二線制交流電流變送器的設計步驟

前言
根據廣大網友的要求，特別是剛走出學校門的大學生們，在進行電路設計時，面對新的項目，無法下手，不知道具體的設計思路從何處怎樣開展，到處求人提供資料，而大部分都不能實用。
本 人經常收到網友的求助，要求提供設計思路。但本人的答復僅對某個項目提出一點建議，而針對廣大網友來講，起不到啟發作用！原因是，很多網友不希望本人公開 答復，一是擔心提出的問題太低級，招來某些“閑人”的熱潮冷諷。二是存在人們固有的保守思想的影響，不想讓別人知道他的“秘密項目”。用現在比較時髦的話 來講，稱“保護知識產權”。
知識產權是有時效性的！過分強調保護知識產權，對于整個社會的發展是有害而無益的！
比如本人在網上轉載多年前公開發行的專業書籍，就引來不少非議。而提出非議的并不是作者本人！我想，作者寫書的目的并非純粹為了經濟利益吧？
在這里提醒大家一下，任何項目，從設計到實施完成，都是一個系統工程，并非是某一個專業能夠獨立完成的。它需要不同專業的密切配合，齊心協力，共同攻關，最終的成功必定是一個集體智慧的結晶！
為了向大家提供一個具體的設計思路，這里將本人十年前設計的一個小項目的具體步驟公開出來，希望能夠給大家今后進行設計項目時起到一點引導作用。同時也希望專家學者給本人提出批評指導意見。

二線制交流電流變送器的設計步驟

已知大電流電流互感器均將不同的電流轉換成0~5A的交流電流進行現場顯示。而進行遠距離傳送時，必須將該電流轉換成標準直流電流信號4~20mA，才能進行傳送。
市場上此類交流電流變送器大都采用“四線制”的方法：即交流電源線二根，直流電流信號線二根。而我們設計的是“二線制交流電流變送器”則只采用二根電線：即在給變送器內的電路提供直流電源的同時，將根據0~5A交流電流變化的變送輸出標準直流電流信號4~20mA遠傳至控制室顯示或進入計算機內處理后在顯示器畫面上顯示。
設計思路
1，選擇低功耗元器件，在滿足功能要求的前提下，盡量簡化電路，滿足二線制儀表的要求。
2，采取有效措施，提高系統的抗干擾能力，減小溫度飄移。
3，完善系統保護措施，增加儀表的可靠性。

一，互感器的選擇
電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當初級流過交流電流時，次級線圈則對應其變比產生交流電流。再通過負載電阻轉換成交流電壓信號。
合理選擇互感器的變比十分重要。
在選擇變比之前，首先要確定通過互感器產生的負載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在2~3V/AC左右。
同時選擇互感器負載電阻為標準系列電阻。選RL=1KΩ。（見圖一）

例如：輸入信號電壓選2.5V。
I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA
已知:交流電流輸入為0~5A，
則變比為:5A/0.0025A=2000
即1:2000
所以,當電流互感器初級電流為0~5A變化時,次級負載電阻兩端的電壓為0~2.5V。
選擇5A/2.5mA的互感器。
如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3V時，只需要將負載電阻選擇為RL=1.2KΩ即可。
V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V
仍然選擇5A/2.5mA的互感器。
二，整流電路的選擇
如果輸入的信號非常微弱時，需要首先對信號進行放大后再進行整流。為了簡化電路，我們選擇的輸入信號電壓幅度比較大，0~2.5V/AC。所以可以直接整流，而不必進行放大。
如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會造成小電流時不能正常輸出，從而造成在互感器輸入≤1A電流時，變送器無法線性輸出標準電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.5~0.7V左右，當互感器輸入電流≤1A時，次級負載電阻兩端的電壓為≤0.5V，此時晶體二極管無法導通！
我們利用運算放大器的反饋電路來實現理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。
同時，為了簡化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路。（見圖二）

圖中的R2，R3，D1與N1運算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1串接于運算放大器N1的輸出端，并且從D1的陰極開始進行反饋。R2是串聯的輸入電阻Ri，R3是反饋電阻Rf。既然不需要進行放大，所以選擇R3=R2。通常選擇通用運算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相對誤差盡量小一點，否則輸出的直流電壓會產生誤差。
對于輸入的負半周信號來講，N1是一個典型的反相放大器。此時的增益為
A=（—Vi）×（—R3/R2）=Vi
而對于輸入的正半周信號來講，N1的輸出則變成負值
A=Vi×（—R3/R2）=—Vi
此時D1被反相偏置而截止，輸入信號Vi則通過R2，R3串聯電路直接輸出至后一級電路。
(未完待續)