CN202710665U - 恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置 - Google Patents

Abstract

恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，涉及一种互感测量装置，目前互感器的互感值测量精度较高的互感测量装置成本比较高且电路复杂的问题。它的电流源输出端与电子开关电路的一端连接，电子开关电路另一端同时与第一二极管的阴极、单片机控制系统的时间信号输入端和单片机控制系统的电压检测信号输入端连接，第一二极管的阳极接电源地，单片机控制系统的控制信号输出端接电子开关电路的开关控制端，第一二极管的阴极接被测互感器的原边线圈同名端，第一二极管的阳极接被测互感器的原边线圈异名端，被测互感器副边线圈同名端接电源地，被测互感器副边线圈的异名端接单片机控制系统的电压测量信号输入端。它用于测量互感器的互感值。

Description

恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种互感测量装置。 

背景技术

互感器、变压器和电机的绕组广泛用于DC_DC开关电路，目前互感器的互感值测量精度较高的互感测量装置成本比较高、且电路复杂。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决目前互感器的互感值测量精度较高的互感测量装置成本比较高、且电路复杂的问题，提供一种恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置。 

本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，它包括电流源和第一二极管D1，它还包括电子开关电路和单片机控制系统；电流源的电流输出端与电子开关电路的一端连接，电子开关电路的另一端同时与第一二极管D1的阴极、单片机控制系统的时间信号输入端和单片机控制系统的电压检测信号输入端连接，第一二极管D1的阳极接供电电源的电源地，单片机控制系统的控制信号输出端与电子开关电路的开关控制端连接，第一二极管D1的阴极接被测互感器的原边线圈的同名端，第一二极管D1的阳极接被测互感器的原边线圈的异名端，被测互感器副边线圈的同名端接供电电源的电源地，被测互感器副边线圈的异名端接单片机控制系统的电压测量信号输入端。 

本实用新型的优点在于：电路结构简单，成本低。能够测量互感值满量程在3000μH以下的电感，自感在800μH时，偏差小于7%，精度很高。 

附图说明

图1为本实用新型的装置的原理框图。 

图2为本实用新型的装置的电路原理。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，它包括电流源1和第一二极管D1，它还包括电子开关电路2和单片机控制系统3；电流源1的电流输出端与电子开关电路2的一端连接，电子开关电路2的另一端同时与第一二极管D1的阴极、单片机控制系统3的时间信号输入端和单片机控制系统3的电压检测信号输入端连接，第一二极管D1的阳极接供电电源的电源地，单片机控制系统3的控制信号输出端与电子开关电路2的开关控制端连接，第一二极管 D1的阴极接被测互感器的原边线圈的同名端，第一二极管D1的阳极接被测互感器的原边线圈的异名端，被测互感器副边线圈的同名端接供电电源的电源地，被测互感器副边线圈的异名端接单片机控制系统3的电压测量信号输入端。 

电流源1的供电电源端连接供电电源的正极。 

闭合电子开关电路2，电流源1向被测互感器的原边线圈充电，使被测互感器的原边线圈中的电流i与电流源1的额定电流I_s相等，并有Ψ=L_xI_s；该磁通链部分或全部穿过副边线圈，副边线圈开路。磁通链反映了充电期间充入的所有磁场能量。电流源Is一定时，自感Lx与磁通链成正比。 

当断开电子开关电路2，电感器中的储存的磁通链Ψ=L_xI_s所对应的电动势经二极管D1放电，在释放磁通链对应的磁场能量时，变成

强制线圈两端的电压不变，等于二极管D1的正向导通电压U_DP，稳定放电电流会线性下降，并在整个磁回路的线圈中存在每匝的电压为

（伏/匝），在开路的副线圈中也感应出来。由于U_DP不变，所以N₁越大，线圈中每匝电压越小。 

在放电状态，二极管D1处于稳定正向导通时，被测电感的放电电流的初值为I₁=Is；当二极管D1一定时，被测电感的线性放电电流的终值为I₂，约为0mA，所以测出二极管D1稳定正向导通时间t_D；并测得该时段的被测互感器的副边线圈两端的电压U₂，有如下求互感的关系式： 

M=k·U₂·t_D

其中k是一个常数与电流的变化率有关，用一个满量程的标准互感M_U和一个低端的标准互感M_L，分别放到该电路中测量出U_2U和t_DU和U_2L t_DL就可以确定系数k。 

$M=\frac{M_U-M_L}{U_{2U}{t}_{\mathrm{DU}}-U_{2L}{t}_{\mathrm{DL}}}(U_2{t}_D-U_{2L}{t}_{\mathrm{DL}})---\left(1\right)$

其中t_D与自感L_x成正比，U₂与U_DP成正比。 

二极管D1为肖特基管，其型号为1N5819。 

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实用新型的恒 流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，电流源1包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、可调电阻VR1和P沟道MOS管Q1； 

电阻R1的一端和电阻R4的一端连接在一起作为电流源1的供电电源端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端、可调电阻VR1的一个固定端和可调电阻VR1的滑动端，电阻R4的另一端与P沟道MOS管Q1的源极连接，可调电阻VR1的另一个固定端同时连接电阻R2的另一端、P沟道MOS管Q1的栅极和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管Q1的漏极是电流源1的电流输出端。 

电阻R1为1K，电阻R2为1K，电阻R3为2K，电阻R4为20K，可变电阻VR1为10K，P沟道MOS管Q1的型号为IR9530,电流源1的电流输入端接电源+12V。 

调节可调电阻VR1使电流源输出为100mA。 

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，电子开关电路2包括电阻R5、电阻R6和N沟道MOS管Q2和三极管Q3； 

N沟道MOS管Q2的漏极作为电子开关电路2的一端与电流源1的电流输出端连接，N沟道MOS管Q2的栅极同时与电阻R5的一端和三极管Q3的集电极连接，电阻R5的另一端接供电电源的正极,三极管Q3的基极与电阻R6的一端连接，三极管Q3的发射极接供电电源的电源地；N沟道MOS管Q2的源极作为电子开关电路2的另一端连接第一二极管D1的阴极，电阻R6的另一端是电子开关电路2的开关控制端。 

电阻R5为1K，电阻R6为4.7K，N沟道MOS管Q2的型号为IR530，,三极管Q3为9013。 

电子开关电路2的开关控制端输入0V，电子开关电路2接通，输入3-5V，电子开关电路2断开。 

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，单片机控制系统3包括ARM单片机、时间测量电路3-1、电压测量电路3-2和电压检测电路3-3；时间测量电路3-1的信号输入端为单片机控制系统3的时间信号输入端，电压测量电路3-2的信号输入端为单片机控制系统3的电压测量信号输入端，电压检测电路3-3的输入端为单片机控制系统3的电压检测信号输入端；时间测量电路3-1的时间测量信号输出端与ARM单片机的时间测量信号输入端连接，电压测量电路3-2的电压测量信号输出端与ARM单片机的电压测量信号输入端连接，电压检测电路3-3的电压检测信号输出端与ARM单片机的电压检测信号输入端连接，ARM 单片机的信号输出端是单片机控制系统3的信号输出端且与电子开关电路2的开关控制端和时间测量电路3-1控制信号输入端连接。 

单片机控制系统3输出控制信号，可以有选择的从时间检测电路3-1取出U₁的稳定放电的时间t_D；从电压检测电路3-2可以采集副边线圈U₂的电压；从电压检测电路3-3可以采集原边线圈的电压。 

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置， 

时间测量电路3-1包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、可调电阻VR2、一级运算放大器IC1、二级运算放大器IC2、与非门IC3和第二二极管D2； 

第一二极管D1的阴极和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与一级运算放大器IC1的正向信号输入端连接，一级运算放大器IC1的反向信号输入端同时与电阻R8的一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端接供电电源的电源地，电阻R8的另一端同时与一级运算放大器IC1的信号输出端和二级运算放大器IC2的反向信号输入端连接，二级运算放大器IC2的正向信号输入端与可调电阻VR2的滑动端连接，可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的负极，二级运算放大器IC2的信号输出端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端同时与第二二极管D2的阴极、电阻R11的一端和与非门IC3一个输入端连接，电阻R11的另一端与第二二极管D2的阳极同时接供电电源的电源地，与非门IC3另一个输入端为时间测量电路3-1控制信号输入端，与非门IC3的输出端为时间测量电路3-1的时间测量信号输出端。 

电阻R7为10K，电阻R8为100K，电阻R9为10K，电阻R10为4.7K，电阻R11为4.7K、可变电阻VR2为10K，与非门的型号为74HC00和二极管D2的型号为IN4148。 

调节可调电阻VR2=1—3V，找出U₁的负电压信号。单片机控制系统3的控制输出端为高电平时，时间测量电路3-1输出的低电平为U₁的稳定放电的时间段。单片机定时测量这个低电平的时间为t_D。 

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置， 

电压测量电路3-2包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、运算放大器IC21、第三二极管D21、第四二极管D22和稳压二极管D23； 

电阻R21的一端为电压测量电路3-2的信号输入端，电阻R21的另一端与运算放大器 IC21正向信号输入端的连接，运算放大器IC21反向信号输入端与电阻R22的一端和电阻R23的一端连接，电阻R22的另一端接供电电源的电源地，运算放大器IC21的信号输出端与第三二极管D21的阳极连接，第三二极管D21的阴极与电阻R23的另一端和电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与第四二极管D22的阳极连接，电阻R24的另一端为电压测量电路3-2的时间测量信号输出端，第四二极管D22的阴极与电阻R25的一端和稳压二极管D23的阴极连接，所述第四二极管D22的阴极与电阻R25的一端和稳压二极管D23的阴极连接的连接点作为限幅电压的正极Vr输出，限幅电压的负极接供电电源的电源地，电阻R25的另一端接供电电源的正极，稳压二极管D23的阳极接供电电源的电源地。 

电阻R21为10K,电阻R22为10K，电阻R23为50K，电阻R24为10K，电阻R25为10K，第三二极管D21为IN4148，第四二极管D22为IN4148，稳压二极管D23为2.5V。 

用来检测u₂=0—2.5/6V的电压信号，u₂<0时，输出为0V，u₂>2.5/6V时，被限幅。 

用来采集U₂和识别负线圈的极性。 

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实用新型的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，电压检测电路3-3包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、一级运算放大器IC31、二级运算放大器IC32、第五二极管D31和第六二极管D32； 

电阻R31的一端为电压检测电路3-3的信号输入端，电阻R31的另一端与一级运算放大器IC31的正向信号输入端连接，一级运算放大器IC31的反向信号输入端与电阻R32的一端和电阻R33的一端连接，电阻R32的另一端接供电电源的电源地，一级运算放大器IC31的信号输出端与第五二极管D31的阴极连接，第五二极管D31的阳极与电阻R33的另一端和电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与电阻R36的一端和二级运算放大器IC32的反向信号输入端连接，二级运算放大器IC32的正向信号输入端与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端接供电电源的电源地，二级运算放大器IC32的信号输出端与电阻R36的另一端和电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端与第六二极管D32的阳极连接，电阻R37的另一端为电压检测电路3-3的电压检测信号输出端，第六二极管D32的阴极接限幅电压Vr的正极。 

电阻R31为10K，电阻R32为10K，电阻R33为100K，电阻R34为10K，电阻R35为10K，电阻R36为14.7K，电阻R37为10K，第五二极管D31和第六二极管D32的型号为IN4148。 

用来检测u₁=0---2.5/16V的电压信号，u₁>0时，电压检测电路3-3输出0V，u₁<-0.3V时被限幅。 

恒流源电路由Q1及电阻R1-R4组成，调节VR1使恒流电流为Is=100mA。Q2与D1构成互补充放电开关。IC1、IC2采用运放TL082，±12V供电。R10、R11和D2实现±10到0，5V的电平转换。IC3封锁充电时，被测互感器的原边线圈的电压U₁=-0.3V时的信号通过。ARM单片机是一个最小系统板，带按键显示和基本的I/O接口功能，可以方便的定时测量与非门IC3输出信号u_o的低电平的时间t_D。信号u_T是单片机控制系统3输出的控制信号，周期和占空比可以任意调整。 

测试工作之前，先将单片机控制系统3输出的控制信号u_T的周期调到10ms，占空比为0.5。让测量最大自感时也能充分的充放电。单片机控制系统3输出的控制信号u_T为低时，Q2导通，给被测互感器的原边线圈充电，并同时封锁输出信号u₁₂，不让充电时期的信号通过。单片机控制系统3输出的控制信号u_T为高时，Q2截止，互感器的原边线圈经D1放电。电压信号U₁通过IC1放大、IC2比较，并被单片机控制系统3输出的控制信号u_T允许通过IC3，作为非门IC3输出信号u_o信号进入单片机，定时测量出稳定放电的时间t_D。VR2设置约-1.5V，既能识别-0.3V，又能避开下一次阻尼信号的峰值再进入。 

在稳定放电时间的同时，将副线圈的异名端信号u₂作为U₂送入IC21的正相放大电路，放大6倍，送单片机AD的0通道采集，采用序列0，引脚PB4触发方式。稳压二极管D23是TL431形成一个Vr=2.5V作为限幅用。限制被测互感器的副边线圈的电压U₂的幅值在3.0V以下，输入有效范围在0--2.5V。当副边线圈接反时，运算放大器IC21不接收负电压，U₂=0V。ARM单片机对U₂有一个极性判断，当U₁>100mV时，如果U₂接近0V，则副边线圈的极性需要调换。 

原边线圈的电压U₁检测用一级运算放大器IC31和二级运算放大器IC32实现，只检测负的U₁，并限幅在3.0V以内，输入有效范围在0--2.5V，正的u₁对应的U₁等于0。只作为状态检测用，没有参加互感的测量计算。试验证明当U₁参加计算时，误差比较大。 

Claims (7)

1.恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，它包括电流源（1）和第一二极管（D1），其特征在于，它还包括电子开关电路（2）和单片机控制系统（3）；电流源（1）的电流输出端与电子开关电路（2）的一端连接，电子开关电路（2）的另一端同时与第一二极管（D1）的阴极、单片机控制系统（3）的时间信号输入端和单片机控制系统（3）的电压检测信号输入端连接，第一二极管（D1）的阳极接供电电源的电源地，单片机控制系统（3）的控制信号输出端与电子开关电路（2）的开关控制端连接，第一二极管（D1）的阴极接被测互感器的原边线圈的同名端，第一二极管（D1）的阳极接被测互感器的原边线圈的异名端，被测互感器副边线圈的同名端接供电电源的电源地，被测互感器副边线圈的异名端接单片机控制系统（3）的电压测量信号输入端。

2.根据权利要求1所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，电流源（1）包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、可调电阻VR1和P沟道MOS管（Q1）；

电阻R1的一端和电阻R4的一端连接在一起作为电流源（1）的供电电源端，电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端、可调电阻VR1的一个固定端和可调电阻VR1的滑动端，电阻R4的另一端与P沟道MOS管（Q1）的源极连接，可调电阻VR1的另一个固定端同时连接电阻R2的另一端、P沟道MOS管（Q1）的栅极和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管（Q1）的漏极是电流源（1）的电流输出端。

3.根据权利要求1所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，电子开关电路（2）包括电阻R5、电阻R6和N沟道MOS管（Q2）和三极管（Q3）；

N沟道MOS管（Q2）的漏极作为电子开关电路（2）的一端与电流源（1）的电流输出端连接，N沟道MOS管（Q2）的栅极同时与电阻R5的一端和三极管（Q3）的集电极连接，电阻R5的另一端接供电电源的正极,三极管Q3的基极与电阻R6的一端连接，三极管（Q3）的发射极接供电电源的电源地；N沟道MOS管（Q2）的源极作为电子开关电路（2）的另一端连接第一二极管（D1）的阴极，电阻R6的另一端是电子开关电路（2）的开关控制端。

4.根据权利要求1所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，单片机控制系统（3）包括ARM单片机、时间测量电路（3-1）、电压测量电路（3-2）和电压检测电路（3-3）；时间测量电路（3-1）的信号输入端为单片机控制系统（3）的时间信号输入端，电压测量电路（3-2）的信号输入端为单片机控制系统（3）的电压测量信号输入端，电压检测电路（3-3）的输入端为单片机控制系统（3）的电压检测信号输入端；时间测量电路（3-1）的时间测量信号输出端与ARM单片机的时间测量信号输入端连接，电压测量电路（3-2）的电压测量信号输出端与ARM单片机的电压测量信号输入端连接，电压检测电路（3-3）的电压检测信号输出端与ARM单片机的电压检测信号输入端连接，ARM单片机的信号输出端是单片机控制系统（3）的信号输出端且与电子开关电路（2）的开关控制端和时间测量电路（3-1）控制信号输入端连接。

5.根据权利要求4所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，时间测量电路（3-1）包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、可调电阻VR2、一级运算放大器（IC1）、二级运算放大器（IC2）、与非门(IC3)和第二二极管(D2)；

第一二极管（D1）的阴极和电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与一级运算放大器（IC1）的正向信号输入端连接，一级运算放大器（IC1）的反向信号输入端同时与电阻R8的一端和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端接供电电源的电源地，电阻R8的另一端同时与一级运算放大器（IC1）的信号输出端和二级运算放大器（IC2）的反向信号输入端连接，二级运算放大器（IC2）的正向信号输入端与可调电阻VR2的滑动端连接，可调电阻VR2的一个固定端接供电电源的电源地，可调电阻VR2的另一个固定端接供电电源的的负极，二级运算放大器（IC2）的信号输出端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端同时与第二二极管(D2)的阴极、电阻R11的一端和与非门(IC3)一个输入端连接，电阻R11的另一端与第二二极管(D2)的阳极同时接供电电源的电源地，与非门(IC3)另一个输入端为时间测量电路（3-1）控制信号输入端，与非门(IC3)的输出端为时间测量电路（3-1）的时间测量信号输出端。

6.根据权利要求4所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，电压测量电路（3-2）包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、运算放大器（IC21）、第三二极管(D21)、第四二极管(D22)和稳压二极管(D23)；

电阻R21的一端为电压测量电路（3-2）的信号输入端，电阻R21的另一端与运算放大器（IC21）正向信号输入端的连接，运算放大器（IC21）反向信号输入端与电阻R22的一端和电阻R23的一端连接，电阻R22的另一端接供电电源的电源地，运算放大器（IC21）的信号输出端与第三二极管(D21)的阳极连接，第三二极管(D21)的阴极与电阻R23的另一端和电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端与第四二极管(D22)的阳极连接，电阻R24的另一端为电压测量电路（3-2）的时间测量信号输出端，第四二极管(D22)的阴极与电阻R25的一端和稳压二极管(D23)的阴极连接，所述第四二极管(D22)的阴极与电阻R25的一端和稳压二极管(D23)的阴极连接的连接点作为限幅电压的正极Vr输出，限幅电压的负极接供电电源的电源地，电阻R25的另一端接供电电源的正极，稳压二极管(D23)的阳极接供电电源的电源地。

7.根据权利要求4所述的恒流源充电二极管放电的开关式互感测量装置，其特征在于，电压检测电路（3-3）包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、一级运算放大器（IC31）、二级运算放大器（IC32）、第五二极管(D31)和第六二极管(D32)；

电阻R31的一端为电压检测电路（3-3）的信号输入端，电阻R31的另一端与一级运算放大器（IC31）的正向信号输入端连接，一级运算放大器（IC31）的反向信号输入端与电阻R32的一端和电阻R33的一端连接，电阻R32的另一端接供电电源的电源地，一级运算放大器（IC31）的信号输出端与第五二极管(D31)的阴极连接，第五二极管(D31)的阳极与电阻R33的另一端和电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与电阻R36的一端和二级运算放大器（IC32）的反向信号输入端连接，二级运算放大器（IC32）的正向信号输入端与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端接供电电源的电源地，二级运算放大器（IC32）的信号输出端与电阻R36的另一端和电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端与第六二极管(D32)的阳极连接，电阻R37的另一端为电压检测电路（3-3）的电压检测信号输出端，第六二极管(D32)的阴极接限幅电压Vr的正极。

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