CN101718812B - 直流电流测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种直流电流测量电路，包括待测直流电流的主电路，在直流电流测量电路中，第一导体串联在主电路上，第二导体一端与第一导体相连，第一导体的电阻小于第二导体的电阻；第二导体的另一端分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管的漏极和运算放大器的正电压输入端；第一导体的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器的负电压输入端；运算放大器的输出端与第一场效应管的栅极相连；第一场效应管的源极与电流计一端连接；电流计的另一端连接所述直流电流测量电路的地。本发明能精确检测大电流、功耗小、检测的电流范围大。

Description

直流电流测量电路

技术领域

本发明涉及一种大电流测量领域，尤其涉及一种直流电流测量电路。

背景技术

直流电流测量一直是高功率直流电源电气设备的一个需要解决的问题。通过测量电流，人们可以知道用电量的多少、电气设备是否有短路、过负荷等安全问题，从而采取相关的保护措施，避免意外发生。如果设备是用电池供电，电流的测量还直接与电池的余量测算相关，影响设备的运行，电池的使用和维护。因此，直流电流的测量，尤其是大电流的测量十分重要。

传统的测量电路比较简单，一般将分流器直接串联到主电路中。而分流器其实就是一个可以通过大电流的阻值很小的精确电阻，当电流流过分流器时，在其两端就会出现一个毫伏级的电压，于是可以用毫伏电压表来测量这个电压，再将这个电压换算成电流，就完成了大直流电流的测量。分流器的额定电压有75，100，120，150和300毫伏，通常都用75毫伏分流器来测量直流大电流。例如，一个满度电流100A的分流器，它的电阻值就是额定满度电压/满度电流＝75mV/100A＝750uohm(微欧姆)。当有100A的电流流过这个分流器，它的两端就会有75mV的电压，用满量程为75mV的电压表就可以测量出电压。因为电流电压是按欧姆定律而具有线性关系的，通过电压可以很容易换算回电流值。

然而，用分流器测量电流也有很多缺点，首先，分流器是串联在主电路里的，它会因为有大电流流过而发热，消耗一定功率。以上面的例子说明，100A的电流在分流器上产生75mV的压降，消耗的功率就是7.5W，这个功率以热的形式发出，使分流器的温度升高，从而也改变了电阻的阻值，造成测量误差，而且发热的分流器可能对周围的仪器设备造成影响，甚至引发意外。其次，要测量75mV的电压需要很高精度的电压表，成本较高。目前普遍采用数子式电压表，输入电压都经过模数转换变成数字信号再进行处理，但是模数转换的精度是有限的，尤其在输入较低的时候，因为量化精度的限制，测量误差会很大，受噪声的影响很严重，所以使用分流器测量大电流的精度是很难保证的。第三，分流器的测量范围是固定的，不能分档测量，所以使用范围受到限制。

另外，工业界也应用以霍尔元件为基础的隔离式电流传感器测量电流，它的特点是与被测量电流的电路是隔离的，不存在分流器的发热等缺点，但是这种方式存在测量线性度差、零点漂移大、热稳定性差等缺点。

发明内容

本发明的目的针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种能够精确测量直流大电流的直流电流测量电路。

为达到上述目的，本发明提出了一种直流电流测量电路，包括待测直流电流的主电路301，在所述直流电流测量电路中，第一导体102串联在所述主电路301上，第二导体103一端与第一导体102相连，所述第一导体102的电阻小于所述第二导体103的电阻；

第二导体103的另一端302分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管305的漏极306和运算放大器310的正电压输入端312；

第一导体102的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器310的负电压输入端313；

运算放大器310的输出端314与第一场效应管305的栅极307相连；

第一场效应管305的源极308与电流计的一端342连接；

电流计的另一端341连接所述直流电流测量电路的地340；

直流电流测量电路的负电源344的负极连接所述直流电流测量电路的地340；

直流电流测量电路的负电源344的正极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的负极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的正极连接所述直流电流测量电路的正极343。

其中，所述第一导体102与第二导体103材料相同。

其中，所述第一导体102的横截面积大于第二导体103的横截面积。

其中，所述第二导体103位于所述第一导体102的中间或一侧。

其中，所述待测直流电流的主电路301还包括与所述第一导体102串联的负载，以及直流电源。

本发明还提供了另一种直流电流测量电路，包括待测直流电流的主电路301，在所述直流电流测量电路中，第一导体102串联在所述主电路301上，第二导体103一端与第一导体102相连，所述第一导体102的电阻小于所述第二导体103的电阻；

第二导体103的另一端302分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管305的漏极306和运算放大器310的正电压输入端312；

第一导体102的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器310的负电压输入端313；

运算放大器310的输出端314与第一场效应管305的栅极307相连；

第一场效应管305的源极308连接所述直流电流测量电路的地340；

第一场效应管305的栅极307与第二场效应管335的栅极337相连；

第二场效应管335的源极338连接所述直流电流测量电路的地340；其漏极336作为所述直流电流测量电路的输出端与电流计的一端341连接；

电流计的另一端342连接所述直流电流测量电路的正极343；

直流电流测量电路的负电源344的负极连接所述直流电流测量电路的地340；

直流电流测量电路的负电源344的正极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的负极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的正极连接所述直流电流测量电路的正极343。

其中，所述第一导体102与第二导体103材料相同。

其中，所述第一导体102的横截面积大于第二导体103的横截面积。

其中，所述第二导体103位于所述第一导体102的中间或一侧。

其中，所述待测直流电流的主电路301还包括与所述第一导体102串联的负载，以及直流电源。

本发明的技术方案能够产生如下有益效果：利用负反馈电路和镜像电流电路把流经大导体的电流按固定比例两次映射到测量电路的电流输出，使得输出电流很小，因此可以通过简单地测量输出的小电流换算出所需测量的大电流。因此，所能测量的电流范围大、测量精度高，且电路没有发热元器件，自身功耗又小，所以受温度的影响很小，基本不存在零点漂移和温度漂移的问题，温度稳定性也很好。

附图说明

图1是本发明实施例的电路结构图；

图2是本发明另一实施例的电路结构图；

图3是本发明两个实施例的电路中使用的导体的结构示意图；

图4是本发明两个实施例的电路中使用的导体的另一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的直流电流检测电路包括待测直流电流的主电路301，在所述直流电流测量电路中，第一导体102串联在所述主电路301上，第二导体103一端与第一导体102相连，所述第一导体102的电阻小于所述第二导体103的电阻，第一导体102和第二导体103构成具有分叉结构的电流导体101。

第二导体103的另一端302分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管305的漏极306和运算放大器310的正电压输入端312；

第一导体102的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器310的负电压输入端313；

运算放大器310的输出端314与第一场效应管305的栅极307相连；

第一场效应管305的源极308与电流计的一端342连接；

电流计的另一端341连接所述直流电流测量电路的地340；

直流电流测量电路的负电源344的负极连接所述直流电流测量电路的地340；

直流电流测量电路的负电源344的正极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的负极连接所述主电路301的地339；

直流电流测量电路的正电源345的正极连接所述直流电流测量电路的正极343。

其中，所述第一导体102与第二导体103材料相同。

其中，所述第一导体102的横截面积大于第二导体103的横截面积。

其中，所述第二导体103位于所述第一导体102的中间(如图3所示)或一侧(如图4所示)。

其中，所述待测直流电流的主电路301还包括与所述第一导体102串联的负载，以及直流电源。

在上述实施例中，通过运算放大器310和第一场效应管305构成的负反馈，使电流流过第一导体102和第二导体103所产生的电压降接近相同，即运算放大器310的正电压输入端312的电压和运算放大器310的负电压输入端313的电压接近相同，而这两个导体的电阻的比例关系固定，从而使得流过第一场效应管305的电流，也就是流过第二导体103的电流，和流过第一导体102的电流成一定的比例关系。例如，I(102)∶I(103)＝N∶1，本实施例中电流比例的大小由导体的横截面积的比例大小决定，与温度等因素无关。其中，I(102)是第一导体的电流，I(103)是第二导体的电流。将第二导体的电流I(103)输出到电流计进行测量。

由于该电流I(103)是流过主电路301电流的一个很小的比例1/(N)，而且不直接与主电路301有关，因此可以被准确地测量，然后乘上比例系数N，即可以知道流过主电路301的真实电流值。

实施例2

本发明的第二种优选实施例，是在上述优选实施例1的基础上改进而来，如图2所示，即：

将第一场效应管305的源极308作为所述直流电流测量电路的输出端与电流计连接改为：将第一场效应管305的栅极307与第二场效应管335的栅极337相连；第二场效应管335的源极338连接所述直流电流测量电路的地340；其漏极336作为所述直流电流测量电路的输出端与电流计的一端341连接；电流计的另一端342连接所述直流电流测量电路的正极343。

这样，流过第一场效应管305的电流，也就是流过第二导体103的电流，再经过第一场效应管305与第二场效应管335构成的镜像电流电路，把电流再按一定比例输出到电流计。例如I(103)∶I(335)＝K∶1，比例大小由两个场效应管的导电沟道大小决定。其中，I(335)是流过第二场效应管335的电流。

由于该电流I(335)是流过主电路301电流的一个很小的比例1/(NK)，而且不直接与主电路301有关，因此可以被准确地测量，然后乘上比例系数NK，即可以知道流过主电路301的真实电流值：I(102)＝I(335)NK。

由以上实施例可以看出，流过主电流的小电阻的电阻不再受限制，它可以很小，所以流过的电流再大，产生的热量都不会大，温度不会明显升高；大电阻导体的电阻可以比小电阻导体的电阻高很多，它们之间的比例是按照其尺寸大小决定的，而且因为它们是同一块金属材料制造并且相连，所以它们的电阻值比例关系不会因为温度变化而变化。在同样电压降的条件下，流过小电阻导体的电流与大电阻导体的电流就始终保持一定比例关系。通过运算放大器，场效应管构成的负反馈电路，可以保证小电阻导体的电压测量点的电压和大电阻导体的电压测量点的电压相同，而流经大电阻导体的电流，与小电阻导体的电流就可以一直保持上述的比例关系，该比例是由分叉导体的尺寸决定，而且完全不会受温度的影响。通常，小电阻导体的电阻要比大电阻导体的电阻小得多，如前者为后者的千分之一，主电流如果是1000A，流经大电阻导体的电流就是1A，因此，可以测量很大的电流。

流过大电阻导体的电流经过镜像电路映射到第二场效应管的漏极输出，电流值再经过一次比例换算。用一个普通的电流计就可以很准确地测出这个电流，而且不存在大电流发热，损耗功率的情况发生。

通过程序控制或者简单的电路开关，可以很容易改变镜像电流电路的比例(K∶1)的数值，因此不需要改变接在第二场效应管的输出漏极的电流计的量程，就可以改变整个直流电流测量电路的测量量程和测量范围，保持电流计能工作在最佳的量程范围，达到最高的测量精度。

运算放大器和第一场效应管组成的负反馈电路一直工作在相近的工作点，运算放大器的正、负电压输入端一直保持电压相同，所以不受电路的非线性因素影响。电路没有发热元器件，自身功耗又小，所以受温度的影响很小，基本不存在零点漂移和温度漂移的问题，温度稳定性也很好。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流电流测量电路，包括待测直流电流的主电路(301)，其特征在于，还包括第一导体(102)、第二导体(103)、第一场效应管(305)，运算放大器(310)和电流计，其中，第一导体(102)串联在所述主电路(301)上，第二导体(103)一端与第一导体(102)的一端相连，所述第一导体(102)的电阻小于所述第二导体(103)的电阻；

第二导体(103)的另一端(302)分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管(305)的漏极(306)和运算放大器(310)的正电压输入端(312)；

第一导体(102)的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器(310)的负电压输入端(313)；

运算放大器(310)的输出端(314)与第一场效应管(305)的栅极(307)相连；

第一场效应管(305)的源极(308)与电流计的一端(342)连接；

电流计的另一端(341)连接所述直流电流测量电路的地(340)；

直流电流测量电路的负电源(344)的负极连接所述直流电流测量电路的地(340)；

直流电流测量电路的负电源(344)的正极连接所述主电路(301)的地(339)；

直流电流测量电路的正电源(345)的负极连接所述主电路(301)的地(339)；

直流电流测量电路的正电源(345)的正极连接所述直流电流测量电路的正极(343)。

2.如权利要求1所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第一导体(102)与第二导体(103)材料相同。

3.如权利要求2所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第一导体(102)的横截面积大于第二导体(103)的横截面积。

4.如权利要求3所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第二导体(103)位于所述第一导体(102)的中间或一侧。

5.如权利要求1～4的任一项所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述待测直流电流的主电路(301)还包括与所述第一导体(102)串联的负载，以及直流电源。

6.一种直流电流测量电路，包括待测直流电流的主电路(301)，其特征在于，还包括第一导体(102)、第二导体(103)、第一场效应管(305)、第二场效应管(335)，运算放大器(310)和电流计，其中，第一导体(102)串联在所述主电路(301)上，第二导体(103)一端与第一导体(102)的一端相连，所述第一导体(102)的电阻小于所述第二导体(103)的电阻；

第二导体(103)的另一端(302)分别连接所述直流电流测量电路的第一场效应管(305)的漏极(306)和运算放大器(310)的正电压输入端(312)；

第一导体(102)的另一端连接所述直流电流测量电路的运算放大器(310)的负电压输入端(313)；

运算放大器(310)的输出端(314)与第一场效应管(305)的栅极(307)相连；

第一场效应管(305)的源极(308)连接所述直流电流测量电路的地(340)；

第一场效应管(305)的栅极(307)与第二场效应管(335)的栅极(337)相连；

第二场效应管(335)的源极(338)连接所述直流电流测量电路的地(340)；其漏极(336)作为所述直流电流测量电路的输出端与电流计的一端(341)连接；

电流计的另一端(342)连接所述直流电流测量电路的正极(343)；

直流电流测量电路的负电源(344)的负极连接所述直流电流测量电路的地(340)；

直流电流测量电路的负电源(344)的正极连接所述主电路(301)的地(339)；

直流电流测量电路的正电源(345)的负极连接所述主电路(301)的地(339)；

直流电流测量电路的正电源(345)的正极连接所述直流电流测量电路的正极(343)。

7.如权利要求6所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第一导体(102)与第二导体(103)材料相同。

8.如权利要求7所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第一导体(102)的横截面积大于第二导体(103)的横截面积。

9.如权利要求8所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述第二导体(103)位于所述第一导体(102)的中间或一侧。

10.如权利要求6～9的任一项所述的直流电流测量电路，其特征在于，所述待测直流电流的主电路(301)还包括与所述第一导体(102)串联的负载，以及直流电源。

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