淺談電壓測(cè)量的幾種方法

　　在工業(yè)控制中，電流是閉環(huán)反饋電流環(huán)中的重要參數(shù)，大家對(duì)電流測(cè)量都比較熟悉，也比較重視。在實(shí)際中由于電壓的測(cè)量不會(huì)直接參與到反饋控制中，多數(shù)只用來監(jiān)測(cè)電壓的狀態(tài)，所以大家談?wù)摰妮^少。

　　雖然電壓測(cè)量不是控制領(lǐng)域的主角，但不可不可或缺。接下來談?wù)勗诠I(yè)控制電路中電壓測(cè)量的幾種方法：

　　最常見的電壓測(cè)量是采用電阻測(cè)量，即在被測(cè)電壓點(diǎn)的兩端并聯(lián)大電阻，通過檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓來計(jì)算被測(cè)電壓的大小，如圖1所示，通過檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R3兩端的電壓V2，可以計(jì)算出被測(cè)的高壓電壓V1。

圖1 電阻測(cè)量法

　　這種串并聯(lián)電阻的電壓測(cè)量方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，在低壓測(cè)量如小功率UPS,變頻器等設(shè)備中普遍使用。在使用中，需要注意并聯(lián)電阻的阻值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)電路阻抗，電阻過小會(huì)對(duì)被測(cè)電路分流過多，消耗功率。通常會(huì)是兆歐級(jí)，高阻值的電阻精度都不高，需要采用多個(gè)電阻串、并聯(lián)的方式，一是可以降低單個(gè)電阻的阻值，二是可以增加精度。但串聯(lián)的電阻越多，又需要考慮整體PCB板的布局以及占板面積和安裝位置。另外，這種結(jié)構(gòu)簡單的測(cè)量方法，無法實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，除非后級(jí)增加隔離器件，但隔離器件的增加又增加了成本，有時(shí)還需要考慮涂三防漆等以降低安規(guī)方面的風(fēng)險(xiǎn)。

　　第二種是采用電壓傳感器測(cè)量。目前市面上用的比較多的直測(cè)型電壓傳感器有霍爾原理型。這一類傳感器大多體積大，價(jià)格偏高，也很難批量使用在對(duì)成本要求比較高的工業(yè)控制中，一般都用于機(jī)車牽引系統(tǒng)、風(fēng)電變流系統(tǒng)等這類電壓等級(jí)高，柜體空間比較大的場(chǎng)合。

　　也有一些體積小的霍爾原理的電壓傳感器，利用霍爾閉環(huán)電流測(cè)量的原理，將電壓的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電流，從而實(shí)現(xiàn)電壓的隔離測(cè)量。這類傳感器雖然體積小，可以焊接在PCB板上，也實(shí)現(xiàn)了電氣的隔離。但為了照顧到交、直流的測(cè)量，都采用雙電源供電，功耗比較大。由于要減小體積，傳感器設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)把電壓轉(zhuǎn)換為電流的原邊電阻外置。

　　談到了外置的測(cè)量電阻，也是有一定的學(xué)問。除了簡單的按照被測(cè)電壓的等級(jí)與傳感器所要求的額點(diǎn)電流來選取合適的阻值，還需要考慮配接電阻的功率，如果功率選的過小，會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)熱嚴(yán)重，不僅影響測(cè)量精度，也會(huì)有電阻過熱燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。另外如何在PCB板上布局這些電阻與電壓傳感器的位置，也會(huì)對(duì)測(cè)量精度以及可靠性方面造成影響。

　　那么在使用小型的霍爾原理電壓傳感器時(shí)，為了避免電阻發(fā)熱嚴(yán)重，很好地實(shí)現(xiàn)散熱和增大安規(guī)距離，建議采用多個(gè)電阻串聯(lián)。通常建議采用圖3的對(duì)稱布局，以有效的避免或改善共模特性，對(duì)稱布局即把外接電阻對(duì)稱分散布置在電壓傳感器的正負(fù)輸入端，而不是采用圖2這種只串聯(lián)在其中一個(gè)輸入端的方式。

　　圖1                       圖2

　　雖然按照?qǐng)D3的方式可以解決不少實(shí)際問題，但是，串接電阻與傳感器內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換電流的原邊線圈，在物理意義上構(gòu)成了RL電路，RL電路的存在也會(huì)降低傳感器的帶寬，這也是外置原邊電阻霍爾電壓傳感器普遍帶寬不高的原因，這種電壓傳感器的帶寬通常都不高于20kHz。

　　這么看來，使用PCB型的霍爾原理電壓傳感器，加上配接的原邊測(cè)量電阻，從器件的占板面積上與內(nèi)置測(cè)量電阻的模塊型電壓傳感器相當(dāng)，不僅沒有減少，還會(huì)有測(cè)量電阻發(fā)熱問題，在一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合整個(gè)電路板還需要涂三防漆來防止電腐蝕來降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　為了解決電阻法不隔離，霍爾傳感器體積大的問題，LEM公司開發(fā)了小型化的光電隔離型電壓傳感器DVC1000-P(圖4)，適用于交、直流電壓的測(cè)量。從電氣隔離的角度，避免了電阻法后級(jí)輸出需要加隔離器件的復(fù)雜設(shè)計(jì)，從電路設(shè)計(jì)角度，避免了小體積霍爾電壓傳感器的PCB布板和電阻發(fā)熱問題。傳感器體積只有43x37x23.5mm。這種電壓傳感器采用單5V供電，不需要配接原邊測(cè)量電阻，被測(cè)1000V的交直流電壓可以直接接入電壓傳感器的輸入端。單一的器件既可以節(jié)省空間，又可以實(shí)現(xiàn)電氣上的電壓隔離測(cè)量，交流絕緣測(cè)試電壓高達(dá)4.2kV rms/1min。另外DVC 1000-P另外一個(gè)比較突出的優(yōu)勢(shì)是帶寬，在-3db的情況下可以達(dá)到47kHz，可以滿足對(duì)頻響特性要求高的場(chǎng)合。　

　　這種新的電壓傳感器在設(shè)計(jì)上也充分考慮了環(huán)保問題，符合日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，不僅僅是選用材料和生產(chǎn)過程中符合RoHS和Reach指令要求，同時(shí)所有的材料可以實(shí)現(xiàn)100%的可回收和再利用。

　　當(dāng)然，以上的幾種電壓測(cè)量方式各有利弊，在使用中還需要結(jié)合實(shí)際情況來選擇適合的測(cè)量方式。尤其是現(xiàn)在的工業(yè)控制的設(shè)計(jì)，不僅僅是憑單一器件本身的性能來選型，更是要全面衡量系統(tǒng)的材料、設(shè)計(jì)、制造成本以及成套設(shè)備的整體特性等因素，高性價(jià)比的方式才是最受歡迎的。（校對(duì) 李海瑩）