探析集成運放在電功率測量中的應用

童相海

TONG Xiang-hai

（江蘇海事職業技術學院 電氣工程系，南京 211170）

0 引言

低漂移集成運放既能把小信號放大，也能將高電壓衰減，在多路測量系統中，只要將被測信號調整到模數轉換器（A/D）的輸入范圍，后續的處理電路就能把所有模擬量變成數字量，各種人工處理的事務就可以完全由機器替代，自動化程度和準確度明顯提高[1]。

1 集成運放的電路分析

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。如OP07CP，使用很方便，只要雙電源供電，合理使用兩個輸入端和同相輸出端即可。

1.1 集成運放的特性

集成運放具有高輸入阻抗特性，兩輸入端的輸入電流為零，i＋=i－=0，簡述為“虛斷”。在分析放大電路時，可以斷開運放的輸入端［2］。

集成運放具有高增益特性，運放兩輸入端的電位差近似為零，u＋=u－，簡述為“虛短”。在分析放大電路時，可以將運放的輸入端用虛線連接。

集成運放具有輸出低阻抗特性，使得經過放大的信號負載能力強。

對集成運放來說，輸入端電壓差、輸入電流構成的輸入特性，即“虛短”和“虛斷”，在伏安特性坐標系中，在第一象限，當Uid→0時，Iid→0就是指向坐標原點；在第三象限，當Uid→0時，Iid→0也是指向坐標原點，如圖1所示。

圖1 運放的輸入特性

1.2 集成運放的基本應用電路

1.2.1 反相比例運算

圖2 反相比例運算

集成運放可以實現反向比例運算，構成的電路如圖2所示，途中R1=R2‖Rf，根據運放的虛短虛斷特性簡化，A點電位等于0，R2和Rf流過相同的電流，則Ku=－Rf/ R2。

實際應用時，如果Ui不超出VCC和VSS的范圍，運放將工作在線性范圍內。當Ui超出電源電壓范圍，該電路作為衰減器使用，在兩個輸入端間必須加二極管保護，使得電路仍具有運放的虛短虛斷特性，維持線性放大。

1.2.2 同相比例運算

集成運放可以實現同相比例運算，構成的電路如圖3所示，根據運放的虛短虛斷特性簡化，Ku=1＋Rf/ R2，不管Rf和 R2阻值如何，總有Ku≥1。

圖3 同相比例運算

實際應用中，通常是放大小信號，當R2開路時，Ku=1，Uo=Ui，即同相跟隨器。

1.3 集成運放輸入端保護

當運放用于衰減高電壓信號時，運放的兩個輸入端等電位就有可能瞬間遭到破壞，通常用兩個二極管反向并聯在輸入端口上對交流限幅加以保護。

兩個二極管反向并聯及伏安特性曲線如圖4，由于硅二極管處于死區電壓時電流為0，對外仍然等效為高阻抗，分析電路時同樣理解為虛斷；兩個二極管并到運放輸入端不影響運放兩輸入端常處于虛短狀態[3]。

2 集成運放在電功率測量中的應用

測量電功率時，主要是通過測電壓電流值來計算的。

2.1 電流的測量

圖4 兩個二極管反向并聯的特性

電流的測量可以采用測量電流互感器或鉗形表來完成，電流互感器根據需要將被測大電流線性變換為小電流，后接精密電阻轉換為小電壓，用線性運放放大，供后續電路處理。需要說明的是：互感器輸出與輸入，幅值基本呈線性關系，但是相位滯后，相位差隨電流大小而不同，只能補償處理，這樣測量很不方便。所以采用取樣電阻直接測量電流的方法，測量電路如圖5所示。

圖5中，R0為取樣電阻，其負端被選作參考地電位。假如取樣電阻R0為5毫歐且最大允許通入20A電流，現通入5A電流，取樣電阻兩端電壓為25毫伏，采用Ku＝－10的反相放大器，輸出電壓就被放大到250毫伏。目前的數字式單相電能表均如此，取樣電阻電損耗很小，成本低廉，沒有相位偏差，電能計量精確。

圖5 交流電流取樣反相放大電路

2.2 電壓的測量

在測量電壓時，根據電壓等級不同采用的方法也不同。

2.2.1 高電壓的測量

對于高電壓的測量，通常采用降壓互感器，降壓互感器將大電壓信號變換成小電壓信號，這樣輸出小信號與高電壓同步變化，一般電壓變化動態范圍小，在組合功率或電能測量時，相位偏差可以近似認為是定值，依照經驗值處理即可。

將小電壓信號線性放大后，可以作為電壓測量處理電路使用，也可以同時作為功率或電能測量處理用信號。

2.2.2 0500 V交流電壓的測量

1）參考電位選在火（相）線上的電壓測量

參考電位選在火線上，電流按照參考方向流入，電壓的參考方向指向Un，Un相對于參考點是反相。由于圖5電流采樣是反相放大，為使電壓放大輸出信號與之同相位，先將Un衰減，然后同相放大。電路如圖6所示，圖中R4是R5的1000倍，電壓衰減1001倍，R3是R6的1000倍，電壓同相放大1.001倍，整個放大電路衰減1000倍，這樣輸入500V時，輸出500mV。

圖6 交流電壓衰減同相放大電路

R4是R5的1000倍，電壓衰減1001倍，輸入500V時，R5上電壓約500mV。D5～D8四只二極管組成的過壓保護電路能夠限制R5上電壓，使峰值1000mV以下的交流信號得以線性放大，也就是限制了外部輸入電壓。這樣允許直接測量0～500V交流電壓，有效防止高電壓輸入導致放大電路損壞或者后續電路過輸入。

2）參考電位選在零線上的電壓測量

圖7 交流電壓反相衰減電路

參考電位選在零線上，電流按照參考方向流入，電壓的參考方向指向Un，Up相對于參考點是同相。由于圖5電流采樣是反相放大，為使電壓放大輸出信號與之同相位，將Up反相衰減1000倍。電路如圖7所示，R3是R6的1000倍，電壓反相衰減1000倍，整個放大電路衰減1000倍。

圖5、圖6和圖7是針對單相交流電的測量電路，圖5中I＋、I－是電流測量端，圖6、圖7中的Up、Un是電壓測量端。單相交流電功率、電能測量方案中，將電壓Up、Un和電流I＋、I－四端引出，接入要測量的電壓電流信號即可。運放輸出的小電壓信號與電流和電壓線性相關，便于后續電路處理。

由于參考地是隨電流回路負端而確定的，運放電路的供電電源地只能是浮置的，這就決定了以上電路適用于單相交流電功率測量，對三相交流電功率測量只能分開進行，不能合并到一個地上[4]。

3 結論

電工儀表的模擬時代給人們留下深刻的印記，集成電路工藝的創新促使運放誕生、發展，采用運放使得信號采樣簡便易行，加上模數轉換器的貢獻，使得電功率測量已經逐漸步入數字化時代，測量數據更加準確。

[1] 陳鍵.電工儀表與測量[M].北京：北京理工大學出版社,2009.

[2] 蔡錦福.運算放大器原理與應用[M].北京：科學出版社,2005.

[3] 周志敏,周紀海,紀愛華.電工電子實用電路[M].北京：電子工業出版社,2005.

[4] 盛占石,江博,譚斐,孫俊.基于ADE7758的電網監測儀表設計[J].儀表技術與傳感器,2008,12：38-40.