1采样电路的实现
在以单片机为核心控制器的智能MCB控制模块的设计中，信号采样电路实现的功能是通过电压、电流传感器将一次侧的大电压、大电流信号转换为二次侧的小电压、小电流信号，经信号调理电路调理后送至单片机的A/D转换器，将模拟量信号转换为单片机能够识别的数字量信号并送入单片机内［7-9］。单片机依据事先编写好的程序进行分析、处理，并做出相应的判断。因此，采样电路的采样精度高低决定着智能MCB控制单元能否完成各项功能，并直接影响到测量及保护的精度，甚至关系到MCB操作的准确性。1．1互感器的选择考虑到智能MCB体积和尺寸的限制，传统的电压、电流互感器显然不能满足设计的要求。随着电子技术的迅速发展，目前小型互感器技术已经相对比较成熟，且在很多测量系统、仪器仪表系统都有着较为广泛的应用。在MCB的工作线路中，电压变化范围并不是很大，因此电压互感器选用性价比较高的LCTV51CF－220V/0～7．07V小型互感器。电流互感器的选用是智能MCB设计中的一大难题。线路发生短路故障时，线路中的短路电流可能达到几十安甚至上千安。若想精确地测量这么宽范围的电流，只由一个普通的空心电流互感器是很难完成的，又考虑到MCB尺寸体积的限制，就更加难以实现。考虑到MCB一般工作在线路的终端，很多都是家庭使用，当额定电流为几十安的MCB通过上百安的电流，甚至更大的电流时，一定是线路中发生了较严重的短路故障。在这种情况下，就无需经过采样、单片机判断、发出动作信号等一系列流程，应该由独立的模拟脱扣电路立即切断电路。本设计中选用了测量范围相对较宽的霍尔电流传感器。1．2信号调理电路的设计信号调理电路是将来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、显示读出和其他目的的数字信号［10-11］。信号调理电路技术包括信号的放大、衰减、隔离、滤波等［12］。本设计中的滤波电路是由单个运放构成的压控电压源二阶带通滤波电路，如图2所示。为了较彻底地滤去杂波，本设计中用了两个压控电压源二阶带通滤波电路。经过滤波的信号还不能直接作为单片机的采样信号，因为单片机只能识别0～5V的电压信号，而经过滤波之后的信号为正弦信号，负半周信号不能被单片机识别。从图2可以看到，在滤波之后有一个电压抬升的电路，其作用就是将正弦的信号抬升，使其变成0～5V内的正弦直流信号。其仿真波形如图3所示。图3中曲线1正弦波形为滤波电路的输出波形，曲线2为经过电压抬升后的直流正弦波形。
2电源电路的设计
智能MCB控制模块的设计中以单片机作为核心控制器件，而单片机的正常运行需要稳定的+5V电源提供电能，除单片机外，其他的一些电子电路和集成芯片也都需要有稳定的电源提供能量，因此电源模块的设计及其运行的稳定性对本设计而言至关重要。综合考虑智能MCB体积的限制和保证电源供电的稳定性，本设计中的电源部分采用了电流互感器、电压互感器相结合的自供电方式。由于系统电压在系统运行过程中的变化范围较母线电流要小得多，所以本设计中以电压互感器供电为主，以电流互感器供电为辅助。这种供电方式的设计既最大限度地缩小了设计所占用的空间体积，又能在一定程度上保证了供电的稳定性。电流互感器与电压互感器结合供电电路如图4所示。如图4所示，在电源电路中，采用以电压互感器供电为主、电流互感器供电为辅的结构。在电源实现电路中电阻Ｒ9、Ｒ10和三极管VT1、VT3、VT5共同构成电压比较调节电路。其作用是当线路发生短路产生很大的短路电流时，仍然能够保证所提供的是稳定的5V电压，从而保证了供电的稳定性，为MCB能够准确切断电路提供了保障。适当选取Ｒ9、Ｒ10，满足母线电流正常时Ｒ10两端的电压为给定值。当母线出现大于额定电流的大电流时，Ｒ10两端的电压大于给定值(VD4两端电压等于给定值)，此时VD4、VT1、VT3、VT5导通，起到分流的作用，从而使电路输出电压维持稳定。其中VD4的稳压值为4V。VD2、可调电阻ＲV1和继电器KＲ1起到当母线电流很大时转为电流互感器供电的作用。适当选用VD2、ＲV1，使得母线在正常工作时，继电器KＲ1处于常闭状态，由电压互感器电路供电;当线路发生短路故障时，线路中的电流比较大，此时KＲ1线圈得电吸合，转换为电流互感器电路供电。这种结构的供电方式能保证当母线电流接近空载时，母线电压仍保持在额定范围内，因此在电压互感器供电时，能保证电源提供稳定的电压输出。2．1电流互感器供电电流互感器供电部分的设计是本设计中的难点，因为线路中电流的波动范围相对于线路中的电压来说要大很多，但需能保证在几十安培到几百安培的电流范围内都能稳定的输出5V电压供给单片机和其他电子器件。电流互感器供电的电路原理图如图5所示。该电路设计的关键是各个器件数值的确定。器件数值确定的基本思路是:先从MCB正常工作时即线路在正常运行状态下的情况进行仿真，调试电路中器件的数值，使输出电压接近5V，在此情况下，起分流作用的VT1、VT3、VT5应该处于截止状态，即没有分流。因为VT1、VT3、VT5应该是在线路发生短路故障、线路中的短路电流比额定电流大时才起到分流的作用，这样才能保证在正常运行和故障情况下，提供的电压值都是5V左右，将误差限定在允许的范围内。电流互感器供电部分的输出电压波形如图6所示。图6电流互感器供电电路输出波形从图6可看出，电流互感器供电电路的输出电压波形经过短暂的延时后，升至5V左右，满足本设计中对供电电源的要求。2．2电压互感器供电线路在故障状态下线路电压的波动不会很大，因此本设计采用以电压互感器供电为主的供电方式。电压互感器的供电原理图如图7所示。从图7中可以看出，电压信号经过电压互感器变换，通过全波整流电路进行整流，电容C3、C4进行滤波，经过集成三端稳压器W7805稳压后输出+5V电压。电压互感器供电部分的仿真输出波形如图8所示。在本设计中用到的集成运放需要的电源是±5V，因此在供电部分还要设计出将+5V电压信号转换为－5V电压信号的部分。这部分电路中采用芯片ICL7660。电源转换ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器。采用ICL7660搭建的电路如图9所示，电流互感器和电压互感器供电电路的输出连接到引脚8，由ICL7660的引脚5输出－5V电压，输出波形如图10所示。
3结语
本文分析了智能MCB控制模块的研究和设计难点，即如何保证采样电路的采样精度和供电电路运行的稳定性。在此基础之上，针对这两大难点分别提出了对应的解决思路并给出了相应的电路原理图及仿真图，最终得到了预期的结果。本文提出了电流互感器与电压互感器相结合的供电技术，大大提高了供电模块的供电稳定性及可靠性。同时，在采样部分采用了小型电压互感器及霍尔电流传感器，在保证采样精度的前提下，最大限度地减小器件占用的体积。本文的设计思路及相应的电路原理图对智能MCB控制模块的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。（本文来自于《低压电器》杂志。《低压电器》杂志简介详见.）
作者：刘金龙 肖迁 单位：河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室
