三相市电电流检测电路分析

我们有一款产品，需要检测三相电流，根据检测的电流进行设备的保护；

该产品对成本敏感，而且外壳尺寸也有限，需要尽量精简单电路设计；

综合考虑之后，我设计了以下的检测电路：

三相电流检测

电路分析

L1为电流互感器的线圈，初、次极匝数比为2000:1。

R4为互感器次极的采样电路，选为25Ω。

R2为运放反相端输入电阻，选为4.7K。

MCU工作电压3.3V经过R5、R6分压之后送入到运放的同相输入端；

R1为运放反馈端电阻，选为47K。

C1为反馈端电容，用于与R1构成低通滤波器，滤除高频干扰；

R3为MCU A/D输入端的限流电路，用于当运放与MCU不是同时上电时，限制从运放输出端经过MCU的上拉二极管向MCU供电电源上的电容的充电电流；

C2为MCU A/D输入脚的滤波电路，其作用为与R3构成低通滤波器，滤除高频干扰；

运放选用LM224，其支持单电源供电；单电源供电时，工作电源范围为:+3.0V-+30V。

同相输入的直流电平通过放大之后，给电流信号提供直流工作点；

通过运放的加、减运算将交流的电流信号抬升到直流工作点上，使得输入MCU的电压大于零；

在同相端输入的直流电压，经过运放放大之后，在运放输出端输出的直流工作点电压为：

直流工作点电压

在反相端输入的电流互感器次极信号Vin，经过运放反相放大之后，在输出端得到的电压为：

交流输出电压

根据电路叠加原理，运放总的输出电压为：

运放输出电压

通过在同相输入端输入直流电压，将输出电压的直流电平抬升至1.65V，

使得输入MCU的交流信号可以达到3.3V峰-峰值，从而可以做到最大的测试量程。

需要测试的市电电流额定真有效值为7.5A，经过2000:1的交流互感器，

在次极得到的电流信号额定真有效值值为5mA，经过25Ω采样电阻采样得到真有效值为125mV的电压；电压峰-峰值为：125*sqrt(2)*2=265mV。

把测试量程设置为额定值的1.2倍，满量程对应的同相端输入电压的峰-峰值为265mV*1.2=318mV。

而运放输出端满量程的峰-峰值为3.3V，因此，放大倍数为3.3V/318mV=10.5。

综合上述考虑，反相端输入的交流信号的放大倍数选为10，R1选47KΩ，R2选4.7KΩ。

在供电方面，经过宽电压输入的AC-DC电源得到5V之后，再通过LDO得到3.3V电源给MCU等供电；

由于，运放为单电源5V供电，所以其输出电压范围为0V-3.5V。

而A/D端口最高电压为3.3V。

所以不需要在端口增加保护二极管进行输入高压保护。

总结

1）根据所需测试信号的额定值确定量程，根据量程以及电流互感器变比、采样电阻阻值确认运放放大倍数为10。

2）将交流信号的直流电平抬升到1.65V以获得交流信号不失真测量的最大量程，根据放大倍数11确认同相端输入的电压电压，从而选择合适的电阻阻值对3.3V的电压进行分压。这里选择2.2K和47K。

3）运放选择单电源5V供电，节省了负电源的电路和成本，而且输入到MCU的信号不需要经过二极管钳位。

4）反馈端电容以及A/D采样输入端电容的容值选择、滤波网络分析在后续文章中再详细讲解。

本文来源物联网全栈开发

审核编辑：汤梓红