(yīng)用中為了保證運(yùn)放的2個(gè)輸入端處于平衡的工作狀態(tài)，避免輸入偏流產(chǎn)生附加的差動(dòng)輸入電壓，應(yīng)使反相輸入端與同相輸入端對(duì)地的電阻相等。在圖1中應(yīng)使R2=R1∥RF。由于理想運(yùn)放的I-=I+=0，所以 R2上無(wú)壓降，VO=0，再由理想運(yùn)放的V+=V-，所以V-=0，得Vi=Ii×R1，所以反相輸入放大電路的等效輸入電阻ri=Vi/Ii= Ii×R1/Ii =R1。若使R1=0，則放大器輸入電阻即為零，根據(jù)平衡電阻的取值要求R2=R1∥RF，則R2=0，這就構(gòu)成了一個(gè)短路電流放大器，電流輸入的阻抗為零，輸出的電壓VO的大小隨輸入的電流線性變化。 如圖1所示，因?yàn)閂ΣΣ' =0，相當(dāng)于信號(hào)源外電路短路，但實(shí)際并不斷路，Σ，Σ′之間電阻極大，又因?yàn)棣颤c(diǎn)對(duì)地電阻達(dá)到幾兆歐，所以信號(hào)源的輸出電流只能經(jīng)RF和IC形成回路，即VO=IO RF。

圖1 反相比例運(yùn)算放大電路

2.2 檢測(cè)電路工作原理

瞬變電流檢測(cè)儀電路原理如圖2所示。選用TL084^[3]結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入運(yùn)算放大器，其中的每一個(gè)運(yùn)算放大器在單塊集成電路上使用了高電壓結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和雙極性管，兼容了更好的匹配性，具有轉(zhuǎn)換速率高，輸入基極電流和輸入漂移電流小，漂移電壓溫度系數(shù)低的特點(diǎn)。集成運(yùn)放A與R1構(gòu)成短路電流放大器，B與R2~R6、W1構(gòu)成一個(gè)反相加法器^[2]，，對(duì)運(yùn)放A的輸出電壓V1起放大作用，其中R3，R4與W1構(gòu)成電路，如果輸入ｉ=0時(shí)，運(yùn)放B的輸出電壓VO≠0，則可移動(dòng)多圈電位器W1的活動(dòng)觸頭使VO=0，實(shí)際上，W1相當(dāng)于指針式檢流計(jì)調(diào)零旋鈕的作用。運(yùn)放B的電壓放大倍數(shù)AV=-R6/R2=-40。R7~R17串聯(lián)分壓產(chǎn)生10個(gè)基準(zhǔn)電壓，各集成運(yùn)放接成電壓比較器，并與電阻、發(fā)光二極管組成電平指示電路。當(dāng)有輸入電流i，運(yùn)放A的輸出電壓 V1=- i#8226;R1，該電壓被由B與R2~R6、W1構(gòu)成的放大電路放大后與電壓比較器的參考電壓相比較，通過發(fā)光二極管組成電平指示電路來(lái)同步反映端子a，b間流過電流的相對(duì)大小、方向及變化規(guī)律。運(yùn)放C~G構(gòu)成的5個(gè)電壓比較器，其反相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓1.918 9 V，1.465 8 V，1.012 7 V，0.559 6 V，0.106 5 V，同相輸入端都接放大器B的輸出VO，用于正向電流(即從a端流入，b端流出)的比較顯示。另5個(gè)電壓比較器的同相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓， -0.106 5 V， -0.559 6 V， -1.012 7 V，-1.465 8 V，-1.918 9 V，反相輸入端都接放大器的輸出VO，用于負(fù)向電流(即從b端流入，a端流出)的比較顯示。

當(dāng)有電流i從a端流入，假如大小0.1 mA，則放大器B的輸出電壓為VO=0.000 1 A×330 Ω×40=1.32 V，高于電壓比較器E，F(xiàn)，G的基準(zhǔn)電壓，他們輸出高電平，對(duì)應(yīng)發(fā)光管LED3~LED5，發(fā)光;當(dāng)i =0.15 mA，則VO=0.00 015 A×330 Ω×40=1.98 V，高于電壓比較器C，D，E，E，G的基準(zhǔn)電壓，這些比較器輸出高電平，對(duì)應(yīng)發(fā)光管LED1~LED5發(fā)光。發(fā)光管的數(shù)目與檢測(cè)電流的大小成正比，輸入電流由小到大變化時(shí)，發(fā)光管點(diǎn)亮的次序?yàn)長(zhǎng)ED5~LED4~LED3~LED1~LED1。當(dāng)電流從b端流入，放大器B的輸出電壓VO為負(fù)，擔(dān)任負(fù)向電流檢測(cè)的比較器H，j，k，l，M依次輸出高電平，使對(duì)應(yīng)LED發(fā)光。電流越大，VO越低，發(fā)光管點(diǎn)亮的數(shù)目越多，點(diǎn)亮次序?yàn)長(zhǎng)ED7~LED8~LED9~LED10~0LED11。這樣，通過弧形排列的十只LED(常亮的LED6除外)的發(fā)光數(shù)目和位置即可定性地反映檢測(cè)電流的方向和大小。且發(fā)光管與電流的變化同步顯示，非常形象、直觀。[FL）]

圖2 瞬變電流檢測(cè)電路

[FL（K2]

由于運(yùn)放A的輸出端電壓V1等于被測(cè)電流i與R1的乘積，即：V1=-ｉR1。V1max=-4.8 V。取R1=330 Ω，則可測(cè)電流的最大值為ｉmax=V1max/R1=14.55 mA。電阻R7~R17串聯(lián)總電阻RS為22.07 kΩ。R12兩端的電壓V12=(5 V+5 V)R12/RS=10×470/(22.07×103)V=0.212 96 V，運(yùn)放G，H的參考電壓分別為V12/2=0.106 5 V和-V12/2=-0.106 5 V。輸出0.106 5 V電壓對(duì)應(yīng)的輸入電壓為0.106 5/40=0.002 7 V，該電壓值大于TL084的輸入誤差電壓。設(shè)能夠檢測(cè)的最小電流為ｉmin，因?yàn)椋閙in×R1×AV≥V 12/2，所以ｉmin≥V 12/(2R1 AV)=0.106 5/(330×40)A=8.06×10-6A，所以該檢流計(jì)的電流檢測(cè)范圍是8.06×10-6A~14.55×10-3A。驅(qū)動(dòng)顯示同一方向電流大小的相臨的兩個(gè)運(yùn)放如運(yùn)放E、F間的參考電壓V=10 V×R10/RS=10 V×1 kΩ/(22.07 kΩ) V=0.453 1 V，設(shè)可區(qū)分的輸入電流的大小為Δi，則ΔiR1AV=V，所以Δi=V/(R1AV)=0.4531/(330×40)A=3.43×10-5A，因此能夠顯示的電流的區(qū)分度為3.43×10-5A。

閉合電鍵K2可借助發(fā)光二極管觀察電流的變化方向及觀察電流定性的大小變化。閉合電鍵K3可用電壓表觀察電流變化的大小，但由于電壓表的固有原因，電壓表不能反映頻率較高的電流的實(shí)際大小。

2.3 電流檢測(cè)儀制作

運(yùn)放A~M用3塊運(yùn)放集成電路TL084^[3]，每塊運(yùn)放集成電路內(nèi)含有4個(gè)相同的運(yùn)算放大器，他們電源共用，彼此獨(dú)立工作。發(fā)光二極管LED6為紅色或黃色，其余LED為綠色，均用φ6高亮度的，所有電阻均用 1/8 W精度為1±%的金屬膜電阻，C1用耐壓25 V的電解電容器，W1用阻值為1 kΩ的多圈電位器。電源使用±5 V的雙輸出穩(wěn)壓電源。除電位器W1，LED及限流電阻R18~R28外，其余元件都設(shè)計(jì)安裝在1塊敷銅板上，電路板圖如圖3所示，所有限流電阻均和LED焊在一起，這樣可減少引線。為適應(yīng)指針式檢流計(jì)的觀察習(xí)慣，可把LED1~LED11呈扇形排列安裝在面板上，LED6排在正中間，如圖3所示，為便于學(xué)生觀察， 電流檢測(cè)儀外形尺寸可適當(dāng)大些，如：高40 cm， 寬25 cm，厚10 cm。只要元件無(wú)誤，安裝正確，不用調(diào)試，均能正常工作。

圖3 瞬變電流檢測(cè)儀面板

3 應(yīng) 用

使用前，接通電源開關(guān)K1，調(diào)整W1使排在正中間的LED6發(fā)光外，其余LED均不發(fā)光(即調(diào)零)。把接線柱a、b接入待測(cè)電路。即可向指針式檢流計(jì)一樣進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

LC電磁振蕩的演示

L選擇電感系數(shù)大、內(nèi)阻小的帶磁芯線圈，振蕩周期要大，可使用J2343型電磁振蕩演示儀的特制自感線圈，其最大電感量大于500 H，電阻小于50 Ω，電容最好選用0.6 μF的CBB電容器，若用耐壓大于25 V的普通電容器代替，反向漏電較嚴(yán)重，加快了能量的損耗，振蕩持續(xù)的時(shí)間將變短，電源用6 V。按演示實(shí)驗(yàn)電路要求連接操作，即可清楚的觀察到周期相同的減幅振蕩。由于LC振蕩回路阻尼小，振蕩次數(shù)可觀察到5次以上，且可以觀察周期為十分之一秒的振蕩，而指針式檢流計(jì)一般只能觀察2個(gè)周期，且對(duì)于周期小于1 s的很難反應(yīng)。換用不同容量的電容器可驗(yàn)證振蕩周期與電容的關(guān)系。

單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示

用1根50~80 cm的軟導(dǎo)線，兩端分別接到該檢流計(jì)接線柱a，b上，手拿導(dǎo)線的中間部分放入馬蹄型磁鐵磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，檢流計(jì)即顯示有感應(yīng)電流產(chǎn)生?？煞浅Ｃ黠@的驗(yàn)證磁場(chǎng)、導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流三者方向之間的關(guān)系，即右手定則，解決了單根導(dǎo)線切割磁力線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)演示難題。

發(fā)電機(jī)原理的演示

把單相交流發(fā)電機(jī)模型的輸出端接到該檢流計(jì)輸入端a，b上，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子從中性面位置開始緩慢旋轉(zhuǎn)，搖一周，發(fā)光二極管顯示電流的大小方向變化一個(gè)周期。逐步加快轉(zhuǎn)速，則兩側(cè)發(fā)光管交替顯示得越快，且發(fā)光管亮得數(shù)目越多，但始終與轉(zhuǎn)動(dòng)同步。當(dāng)轉(zhuǎn)速快到一定程度后，兩側(cè)發(fā)光管交替閃光逐漸加快到無(wú)法分辨其方向變化，幾乎一直發(fā)光，這正好說明50 Hz交流電通過燈泡而看不出燈光閃爍的道理。這也正是指針式檢流計(jì)所不及的觀察效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本瞬間變化電流的檢測(cè)儀克服了指針式和光標(biāo)式檢流計(jì)在電路中損耗較大，響應(yīng)速度較慢的固有缺點(diǎn)，能夠檢測(cè)瞬時(shí)變化的電流，適合用于檢測(cè)待測(cè)回路要求損耗較小以及回路電阻較小的瞬時(shí)電流。作為相關(guān)物理和電子測(cè)量低成本的測(cè)量?jī)x器，其可用于LC電磁振蕩、單根導(dǎo)線電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)原理等演示實(shí)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］朱俊孔.普通物理實(shí)驗(yàn)［M］.濟(jì)南:山東大學(xué)出版社，2001.

［2］閻石.模擬電路［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［3］宋春榮.通用集成電路速查手冊(cè)［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

作者簡(jiǎn)介 王公堂 男，1964年出生，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及自動(dòng)控制技術(shù)。

王春興 男，1962年出生，在讀博士，副教授。主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理計(jì)數(shù)字水印技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文