新穎、快速、高精度變壓器直流電阻測試儀的研

【摘　要】介紹了一種實用、新穎、能快速測量變壓器直流電阻的高精度儀器的研制思路及現場測試效果，對其中某些關鍵環節進行了詳細闡述，并給出了性能指標，具有高精度、低噪聲、小功耗和抗干擾能力強等優點。
關鍵詞：集成運算放大器 恒流源 濾波 高精度放大器
　　
1　引　言
　 變壓器繞組直流電阻的測量是變壓器實驗中既簡便又重要的試驗項目。通過繞組直流電阻的測量，可以檢查出繞組內部導線的焊接質量和引線與繞組的焊接質量，繞組所采用的導線是否符合設計要求，分接開關（有載調壓開關OLT）引線與套管等載流部分接觸是否良好，三相電阻是否平衡等等。意義重大，在這方面的研究與探討是值得的。
2　基本原理介紹
　 為便于顯示，變壓器繞組的直流電阻應該轉化為電壓或電流，因此采用電阻－電壓變換方法進行測量。傳統的電阻測量方法采用電橋測量方法，其輸出電壓U0隨被測電阻Rx的變化而變化。該方法在某些地方有一定的優點。例如在用應變片測量壓力時，比較容易實現溫度補償〔2〕。但也有一些缺點，如用平衡電橋測量變壓器繞組直流電阻，電路復雜；若用不平衡電橋測量，U0與Rx成非線性關系。
由歐姆定律I＝U／R，可知R＝U／I，只要電流I固定，就容易得到電阻與電壓的線性變換關系。電流I固定，可采用一個恒流源向被測電阻Rx供電，再測出它兩端電壓Ux便可換算出被測電阻Rx的值。因此，采用恒流源給變壓器繞組供電測其端電壓來測得變壓器繞組的直流電阻，圖1所示是測量變壓器直流電阻的系統原理圖框圖，可采用此方法測量變壓器的直阻。下面介紹測量變壓器直流電阻的基本原理：

2．1　恒流源的實現
　 圖2中A1為加法器，A2與VT1～VT2組成反相放大器（其中T1～T2是組成復合管用于放大A2的輸出電流，最大可以輸出3安培的基準電流），A3是電壓跟隨器。該恒流源經過多次濾去紋波 ，能確保輸出電流恒定。恒流源全部采用集成運算放大器ICL7650（或CF7650）。它是Intersil公司于80年代初研制成功的高精度、低漂移、動態校零CMOS型的斬波式單片集成運放，稱為第四代運放。其輸入失調電壓Uos只相當于通用型運放F007的千分之一，Uos＝1．0μV，失調電壓溫漂為0．01μV／℃，每月漂移低于100pA，且有極高共模抑制比（≥130dB），開環增益Ad＞140dB，輸入電壓Uin的波動對放大器輸出影響很小，因而恒流源穩定、可靠、其漂移和噪聲指標可大大改善〔4〕。(電源采用正負±12V供電。)

為分析方便，設R1＝R，簡單分析其工作原理如下：
加法器A1的輸出電壓U1：
　 U1＝－（Uin＋U4） （1）
對運放A2根據一般運放分析方法：
　 U2＝－U1＝Uin＋U4 （2）
跟隨器A3的輸出電壓U4：
　 U4＝U3 （3）
U1～U4見圖中標注。
標準電阻RN上的電流IN為：

聯立（1）～（4）有：
　　 Uin＝U2－U3 （5）　
　因為運放A3構成跟隨電路，其輸入阻抗很高（≥1012Ω），所以標準電阻RN上的電流IN全部流向被測電阻Rx，即

由上式可知，恒定電流Ix與輸入電壓Uin成一一對應線性關系。那么，被測電阻Rx兩端電壓Ux＝Ix·Rx，所以

，

則Ux的值就是被測電阻Rx的值。為保證恒流源的技術指標，R1一般選精度較高的電阻，如0．1%精密電阻，取10K電阻值。
2．2　低通濾波器
　 由圖1可知，測量環節中采用的INA128儀用放大器，其放大倍數是1，因而同時也將前面環節輸出的紋波電壓一起放大了1倍，后面又要和反相放大環節線連，不濾去紋波，則紋波將進一步被放大，勢必影響小電阻值的測量準確性和穩定性，為此采用了壓控電壓源低通濾波器〔1〕，如圖3，R1＝R2＝100K，C1＝0．22μF，C2＝0．42μF，其增益為1，采用同相方式，其截止頻率fc≤5Hz。
2．3　高精度反相放大器〔5〕
　 由于直阻測試儀中有6個檔位，分別是20mΩ、200mΩ、2Ω、20Ω、200Ω、2000Ω，各檔位需要通過的電流分別是100A，10A，1A，0．1A，0．01A和0．001A。由于開關電源是5V／10A型，因而在設計中，若選3A為最大輸出電流，要獲得10A，就需放大10／3倍，要獲得100A就需放大100／3倍，可見20mΩ與200mΩ檔的測試電路，除有10倍固定放大倍數電路環節外，其它部分電路完全一樣。因而這個10倍的放大關系必須特別準確，可靠。這樣設計，使電路緊湊、體積小，造型更加美觀，使用運用方便，造價低廉。
對圖4，應用網絡分析理論，可得：
　　　

由普通反相放大器理論可知：

由于前面環節采用低通濾波器，fc≤5Hz,A1與A2運放用雙運放，如LF358，則A1（f）≌A2（f）。取
　
　 若Rf＝10R1，則F＝1／10，且選精度高的電阻，能保證較精確的10倍放大關系。所以能保證變壓器直流電阻測試儀實現多量程的直流電阻的精確測量。
　　　　　　　　　　
3　主要技術指標
·恒流源穩定度：
　（1）0．1A＜0．05%，0．01A＜0．07%，0．001A＜0．09%
（2）1．0A＜0．1%，3A＜0．2%
（3）溫漂＜0．05%／℃（采用12V直流風扇）
·量程：20mΩ、200mΩ、2Ω、20Ω、200Ω、2000Ω
·輸出電壓：滿刻度為2．000V
　 ·預熱時間：≤1分鐘（用20mΩ或200mΩ檔預熱）
·環境溫度：0～60℃
·使用電源：220V±10%，50Hz，功耗約30W。