Меню

Датчик тока с трансформатором постоянного тока

Датчик тока

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

  1. Классификация датчиков
  2. Принцип действия
  3. Основные виды датчиков тока
  4. Датчики прямого усиления (O/L)
  5. Датчики тока (Eta)
  6. Датчики тока компенсационные (C/L)
  7. Датчики тока компенсационные (тип С)
  8. Датчики тока PRIME
  9. Датчики тока (тип IT)
  10. Преимущества датчиков тока в современных схемах

Классификация датчиков

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Датчик тока

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

  • Датчики постоянного тока
  • Датчики амплитуды переменного тока
  • Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными – непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Основные виды датчиков тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Датчики прямого усиления (O/L)

Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta)

Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L)

Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip, происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С)

Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME

Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами.

Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Читайте также:  Ошейники антилай для собак с током

Источник

Датчик тока с трансформатором постоянного тока

Речь идет про такой вот малогабаритный трансформатор тока

Если его подключать по такой схеме

С нагрузкой в 100оМ , линейность скажем очень даже приличная. Но это все в переменке.

Вопрос в том как его можно подключить с преобразованием его сигнала в постоянное напряжение.
Схема в теории типа такой

только на практике получается , линейность тут вообще «плюс минус, трамвайная остановка»
Подскажите схему, как подобный трансформатор подключить , чтобы снятие показаний уже производить в постоянном напряжении с более менее линейностью?

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Компания «Компэл» и Analog Devices приглашают всех желающих 27/04/2021 принять участие в вебинаре, посвященном решениям Analog Devices для гальванической изоляции. В программе вебинара: технологии гальванической изоляции iCoupler, цифровые изоляторы, технология isoPower, гальванически изолированные интерфейсы (RS-485, CAN, USB, I2C, LVDS) и другое. Вебинар будет интересен разработчикам промышленной автоматики и медицинской техники.

Широкий ассортимент винтовых клеммников Degson включает в себя различные вариации с шагом выводов от 2,54 до 15 мм, с числом ярусов от одного до трёх и углами подключения проводника 45°, 90°, 180°. К тому же Degson предлагает довольно большой выбор клеммных винтовых колодок кастомизированных цветов.

У меня нет опыта работы с такими трансформаторами вообще, и схем реальных по их применению, как то не могу найти.

Сейчас вот подержал такой ТТ в руках поэкспериментировал,
и примеряюсь подключить это к микроконтроллеру но результат с линейностью не очень,
собираюсь использовать не как измеритель, а как защиту для включенной нагрузки по превышению порога,
оно то годится но с линейностью там ерунда получается.
В китайских поделках я так понимаю распространен такой вид защиты через ТТ, и не всегда там микроконтроллер.
Как они это схематически решили х.з. естественно не примеров.

ПРИСТ расширяет ассортимент

Собрал еще пару приблизительных схем, буду постепенно разбираться.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 5

Источник

Как работают датчики и токовые клещи для измерения постоянного и переменного тока

Для расширения функционала мультиметров, осциллографов и других электроизмерительных инструментов, применяются токовые датчики в форме клещей — токовые клещи. Для проведения измерений клещами, их смыкают в обхват проводника с током, и таким образом, без разрыва цепи и без необходимости врезания в проводник какого бы то ни было шунта, осуществляют замер.

Как работают датчики и токовые клещи для измерения постоянного и переменного тока

Это просто и удобно. Результат измерения прибор отображает на своей шкале в виде напряжения или тока пропорциональной измеренному току величины. Достоинство метода заключается еще и в том, что прибор может и не иметь достаточно широкого входного диапазона, тогда как датчик — клещи вполне в состоянии свободно принять проводник даже с очень большим током.

Проводник с измеряемым током не только остается целым, но и всегда гальванически изолирован от цепей измерительного прибора. Сам же прибор может иметь входную цепь с очень высоким импедансом и даже быть заземлен. Здесь нет необходимости как-то регулировать или включать и выключать питание цепи, параметры которой измеряются клещами, а значит в работе питаемого оборудования не будет простоев.

Среднеквадратичное значение тока в диапазоне частотных характеристик датчика можно измерить при совместном использовании токового датчика с мультиметром, способным измерять среднеквадратичные значения. В данном случае диапазон будет ограничен возможностями (шкалой) мультиметра. Лучшие результаты достигаются с датчиками обладающими широкой частотной характеристикой, минимальным фазовым сдвигом и высокой точностью.

Токоизмерительные клещи в разобранном виде

Для измерения параметров переменного тока используются датчики, работающие по принципу обычного измерительного токового трансформатора. Любой трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, установленные на общем магнитопроводе. Первичное напряжение подается на первичную обмотку, в сердечнике создается переменный магнитный поток, наводящий во вторичной обмотке соответствующую коэффициенту трансформации ЭДС. Токи первичной и вторичной обмоток соотносятся как количества витков во вторичной и первичной обмотках.

Так и работает токовый датчик для измерения переменного тока. Магнитопровод в форме клещей замыкается вокруг проводника. Проводник — это первичная обмотка, состоящая из одного единственного витка, значение тока в котором необходимо узнать.

Ток во вторичной обмотке будет пропорционален току в проводнике и отличаться от него в число раз, равное коэффициенту трансформации, то есть во столько раз, сколько витков во вторичной обмотке. Количество витков во вторичной обмотке датчика обычно 1000, 500 или 100.

Если датчик имеет 1000 витков, то клещи имеют обозначение 1000:1 или 1мА/А — это значит что 1 мА в показаниях прибора тождественен 1А в исследуемом проводнике. Или 1А на приборе — 1000 А в проводнике.

Соотношение может быть в принципе и другим: 3000:5 или 2000:2, в зависимости от назначения прибора. Однако в большинстве случаев клещи работают в паре с обычным мультиметром и соотношение, как правило, 1000:1.

При соотношении 1000:1 или 1мА/А показания прибора будут такими. При входном токе в 700А выходные показания окажутся 700мА, при 300А — 300мА и т. д. Так происходит потому, что выход датчика присоединяется к цифровому мультиметру в режиме измерения переменного тока с выбранным диапазоном значений.

Читайте также:  Как выпрямить ток 12 вольт после трансформатора

Для определения действующей величины тока в проводнике, показания мультиметра умножаются на коэффициент датчика. Главное — чтобы измерительный прибор имел требуемое входное сопротивление.

Если измерительный прибор имеет вход только по напряжению (вольтметр или осциллограф), то он также может использоваться с токовым датчиком — клещами. Для этого токовый выход датчика необходимо согласовать с входом прибора, применив принцип измерительного трансформатора тока. Тогда показания переменного напряжения будут пропорциональны измеряемому переменному току.

Клещи для измерения постоянного и переменного тока

Существуют токовые клещи, способные измерять не только переменный, но и постоянный ток. В таких клещах принцип их работы основан на эффекте Холла, когда параметры тока выводятся из параметров порождаемого им магнитного поля, воздействующего на полупроводник и инициирующего в нем эффект Холла.

Тонкая пластинка полупроводника устанавливается перпендикулярно магнитному полю тока, который требуется измерить. На пластинку в определенном направлении (допустим вдоль нее) подается ток возбуждения, который отклоняется во внешнем магнитном поле под действием силы Лоренца в поперечном направлении, и тогда в этом направлении на краях пластинки можно измерить ЭДС (напряжение Холла).

При постоянном токе возбуждения через пластинку, ЭДС Холла, как и индукция магнитного поля измеряемого тока, будут пропорциональны измеряемому току. То есть напряжение Холла соответствует току в проводнике, который проходит внутри магнитопровода датчика. Такая схема имеет большие преимущества перед устройствами на базе трансформатора тока.

Принцип работы датчика Холла

Поскольку генерация ЭДС Холла не зависит от направления вектора магнитной индукции, а зависит только от его величины, датчик на основе эффекта Холла измеряет как переменный, так и постоянный ток. К тому же датчик абсолютно точно фиксирует фазу изменения (направления) магнитного поля, а значит пригоден для наблюдения формы тока.

Клещи с датчиком Холла бывают с одним либо с двумя встроенными датчиками. Различные модели клещей обладают широким динамическим диапазоном и частотной характеристикой, линейностью сигнала и высокой точностью.

Область применения таких клещей охватывает всё оборудование с постоянным током до 1500 А без необходимости встраивания дорогих шунтов. Переменный ток частотой в десятки килогерц также измерим при помощи клещей на базе эффекта Холла, причем форма тока может быть самой разной, среднеквадратичное значение будет найдено.

Выходной сигнал в милливольтах, пропорциональный измеренному току, может быть легко воспринят большинством мультиметров, осциллографов и самописцев.

Источник



Схемы датчиков тока на основе трансформатора тока

В статье предложены варианты пассивных и активных (на ОУ широкого применения и на специализированной микросхеме)датчиков, собранных на основе трансформатора тока.

Нередко требуется измерять или контролировать ток, потребляемый от электрической сети различными нагрузками, например электроприборами.

Для этих целей широко применяют как пассивные резистивные датчики и датчики на основе трансформаторов тока, самодельных или выпускаемых серийно, так и различные активные датчики на основе специализированных микросхем с гальванической развязкой от сети и без неё.

Основное назначение такого датчика тока — преобразовать переменный ток в переменное или постоянное напряжение, пропорциональное этому току.

Когда на выходе необходимо получить постоянное напряжение, совместно с пассивными датчиками потребуется применение выпрямителей, усилителей ИТ. д., и такие датчики, конечно, более востребованы.

Далее речь пойдёт о датчиках с использованием трансформатора тока. Основа такого датчика — трансформатор, по первичной обмотке (один или несколько витков) которого протекает ток нагрузки, а во вторичной наводится напряжение, пропорциональное этому току. Основной параметр трансформатора — коэффициент трансформации тока, который показывает, во сколько раз ток во вторичной обмотке (на низкоомной нагрузке) меньше, чем в первичной.

Датчик можно сделать пассивным, применив для получения постоянного напряжения простейший однополупериодный выпрямитель, или активным, с использованием различных микросхем.

В статье рассмотрены три варианта датчиков: на основе диодного выпрямителя, на основе выпрямителя на ОУ и на основе специализированной микросхемы ZXCT1009 [1, 2].

Передаточные характеристики этих датчиков показаны на рис. 1 при условии, что первичная обмотка трансформатора тока — один виток провода, через который протекает синусоидальный ток. При увеличении числа витков первичной обмотки крутизна передаточной характеристики пропорционально увеличится.

Передаточные характеристики датчиков

Рис. 1. Передаточные характеристики датчиков.

Принципиальная схема

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2 Конденсатор С1 подавляет импульсные сетевые помехи, выпрямитель собран на конденсаторе С2 и диоде VD1.

На выходе интегрирующей цепи R1C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 3.

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя

Рис. 2. Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя.

Датчик налаживания не требует. Выпрямительный диод должен быть диодом Шоттки, но если чувствительность не нужна и датчик рассчитан на ток более 0,5 А, можно применить обычный выпрямительный или импульсный диод, например, серий 1N400x, 1N4148, КД522. Поскольку датчик пассивный, его чувствительность и крутизна передаточной характеристики относительно невелики (см. рис. 1).

Печатная плата для схемы датчика

Рис. 3. Печатная плата для схемы датчика.

Активный датчик тока

Чтобы повысить чувствительность, можно использовать активный датчик тока, например, применив ОУ. Схема такого варианта показана на рис. 4 На двух ОУ DA1.1 и DA1.2 собран двухполупериодный выпрямитель [3].

Схема активного датчика тока на LM358AM

Рис. 4. Схема активного датчика тока на LM358AM.

Принцип работы такого выпрямителя основан на использовании ОУ с однополярным питанием. При подаче на неинвертирующий вход ОУ он будет усиливать сигнал положительной полуволны переменного напряжения и ограничивать сигнал отрицательной полуволны.

На ОУ DA 1.1 собран неинвертирующий усилитель с малым коэффициентом усиления (около 2), а на ОУ DA1.2 — усилитель с коэффициентом усиления около 10.

Читайте также:  Примеры применения постоянного электрического тока

Конденсатор С1 подавляет импульсные и высокочастотные помехи. резистор R1 обеспечивает номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока Т1. Резистор R2 и диод VD1 ограничивают минусовое напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA 1.1, исключая перегрузку входа ОУ по напряжению.

Положительную полуволну усиливает сначала ОУ DA1.1, затем — ОУ DA1.2, и усиленный в десять раз сигнал появляется на его выходе. Отрицательную полуволну инвертирует и усиливает ОУ DA1.2. поэтому на его выходе формируется полуволна плюсового напряжения. В результате обеспечиваются двухполупериодное выпрямление и одновременно усиление переменного напряжения.

Подборкой резисторов R3-R6 можно подобрать желаемый коэффициент передачи устройства К = R6/R4. при этом соотношение сопротивления резисторов R3 и R5 находят из равенства R5/R3 = (К-1)/(К+1).

Выходной сигнал ОУ DA 1.2 поступает на интегрирующую RC-цепь R7C3, и на конденсаторе C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Печатная плата

Рис. 5. Печатная плата.

Расположение деталей на печатной плате

Рис. 6. Расположение деталей на печатной плате.

Внешний вид собранного датчика

Рис. 7. Внешний вид собранного датчика.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 5, а расположение элементов — на рис. 6.

Одна сторона платы (противоположная установке деталей) оставлена металлизированной, на ней лишь раззенкованы отверстия под крайние выводы разъёма ХР1.

В отверстия в левом нижнем и правом верхнем углах необходимо вставить и с обеих сторон платы пропаять отрезки лужёного провода. Плату можно изготовить из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита.

В этом случае вышеупомянутые отверстия в углах платы соединяют отрезком провода со стороны. противоположной расположению деталей. Внешний вид варианта смонтированной платы показан на рис. 7.

В этих конструкциях применены элементы для поверхностного монтажа. Резисторы — типоразмеров 0805, 1206. оксидные конденсаторы — танталовые типоразмеров С, D. неполярные — К10-17в. Вилка ХР1 — три контакта от однорядной угловой вилки серии PLD-10R.

Трансформатор тока Т1 был снят с платы источника бесперебойного питания. Маркировка на трансформаторе — FALCO 9418. К сожалению, в Интернете никаких конкретных данных найти не удалось, но по своим параметрам (индуктивность и сопротивление обмотки) он близок к трансформаторам тока AS-103 или AS-104 фирмы Talema.

Еще одна схема датчика тока

Если габариты датчика тока не имеют значения, для его изготовления можно применить выводные детали. Схема такого устройства показана на рис. 8, номиналы некоторых элементов изменены по причине их наличия. Чертёж печатной платы этого варианта устройства показан на рис. 9, а внешний вид смонтированной платы — на рис. 10.

Схема датчика тока с измененными деталями

Рис. 8. Схема датчика тока с измененными деталями.

Печатная плата для схемы датчика тока

Рис. 9. Печатная плата для схемы датчика тока.

Внешний вид датчика тока

Рис. 10. Внешний вид датчика тока.

Датчик тока на микросхеме ZXCT1009F

Упростить схему активного датчика и увеличить крутизну передаточной характеристики датчика тока можно, применив специализированную микросхему ZXCT1009F.

О возможности применения этой микросхемы для измерения переменного тока было рассказано в [2]. Схема устройства показана на рис. 11. Назначение элементов R1 и С1 такое же, как в ранее описанных устройствах.

Диод VD1 защищает вход микросхемы DA1 от нештатной полярности входного напряжения. Эта микросхема работает как однополупериодный выпрямитель, напряжение на выходе интегрирующей цепи R3C2 будет пропорционально среднему значению тока нагрузки.

Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F

Рис. 11. Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F.

Печатная плата

Рис. 12. Печатная плата.

Размещение деталей на печатной плате

Рис. 13. Размещение деталей на печатной плате.

Детали устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой приведён на рис. 12. Расположение элементов показано на рис. 13, а внешний вид варианта смонтированной платы — на рис. 14. Применены элементы для поверх ностного монтажа.

При выборе напряжения питания активных датчиков не следует забывать о так называемом коэффициенте амплитуды Ка (или крест-факторе) потребляемого нагрузкой тока, который характеризует отношение амплитуды потребляемого тока Іа к его действующему (или эффективному) значению Іэф: Ка = Iа/Iэф.

Дело в том, что многие бытовые устройства, питающиеся от сети, имеют встроенный импульсный источник питания с выпрямителем на входе.

Сглаживающий конденсатор выпрямителя заряжается только вблизи максимума сетевого напряжения, и от сети потребляется ток только в эти моменты. Для переменного тока прямоугольной формы Ка = 1, для синусоидального — Ка = 1,41, а для импульсного источника — Кa = 2. 4.

Вид датчика

Рис. 14. Вид датчика.

Это означает, что в активных датчиках максимальное неискаженное выходное напряжение ииыима,с должно быть больше, чем напряжение Uвых на выходе датчика (см. рис. 1), по крайней мере, в Ка, раз, а напряжение питания — ещё больше.

Например, для датчика на ОУ (двухполупериодный выпрямитель) при Uвых = 2 В и Ка = 2 напряжение питания Uпит >= 4 В для ОУ структуры rail-to-rail или Uпит >= 5. 6 В для обычного ОУ.

Поскольку на микросхеме ZXCT1009F собран одполупериодный выпрямитель, при тех же условиях напряжение питания должно быть примерно в три раза больше, чем Uвых. При этом не следует забывать, что для питания самой микросхемы требуется напряжение не менее 1,5. 2 В.

Поскольку интегрирующие цепи на выходе датчиков высокоомные, к их выходам следует подключать нагрузку, сопротивление которой, по крайней мере, в десять раз больше сопротивления резистора в интегрирующей цепи.

Каждый из датчиков требует калибровки, которую можно провести с помощью амперметра действующего значения переменного тока, источника переменного напряжения, в качестве которого можно применить вторичную обмотку понижающего трансформатора, включённого в сеть, и мощного переменного резистора.

Источник