一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路。


背景技术：

2.电流互感器取电电源又称电流感应取电或者ct取电，是从导线负荷电流产生的磁场感应取电，电源的隔离变换主要依靠电磁感应原理进行。电流互感器取电主要是把电流互感器输出的微小电流源转换成稳定的电压源，为电力系统各种装置工作提供所需稳定的电源。在实现该电源转换技术中，由于电流互感器的原边电流变化较大，导致电流互感器的副边输出的电流变化范围较宽，且输出的电流不稳定，因此，该类电源取电回路输入端应能承受较宽的输入范围。
3.目前常见的电流互感器取电方案，取电电流互感器仅能用于提供取电电源，如果需要对一次侧电流信息采样，需要再增加一组采样电流互感器。不仅电路整体复杂，而且增加了成本。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，可实现电流互感器取电以及对保护电流采样功能。
5.为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，包括电流互感器、整流单元、采样单元、放大单元、升压单元、取电控制单元、稳压单元和负载单元，电流互感器用于将一次侧电流转换为二次侧微小电流，整流单元将电流互感器输出的交流电转换为直流电，采样单元将整流单元输出的电流转换为电压，放大单元将采样单元输出的电压转进行放大，输出至负载单元，升压单元将整流单元输出的电流给第一极性电容c1充电，稳压单元将升压单元输出的充电电压转换为稳定的电压给负载单元供电，取电控制单元用于限制电压超过第一极性电容c1的耐压值。
6.作为本发明的优化方案，采样单元包括第七电阻r7、第九电阻r9和第四电容c4，所述的第九电阻r9一端连接整流单元的输出负端，第九电阻r9另一端接地，第七电阻r7的一端连接整流单元的输出负端，第四电容c4的一端连接第七电阻r7的另一端，第四电容c4的另一端接地。
7.作为本发明的优化方案，放大单元包括第六电阻r6、第三电容c3、第五电容c5、第八电阻r8、第十电阻r10和运算放大器u2，第八电阻r8连接在第七电阻r7的另一端和运算放大器u2的负极输入端之间，第十电阻r10连接在运算放大器u2的正极输入端与地之间，第五电容c5一端接电源，第五电容c5的另一端接运算放大器u2的负电源端，第三电容c3和第六电阻r6并联连接在运算放大器u2的负极输入端与运算放大器u2的输出端之间。
8.作为本发明的优化方案，升压单元包括第一二极管d1和第一极性电容c1，第一二极管d1的正极与整流单元的输出正端连接，第一二极管d1的负极与第一极性电容c1的正极
相连，第一极性电容c1的负极接地。
9.作为本发明的优化方案，取电控制单元包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第二电容c2、第一稳压管zd1、第二稳压管zd2、电压监测芯片u1和nmos管q1，第二电阻r2的一端接第一极性电容c1的正极，第二电容c2连接在第二电阻r2的另一端与电压监测芯片u1的第2引脚之间，第二稳压管zd2并联连接在第二电容c2的两端，第三电阻r3连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第1引脚之间，第四电阻r4连接在电压监测芯片u1的第1引脚与第3引脚之间，第一电阻r1和第一稳压管zd1并联连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第3引脚之间，第五电阻r5的一端接第一二极管d1的正极，nmos管q1的源极接第五电阻r5的另一端，nmos管q1的栅极接电压监测芯片u1的第1引脚，nmos管q1的漏极接地。
10.作为本发明的优化方案，稳压单元包括第七电容c7、第八电容c8、第十一电阻r11、第六电容c6、第一电感l1、第十三电阻r13、第十五电阻r15、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和稳压芯片u3，第七电容c7和第八电容c8并联连接在第一极性电容c1的正极与地之间，第十一电阻r11连接在稳压芯片u3的第4引脚和第5引脚之间，第六电容c6连接在稳压芯片u3的第1引脚和第6引脚之间，第一电感l1的一端连接稳压芯片u3的第6引脚，第十三电阻r13和第十五电阻r15串联连接在第一电感l1的另一端与地之间，第九电容c9连接在第一电感l1的另一端与稳压芯片u3的第3引脚之间，第十电容c10和第十一电容c11并联连接在第一电感l1的另一端与地之间。
11.作为本发明的优化方案，负载单元包括单片机和负载，单片机通过自身的adc对放大单元输出的电压值进行采样。
12.本发明具有积极的效果：本发明仅通过一个互感器实现电流互感器的取电和保护电流采样，即由采样单元、放大单元和负载单元实现对互感器保护电流的采样；由升压单元、取电控制单元、稳压单元实现电流互感器取电为负载单元供电，整体电路结构简单，通过设置取电控制单元，使得输出电流稳定。
附图说明
13.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
14.图1是本发明的整体原理框图；
15.图2是本发明的电路示意图；
16.图3是各单元的输入波形图；
17.图4是单片机的电路原理图。
18.其中：1、电流互感器，2、整流单元，3、采样单元，4、放大单元，5、升压单元，6、取电控制单元，7、稳压单元，8、负载单元。
具体实施方式
19.如图1所示，本发明公开了一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，包括电流互感器1、整流单元2、采样单元3、放大单元4、升压单元5、取电控制单元6、稳压单元7和负载单元8，电流互感器1用于将一次侧电流转换为二次侧微小电流，所述的整流单元2将电流互感器1输出的交流电转换为直流电，采样单元3将整流单元2输出的电流转换
为电压，放大单元4将采样单元3输出的电压转进行放大，输出至负载单元8，升压单元5将整流单元2输出的电流给第一极性电容c1充电，稳压单元7将升压单元5输出的充电电压转换为稳定的电压给负载单元8供电，取电控制单元6用于限制电压超过第一极性电容c1的耐压值。
20.电流互感器1为具备取电功能的保护型电流互感器，其功能为将一次侧电流转换为二次侧微小电流(互感器一次侧是直接接在高压部分的，二次侧是感应出的电压电流用于测量/保护/测控等)，并与一次侧完全隔离。电流互感器1选用akh-0.66p，电流互感器1转换后的二次侧微小电流称为保护电流，采样单元3和放大单元4对电流互感器1的保护电流进行采样。
21.整流单元2为任意整流桥，图2中d2～d5组成整流桥，整流桥输出负极不接地。
22.如图2所示，采样单元3包括第七电阻r7、第九电阻r9和第四电容c4，第九电阻r9一端连接整流单元2的输出负端，第九电阻r9另一端接地，第七电阻r7的一端连接整流单元2的输出负端，第四电容c4的一端连接第七电阻r7的另一端，第四电容c4的另一端接地。采样单元3根据电流量程选择相应采样电阻，其中第九电阻r9为采样电阻，负责将电流转换为电压，第七电阻r7与第四电容c4组成低通滤波器，过滤掉高频信号，防止干扰。
23.放大单元4包括第六电阻r6、第三电容c3、第五电容c5、第八电阻r8、第十电阻r10和运算放大器u2，所述的第八电阻r8连接在第七电阻r7的另一端和运算放大器u2的负极输入端之间，第十电阻r10连接在运算放大器u2的正极输入端与地之间，第五电容c5一端接电源，第五电容c5的另一端接运算放大器u2的负电源端，第三电容c3和第六电阻r6并联连接在运算放大器u2的负极输入端与运算放大器u2的输出端之间。放大单元4采用单电源供电，所选运算放大器u2需具备至少0.1v负电压输入能力，放大单元4负责将采样单元3输出的波形进行反向和放大，转换为可以用负载单元中的单片机采样的电压信号。
24.升压单元5包括第一二极管d1和第一极性电容c1，第一二极管d1的正极与整流单元2的输出正端连接，第一二极管d1的负极与第一极性电容c1的正极相连，第一极性电容c1的负极接地。电流通过第一二极管d1给第一极性电容c1充电，第一极性电容c1耐压需大于或等于25v，第一极性电容c1都耐压值，取电控制单元6将电压限制在12～17v之间，第一极性电容c1的耐压值必须要超过17v，而超过17v常用的电压耐压等级就是25v。
25.取电控制单元6包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第二电容c2、第一稳压管zd1、第二稳压管zd2、电压监测芯片u1和nmos管q1，第二电阻r2的一端接第一极性电容c1的正极，第二电容c2连接在第二电阻r2的另一端与电压监测芯片u1的第2引脚之间，第二稳压管zd2并联连接在第二电容c2的两端，第三电阻r3连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第1引脚之间，第四电阻r4连接在电压监测芯片u1的第1引脚与第3引脚之间，第一电阻r1和第一稳压管zd1并联连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第3引脚之间，第五电阻r5的一端接第一二极管d1的正极，nmos管q1的源极接第五电阻r5的另一端，nmos管q1的栅极接电压监测芯片u1的第1引脚，nmos管q1的漏极接地。
26.取电控制单元6的作用是防止第一极性电容c1的电压超过17v，限制第一极性电容c1的电压在12v～17v之间变化，第一极性电容c1的耐压值大于或等于25v，电压监测芯片u1为ht7044a-1芯片，电压监测芯片u1的输入电压也是有限制的，不能超过18v，如果不用取电控制单元6做限制，第一极性电容c1电压会一直升上去，直到第一极性电容c1和电压监测芯
片u1烧坏。
27.当电压监测芯片u1的第2、3引脚两端电压大于4.4v时，电压监测芯片u1的第1引脚输出高阻态，当电压监测芯片u1的第2、3引脚两端电压小于4.4v时，当电压监测芯片u1的第1引脚输出高阻态输出为0v；图2中第一稳压管zd1为5v稳压管；通过电压监测芯片u1的输出第1引脚和分压电阻第三电阻r3、第四电阻r4决定nmos管q1的通断；第二稳压管zd2为12v稳压管；图2中第五电阻r5和nmos管q1组成泄放电路，
28.取电控制单元6工作原理为：第一极性电容c1通过第一二极管d1充电，当第一极性电容c1电压超过17v时(zd1+zd2的稳压电压)，当电压监测芯片u1的第2、3引脚两端电压为5v，超过了4.4v，则电压监测芯片u1的第1引脚输出高阻态，由于有第三电阻r3、第四电阻r4存在，将电压分压到可使nmos管q1导通的电平，nmos管q1导通，电流通过泄放电路第五电阻r5和nmos管q1泄放掉，第一极性电容c1快速放电，第一极性电容c1两端的电压下降，当第一极性电容c1两端电压下降到16.4v或以下时，第二稳压管zd2两端电压为12v，此时电压监测芯片u1的第2、3引脚两端电压小于等于4.4v，电压监测芯片u1的1脚输出0v，nmos管q1关断，不再泄放电流。第一极性电容c1又开始充电，然后再放电，一直循环这一过程；升压单元5与取电控制单元6组成取电模块。
29.稳压单元7包括第七电容c7、第八电容c8、第十一电阻r11、第六电容c6、第一电感l1、第十三电阻r13、第十五电阻r15、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和稳压芯片u3，第七电容c7和第八电容c8并联连接在第一极性电容c1的正极与地之间，第十一电阻r11连接在稳压芯片u3的第4引脚和第5引脚之间，第六电容c6连接在稳压芯片u3的第1引脚和第6引脚之间，第一电感l1的一端连接稳压芯片u3的第6引脚，第十三电阻r13和第十五电阻r15串联连接在第一电感l1的另一端与地之间，第九电容c9连接在第一电感l1的另一端与稳压芯片u3的第3引脚之间，第十电容c10和第十一电容c11并联连接在第一电感l1的另一端与地之间。稳压单元7将不稳定的电压(取电模块输出的电压)转换到稳定的5v电压给负载单元8供电。稳压芯片u3为sy8120b1abc，稳压芯片输入也是有限制的，不能超过18v；如果不用所述取电控制单元6做限制，稳压芯片会烧坏。
30.如图3所示为各单元的输入波形图。
31.如图4所示，负载单元8包括单片机和负载。负载需要用电，单片机通过自身的adc对放大单元4输出的电压值进行采样。即信号经过采样单元3、放大单元4后，进入单片机，单片机为gd32f425rgt6，单片机通过adc将信号转换为离散的采样值，通过dft(快速傅里叶变换)计算出信号的有效值，采样电阻已知，可得出电流值。
32.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：包括电流互感器(1)、整流单元(2)、采样单元(3)、放大单元(4)、升压单元(5)、取电控制单元(6)、稳压单元(7)和负载单元(8)，所述的电流互感器(1)用于将一次侧电流转换为二次侧微小电流，所述的整流单元(2)将电流互感器(1)输出的交流电转换为直流电，所述的采样单元(3)将整流单元(2)输出的电流转换为电压，所述的放大单元(4)将采样单元(3)输出的电压转进行放大，输出至负载单元(8)，所述的升压单元(5)将整流单元(2)输出的电流给第一极性电容c1充电，所述的稳压单元(7)将升压单元(5)输出的充电电压转换为稳定的电压给负载单元(8)供电，所述取电控制单元(6)用于限制电压超过第一极性电容c1的耐压值。2.根据权利要求1所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：采样单元(3)包括第七电阻r7、第九电阻r9和第四电容c4，所述的第九电阻r9一端连接整流单元(2)的输出负端，第九电阻r9另一端接地，第七电阻r7的一端连接整流单元(2)的输出负端，第四电容c4的一端连接第七电阻r7的另一端，第四电容c4的另一端接地。3.根据权利要求2所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：放大单元(4)包括第六电阻r6、第三电容c3、第五电容c5、第八电阻r8、第十电阻r10和运算放大器u2，所述的第八电阻r8连接在第七电阻r7的另一端和运算放大器u2的负极输入端之间，所述的第十电阻r10连接在运算放大器u2的正极输入端与地之间，第五电容c5一端接电源，第五电容c5的另一端接运算放大器u2的负电源端，第三电容c3和第六电阻r6并联连接在运算放大器u2的负极输入端与运算放大器u2的输出端之间。4.根据权利要求3所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：升压单元(5)包括第一二极管d1和第一极性电容c1，第一二极管d1的正极与整流单元(2)的输出正端连接，第一二极管d1的负极与第一极性电容c1的正极相连，第一极性电容c1的负极接地。5.根据权利要求4所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：取电控制单元(6)包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第二电容c2、第一稳压管zd1、第二稳压管zd2、电压监测芯片u1和nmos管q1，第二电阻r2的一端接第一极性电容c1的正极，第二电容c2连接在第二电阻r2的另一端与电压监测芯片u1的第2引脚之间，第二稳压管zd2并联连接在第二电容c2的两端，第三电阻r3连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第1引脚之间，第四电阻r4连接在电压监测芯片u1的第1引脚与第3引脚之间，第一电阻r1和第一稳压管zd1并联连接在电压监测芯片u1的第2引脚与第3引脚之间，第五电阻r5的一端接第一二极管d1的正极，nmos管q1的源极接第五电阻r5的另一端，nmos管q1的栅极接电压监测芯片u1的第1引脚，nmos管q1的漏极接地。6.根据权利要求5所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：稳压单元(7)包括第七电容c7、第八电容c8、第十一电阻r11、第六电容c6、第一电感l1、第十三电阻r13、第十五电阻r15、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和稳压芯片u3，第七电容c7和第八电容c8并联连接在第一极性电容c1的正极与地之间，第十一电阻r11连接在稳压芯片u3的第4引脚和第5引脚之间，第六电容c6连接在稳压芯片u3的第1引脚和第6引脚之间，第一电感l1的一端连接稳压芯片u3的第6引脚，第十三电阻r13和第十五电阻r15串联连接在第一电感l1的另一端与地之间，第九电容c9连接在第一电感l1的另一
端与稳压芯片u3的第3引脚之间，第十电容c10和第十一电容c11并联连接在第一电感l1的另一端与地之间。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，其特征在于：负载单元(8)包括单片机和负载，单片机通过自身的adc对放大单元(4)输出的电压值进行采样。

技术总结
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种单互感器实现电流互感器取电和保护电流采样的电路，包括电流互感器、整流单元、采样单元、放大单元、升压单元、取电控制单元、稳压单元和负载单元，电流互感器用于将一次侧电流转换为二次侧微小电流，整流单元将电流互感器输出的交流电转换为直流电，采样单元将整流单元输出的电流转换为电压，放大单元将采样单元输出的电压转进行放大，输出至负载单元，升压单元将整流单元输出的电流给第一极性电容C1充电，稳压单元将升压单元输出的充电电压转换为稳定的电压给负载单元供电。本发明仅通过一个互感器实现电流互感器的取电和保护电流采样功能。功能。功能。


技术研发人员：吴亚迪 华龙元 曾俊 邰伦杰 张丹丹 宁赛赛 宋骥 周志娴 刘茹娜 梁锦熙 赵祖光 邹明 袁钢 单光瑞 贺海浪 张亚斌 徐婷 胡振涛 徐峥 赵段杰 王宇帆 张钰金
受保护的技术使用者：江苏三口井信息科技有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/19