淺談電壓測量的幾種方法

　　【儀表網 儀表科普】在工業控制中，電流是閉環反饋電流環中的重要參數，大家對電流測量都比較熟悉，也比較重視。在實際中由于電壓的測量不會直接參與到反饋控制中，多數只用來監測電壓的狀態，所以大家談論的較少。
 

　　雖然電壓測量不是控制領域的主角，但不是不可或缺。接下來談談在工業控制電路中電壓測量的幾種方法：
 

　　常見的電壓測量是采用電阻測量，即在被測電壓點的兩端并聯大電阻，通過檢測標準電阻兩端的電壓來計算被測電壓的大小，如圖1所示，通過檢測標準電阻R3兩端的電壓V2，可以計算出被測的高壓電壓V1。
 

圖1 電阻測量法
 

　　這種串并聯電阻的電壓測量方法，電路結構簡單，價格便宜，在低壓測量如小功率UPS,變頻器等設備中普遍使用。在使用中，需要注意并聯電阻的阻值要遠遠高于被測電路阻抗，電阻過小會對被測電路分流過多，消耗功率。通常會是兆歐級，高阻值的電阻精度都不高，需要采用多個電阻串、并聯的方式，一是可以降低單個電阻的阻值，二是可以增加精度。但串聯的電阻越多，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，這種結構簡單的測量方法，無法實現電氣上的隔離，除非后級增加隔離器件，但隔離器件的增加又增加了成本，有時還需要考慮涂三防漆等以降低安規方面的風險。
 

　　第二種是采用電壓傳感器測量。目前市面上用的比較多的直測型電壓傳感器有霍爾原理型。這一類傳感器大多體積大，價格偏高，也很難批量使用在對成本要求比較高的工業控制中，一般都用于機車牽引系統、風電變流系統等這類電壓等級高，柜體空間比較大的場合。
 

　　也有一些體積小的霍爾原理的電壓傳感器，利用霍爾閉環電流測量的原理，將電壓的測量轉換為電流，從而實現電壓的隔離測量。這類傳感器雖然體積小，可以焊接在PCB板上，也實現了電氣的隔離。但為了照顧到交、直流的測量，都采用雙電源供電，功耗比較大。由于要減小體積，傳感器設計時都會把電壓轉換為電流的原邊電阻外置。
 

　　談到了外置的測量電阻，也是有一定的學問。除了簡單的按照被測電壓的等級與傳感器所要求的額點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，會導致電阻發熱嚴重，不僅影響測量精度，也會有電阻過熱燒壞的風險。另外如何在PCB板上布局這些電阻與電壓傳感器的位置，也會對測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，為了避免電阻發熱嚴重，很好地實現散熱和增大安規距離，建議采用多個電阻串聯。通常建議采用圖3的對稱布局，以有效的避免或改善共模特性，對稱布局即把外接電阻對稱分散布置在電壓傳感器的正負輸入端，而不是采用圖2這種只串聯在其中一個輸入端的方式。
 

圖2                                圖3
 

　　雖然按照圖3的方式可以解決不少實際問題，但是，串接電阻與傳感器內部電壓轉換電流的原邊線圈，在物理意義上構成了RL電路，RL電路的存在也會降低傳感器的帶寬，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，加上配接的原邊測量電阻，從器件的占板面積上與內置測量電阻的模塊型電壓傳感器相當，不僅沒有減少，還會有測量電阻發熱問題，在一些環境比較惡劣的場合整個電路板還需要涂三防漆來防止電腐蝕來降低安全風險。
 

　　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、直流電壓的測量。從電氣隔離的角度，避免了電阻法后級輸出需要加隔離器件的復雜設計，從電路設計角度，避免了小體積霍爾電壓傳感器的PCB布板和電阻發熱問題。傳感器體積只有43x37x23.5mm。
 

　　這種電壓傳感器采用單5V供電，不需要配接原邊測量電阻，被測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省空間，又可以實現電氣上的電壓隔離測量，交流絕緣測試電壓高達4.2kV rms/1min。另外DVC 1000-P另外一個比較突出的優勢是帶寬，在-3db的情況下可以達到47kHz，可以滿足對頻響特性要求高的場合。
 

圖4
 

　　這種新的電壓傳感器在設計上也充分考慮了環保問題，符合日益嚴格的環保要求，不僅僅是選用材料和生產過程中符合RoHS和Reach指令要求，同時所有的材料可以實現100%的可回收和再利用。
 

　　當然，以上的幾種電壓測量方式各有利弊，在使用中還需要結合實際情況來選擇適合的測量方式。尤其是現在的工業控制的設計，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的材料、設計、制造成本以及成套設備的整體特性等因素，高性價比的方式才是受歡迎的。