Меню

Как проверить датчик тока lem

Использование датчика тока ACS712. Часть 1 — Теория

Allegro ACS712

Измерение и контроль протекающего тока являются принципиальным требованием для широкого круга приложений, включая схемы защиты от перегрузки по току, зарядные устройства, импульсные источники питания, программируемые источники тока и пр. Один из простейших методов измерения тока –использование резистора с малым сопротивлением, – шунта между нагрузкой и общим проводом, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току. Несмотря на то, что данный метод очень прост в реализации, точность измерений оставляет желать лучшего, т.к. сопротивление шунта зависит от температуры, которая не является постоянной. Кроме того, такой метод не позволяет организовать гальваническую развязку между нагрузкой и измерителем тока, что очень важно в приложениях, где нагрузка питается высоким напряжением.

Датчик тока Allegro ACS712

Основные недостатки измерения тока с помощью резистивного шунта:

  • нагрузка не имеет прямой связи с «землей»;
  • нелинейность измерений, обусловленная температурным дрейфом сопротивления резистора;
  • отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и схемой измерения.

В статье мы рассмотрим экономичный и прецизионный интегральный датчик тока Allegro ACS712, принцип его работы, основанный на эффекте Холла, характеристики и способ подключения к микроконтроллеру для измерения постоянного тока. Статья разделена на две части: первая посвящена устройству и характеристикам датчика, вторая – интерфейсу с микроконтроллером и работе с датчиком.

Датчик тока ACS712 основан на принципе, открытом в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin Hall), и названным его именем. Эффект Холла состоит в следующем: если проводник с током помещен в магнитное поле, то на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно, как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля. Эффект иллюстрируется Рисунком 2. Через тонкую пластину полупроводникового материала, называемую элементом Холла, протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца, искривляющая траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объемных зарядов в элементе Холла. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает ЭДС, называемая ЭДС Холла. Эта ЭДС пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока I и имеет типовое значение порядка нескольких микровольт.

Микросхема ACS712 выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (Рисунок 3). Она состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока (Рисунок 4). Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.

Микросхема ACS712 в корпусе SOIC

Внутренняя конструкция датчика тока ACS712

На Рисунке 5 показано расположение выводов ACS712 и типовая схема его включения. Выводы 1, 2 и 3,4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет очень малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы прибор выдерживал силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 – 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ с.к.з.

В низкочастотных приложениях часто требуется включить на выходе устройства простой RC фильтр, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. ACS712 содержит внутренний резистор RF, соединяющий выход встроенного усилителя сигнала со входом выходной буферной схемы (см. Рисунок 6). Один из выводов резистора доступен на выводе 6 микросхемы, к которому подключается внешний конденсатор CF. Следует отметить, что использование конденсатора фильтра приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и, следовательно, ограничивает полосу пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости CF полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровеня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор CF емкостью 1 нФ.

Чувствительность и выходное напряжение ACS712

Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4). Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:

  • ±5 А (ACS712-05B),
  • ±20 А (ACS712-20B),
  • ±30 А (ACS712-30A)

Соответствующие уровни чувствительности составляют 185 мВ/А, 100 мА/В и 66 мВ/A. При нулевом токе, протекающем через датчик, выходное напряжение равно половине напряжения питания (Vcc/2). Необходимо заметить, что выходное напряжение при нулевом токе и чувствительность ACS712 пропорциональны напряжению питания. Это особенно полезно при использовании датчика совместно с АЦП.

Точность любого АЦП зависит от стабильности источника опорного напряжения. В большинстве схем на микроконтроллерах в качестве опорного используется напряжение питания. Поэтому при нестабильном напряжении питания измерения не могут быть точными. Однако если опорным напряжением АЦП сделать напряжение питания датчика ACS712, его выходное напряжение будет компенсировать любые ошибки аналого-цифрового преобразования, обусловленные флуктуациями опорного напряжения.

Рассмотрим эту ситуацию на конкретном примере. Допустим, что для опорного напряжения АЦП и питания датчика ACS712 используется общий источник Vcc = 5.0 В. При нулевом токе через датчик его выходное напряжение составит Vcc/2 = 2.5 В. Если АЦП 10-разрядный (0…1023), то преобразованному выходному напряжению датчика будет соответствовать число 512. Теперь предположим, что вследствие дрейфа напряжение источника питания установилось на уровне 4.5 В. Соответственно, на выходе датчика будет 4.5 В/2 = 2.25 В, но результатом преобразования, все равно, будет число 512, так как опорное напряжение АЦП тоже снизилось до 4.5 В. Точно также, и чувствительность датчика снизится в 4.5/5 = 0.9 раз, составив 166.5 мВ/А вместо 185 мВ/А. Как видите, любые колебания опорного напряжения не будут источником ошибок при аналого-цифровом преобразовании выходного напряжения датчика ACS712.

На Рисунке 7 представлены номинальные передаточные характеристики датчика ACS712-05B при напряжении питания 5.0 В. Дрейф выходного напряжения в рабочем диапазоне температур минимален благодаря инновационной технологии стабилизации.

Часть 2 — Подключение датчика к микроконтроллеру и работа с ним

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник

Образцы датчиков тока для преобразователей

Конструктивно датчики представляют собой защищенные корпуса произвольной формы с окнами, сквозь которые продевается проводник с измеряемым током. Мы поговорим о конструкциях и технических параметрах типовых датчиков чуть позже, а сейчас обратим внимание читателя на так называемые гибкие датчики тока, появившиеся совсем недавно. Производителем таких датчиков является швейцарская фирма «LEM» [43]. На рис. 2.5.7 показано конструктивное исполнение гибкого датчика.

Рис. 2.5.7. Гибкий датчик тока

Гибкий датчик представляет собой катушку, равномерно намотанную вокруг гибкого цилиндра. Кроме этого, в диаметральном сечении цилиндра проложен центральный проводник. Датчик выполнен разъемным, и вот почему: зачастую шинопроводы мощных преобразователей представляют собой достаточно сложную в конфигурационном отношении конструкцию, и традиционные датчики расположить в таком случае очень и очень трудно. Поэтому гибкий датчик может быть разомкнут и намотан на шинопровод подобно тому, как наматывается обычный провод. Остается только закрепить его с помощью, например, гибких нейлоновых хомутиков, замкнуть и подключить к измерительной электронной схеме. В настоящее время гибкие датчики, впрочем, являются пока экзотикой, поэтому мы далее не будем останавливаться на их технических характеристиках, а перейдем к рассмотрению конкретных исполнений традиционных датчиков, выпускаемых фирмой «LEM» и получивших широчайшее распространение в приборах преобразовательной техники.

Читайте также:  Щуп для определения тока

Датчик типа LA55-P/SP1 представляет собой стандартный вариант компенсационного датчика и широко используется в составе преобразовательной техники (рис. 2.5.8). Конструктивно он представляет собой пластиковый прямоугольный корпус с размерами 37 x 27 x 15 мм. Через прямоугольное окно продевается шинопровод, в котором протекает измеряемый ток.

Данный датчик имеет исполнение с гибкими выводами, с помощью которых он впаивается в печатную плату. Номинальный диапазон измеряемых токов датчика составляет ±100 А, при этом точность преобразования — не хуже 0,65 % при питании двуполярным источником с напряжением ±15 В. Номинальный выходной ток датчика —мА, частотный диапазон измерения — до 200 кГц.

Особое внимание следует обратить на фазировку измеряемого и измерительного токов датчика. С целью однозначного задания направлений токовых сигналов на корпусе датчика нанесена стрелка. При протекании измеряемого тока в направлении стрелки выходной ток датчика будет положительным.

Подключение датчика выполняется по рис. 2.5.9. Обратите внимание: датчик сам по себе не имеет вывода для подключения «средней» точки двуполярного напряжения питания. Эта «средняя» точка связана только с правым (по схеме)выводом нагрузочного резистора Rm.

Небольшие конструктивные отличия имеет компенсационный датчик типа LA205-S, предназначенный для измерения токов в диапазоне

±300 А (рис. 2.5.10). Габаритные размеры этого датчика — 66x x 57 x 57 мм. Номинальный выходной ток — 100 мА, точность преобразования — не хуже 0,8 %, работа обеспечивается в диапазоне частотдо 100 кГц.

Датчик типа LF2005-S (рис. 2.5.11) позволяет измерятьдостаточно большие токи — до ±3000 А. Соответственно, подросли и габариты датчика по сравнению с двумя предыдущими. В данном случае они составляют 170 x 135 x 61 мм. Номинальный выходной ток датчика — 400 мА, точность преобразования — не хуже 0,3 %, частотный диапазон номинальной работы — до 150 кГц.

Наконец, еще один датчик этой конструкции — LT4000-S — предназначен для измерения токов вдиапазоне ±6000 А (рис. 2.5.12). Как видно из рисунка, этот датчик представляет собой массивную конструкцию, оснащенную ребреными поверхностями для лучшей теплоотдачи, а также имеющую мощные крепежные лапы. Такая конструкция датчика отнюдь не случайна: номинальный выходной сигнал датчика составляет 800 мА, что, конечно, приводит к значительным тепловым потерям на элементах внутренней электронной схемы. Кроме того, силовая техника, в которой протекают столь значительные токи, имеет массивные токоведущие части, что заставляет устанавливать механически защищенное оборудование. Других особенностей этот датчик не имеет.

Другое конструктивное исполнение датчиков тока показано на примере датчика LT200-T/SP96 (рис. 2.5.13), работающего в диапазоне токов ±200 А. Если по электрическим параметрам он соответствует датчикам компенсационного типа, и не требует дополнительных пояснений с этой стороны, то на его внешний вид (конструкцию) следует обратить внимание. Датчик предназначается для объемного монта

жа, поэтому он имеет ламельные контакты питания (под пайку) и контакты подключения нагрузочного резистора. Но — что самое интересное — измерительный шинопровод встроен в корпус датчика и оснащен отверстиями, к которым подключается токоведущая шина (плоская или обычная проводная).

Любая электронная техника, предназначенная для серийного производства, должна отвечать требованиям технологичности, то есть, в числе прочего, содержать в себе как можно меньшее количество элементов, а состав имеющихся элементов должен стремиться к максимальной однотипности, то есть к сокращению их номенклатуры. Кроме этого, применяемые элементы должны быть сконструированы так, чтобы их было удобно устанавливать при серийном производстве — это служит залогом сокращения трудоемкости, а значит, и себестоимости продукции. Датчик в этой цепочке — не исключение, хотя унифицировать его для всех классов задач весьма и весьма сложно. И все же фирмы-разработчики предпринимают определенные шаги в направлении унификации. Примером удачной унифицированной разработки может служить датчик LTS25-NP (рис. 2.5.14), который, ктому же, специально адаптирован для применения в преобразовательной технике, оснащенной микроконтроллерами.

В корпус датчика встроены три независимых шинопровода, которые впаиваются в печатную плату и могут быть соединены токоведущими дорожками таким образом, чтобы обеспечить необходимый измерительный диа

пазон. Традиционное окно, через которое пропускают токоведущий проводник, здесь выполняет роль дополнительного. С помощью этого окна, при необходимости, сузить диапазон измеряемых токов.

Электрическая структурная схема датчика LTS25-NP приведена на рис. 2.5.15, а на рис. 2.5.16 — выходная характеристика. Нетрудно заметить, что выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, величина которого составляет 2,5 В при отсутствии измеряемого тока. Почему этот вариант удобен для обработки сигнала встроенным АЦП микроконтроллера? Ответ предельно прост: большинство микроконтроллеров имеет в своем составе именно однополярные АЦП с опорным напряжением порядка 5 В. Поэтому для измерения двуполярных токов выходной сигнал необходимо сдвигать ровно на половину измерительного диапазона. В данном случае этот сдвиг обеспечивается автоматически.

Рис. 2.5.15. Структурная схема датчика LTS25-NP

А теперь настало время рассказать о самой интересной особенности датчика, то есть о принципах коммутации его измерительных шинопро-

водов. На рис. 2.5.17 показаны варианты разводки печатных токоведущих проводников для разных режимов использования датчиков. Вариант «а» — для измерения токов в диапазоне ±24 А, вариант «б» — для токов ±12 А, вариант «в» — для токов ±8 А. В варианте «г» используется дополнительный проводник, три витка которого пропущены через вспомогательное окно датчика, таким образом, в варианте «т» диапазон измеряемых токов сужается до ±4 А. И последний вариант, представленный на рис. 2.5.17, — вариант «д» — предназначен для измерения дифференциального тока, то есть разницы между втекающим по шинопроводу и вытекающим по дополнительному проводнику тока.

Рис. 2.5.17. Варианты использования датчика LTS25-NP

На рис. 2.5.18 показан пример использования датчиков LTS25-NP в составе статического преобразователя для частотного управления электродвигателем. В этом примере один и тот же датчик тока используется в трех различных режимах включения: для защиты от токов короткого замыкания на входе преобразователя, для измерения фазных токов электродвигателя и для измерения дифференциальных токов в шинопроводе постоянного тока.

Как вариант датчика тока с расщепленной первичной шиной можно привести типономинал LAH50-P (рис. 2.5.19) с диапазоном измеряемого тока от 0 до 50 А. Это — обычный датчик тока компенсационного типа с двуполярным питанием и нулевым выходным током при отсутствии измеряемого тока. Более того, датчик не имеет дополнительного окна, через которое можно пропустить вспомогательные витки токоведущих проводов. Однако его шинопровод расщеплен на три части, что все-таки позволяет снижать коэффициент преобразования в 2 и 3 раза.

Упомянем мы и датчики напряжения, выпускаемые фирмой «LEM», в основе которых лежит использование все того же эффекта Холла. На самом деле преобразовать датчик тока в датчик напряжения очень просто: достаточно первичную измерительную цепь датчика тока соединить последовательно с активным сопротивлением известной величины. Понятно, что ток в этой цепи будет определяться приложенным к ней напряжением, поэтому вычислить коэффициент для прямого пересчета тока в напряжение никакого труда не составит. Единственная неприятность, с которой мы столкнемся, если захотим использовать датчик тока в качестве основы датчика напряжения, — это необходимость иметь значительный ток в первичной (измерительной) цепи, чтобы на выходе датчика получить номинальный сигнал. Поэтому первичная (измерительная) обмотка датчиков напряжения выполняется с большим количеством витков — таким вот образом снижается номинальный входной ток.

Читайте также:  Перепады тока в сети

Рис. 2.5.20. Внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20

Рис. 2.5.19. Внешний вид датчика типа LAH50-P

На рис. 2.5.20 показан внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20. Как следует из рисунка, датчик напряжения внешне очень похож на датчик тока, разве что он не имеет окна для протяжки шинопровода.

К слову, как мы убедились ранее, некоторые исполнения датчиков тока вообще невозможно по внешнему виду отличить от датчиков напряжения, поскольку в них встроены токоведущие шины. Номинальный входной сигнал упомянутого датчика напряжения составляет всего 10 мА. При этом выходной токдатчикадостигает 25 мА. Питание датчика осуществляется двуполярным напряжением ±15 В, ошибка преобразования составляет 0,8 %.

На рис. 2.5.21 приведена типовая схема подключения датчика LV25-P/SP20. Резистор R1 выбирается с учетом номинального тока измерительной обмотки и величины измеряемого напряжения. Допустимая величина измеряемого напряжения у данного датчика составляет 500 В. Это ограничение связано с его конструктивным исполнением (датчик монтируется на печатную плату).

Близкими характеристиками обладает датчик типа LV100/SP83 (рис. 2.5.22), но допускаемое значение измерительного напряжения для него гораздо больше: оно составляет 2500 В.

Рис. 2.5.21. Подключение датчика LV25-P/SP20

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник

Модули LEM

Что такое модуль LEM?

Модули LEM являются электронными преобразователями постоянного, переменного и импульсивного токов и напряжений в пропорциональный выходной сигнал, повторяющий форму выходного сигнала с обеспечением гальванической развязки между входной и выходной цепями.

Назначение модулей

Модули являются основными элементами в системах обратной связи для контроля токов и напряжений в силовых цепях энергетических установок.

Область применения модулей

Области применения этих модулей: системы электропривода двигательных установок, электрический транспорт, стабилизированные источники питания, роботы, сварочное оборудование, инверторы, схемы управления, прерыватели, контрольно-измерительные комплексы, подстанционное оборудование и т.д.

Принципы действия модулей

Действие модулей основывается на следующих принципах:

Компенсация первичного магнитного поля за счет энергии источника питания с использованием элемента Холла.
Получение выходного напряжения пропорционально входному току методом прямого усиления напряжения Холла.

Описание эффекта Холла

Ещё в 1879 году американский физик Эдвин Холл, работавший в балтиморском университете, открыл интересное явление, суть которого состояла в следующем. Если в магнитное поле поместить прямоугольную полупроводниковую пластину и к узким ее граням подвести электрический ток, то на широких гранях пластины возникнет напряжение, величина которого может быть от десятков микровольт до сотен милливольт и пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.

Эффект Холла

Рис.1 Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока через клеммы»а» полупроводниковой пластины, помещенной в поле магнита, на боковых клеммах «б» появляется напряжение.

Это явление может быть объяснено следующим образом: при движении носителей тока (в данном полупроводнике — электронов) под воздейсвием магнитного поля происходит искривление их траекторий в направлении верхней грани. Плотность электронов у верхней грани увеличивается, и на ней возникает отрицательный заряд, а на противоположной — положительный. ЭДС Холла выражается аналитически как произведение трех величин: Ex=AIH , где: I — ток, пропускаемый через проводник, H — напряженность магнитного поля, A — постоянная Холла или коэффициент передачи, зависящий от концентрации носителей тока, температуры и геометрических размеров образца.

Эффект Холла

Было очевидно, что использование этого явления дает возможность изготовить много приборов, обладающих ценными, а иногда и уникальными свойствами. Однако техническое применение этого эффекта задержалось почти на 75 лет, до той поры, когда началось промышленное производство полупроводниковых материалов. Еще позже, при развитии микроэлектроники, удалось сделать миниатюрный датчик, содержащий все необходимое — постоянный магнит и микросхему с чувствительным элементом. Такое устройство получило название генератора Холла.

Вот далеко не полный перечень возможных применений датчиков ЭДС Холла: измерение напряженности постоянного и переменного магнитных полей; измерение магнитного потока, величины тока и мощности в цепях постоянного и переменного токов; преобразование постоянного тока в переменный; линейное и квадратичное детектирование, анализ спектра частот и т.д. Устройства основанные на использовании эффекта Холла, дают либо явные преимущества перед обычными электронными приборами, либо позволяют решать те задачи, которые решить обычными средствами затруднительно.

Датчики прямого усиления и датчики компенсационного типа фирмы LEM основаны на использовании эффекта Холла.

Датчики прямого усиления, основанные на эффекте Холла

Датчик прямого усиления на эффекте Холла

Рис.2 Принцип работы датчика прямого усиления, основанного на эффекте Холла.

Магнитная индукция В и напряжение Холла создаются измеряемым первичным током Ip, который необходимо преобразовать в выходной ток датчика. Ток управления подаётся с помощью стабилизированного источника тока. (Рис.2) Измеряемый сигнал усиливается и с выхода датчика в виде напряжения или тока (зависит от конструкции) используется для дальнейшей обработки. Датчики прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм. При этом они гальванически изолированы от источника измеряемого тока.

Датчики компенсационного типа (называемые также датчиками с нулевым потоком), имеют 100% обратную связь за счет встроенной компенсационной цепи.

Основные преимущества модулей LEM

К основным преимуществам модулей можно отнести следующие:

Возможность применения в цепях как переменного, так и постоянного или импульсивного токов (напряжений).
Аналоговый выходной сигнал.
Высокая точность преобразования: до 0.1% от входного тока.
Высокий уровень изоляции между первичной и вторичной цепями.
Нелинейность выходной характеристики: до 0.05%.
Широкий диапазон преобразования, высокая перегрузочная способность, отличные динамические характеристики.
Надежность (среднее время наработки на отказ превышает 10 в шестой степени ч.), стабильность параметров.
Простота применения, малые размеры и вес.
Гарантия изготовителя: 5 лет.

Специальные датчики

Существуют специальные модули: транспортные варианты исполнения стандартных модулей (для применения в тяговых установках транспортных средств: ж.д. состав, метро, трамвай и т.д.).

Источник

Как проверить датчик тока

Современные системы используют электрическую энергию в качестве основного источника. Подобные конструкции представляют собой сложные механизмы, состоящие из множества узлов.

Как проверить датчик тока

Датчики тока являются неотъемлемым компонентом многих систем, которые требуют точного измерения параметров электрической сети. Ознакомиться с подобными конструкциями можно на специализированных сайтах, где описаны их основные технические характеристики.

Основные понятия

Датчик тока представляет собой специальное устройство, которое может реагировать на минимальные изменения в электрической цепи. Применяются подобные конструкции практически везде от робототехники до автомобилестроения.

Основной задачей датчика тока является преобразование сигнала, который подается с измерительного трансформатора в специальный сигнал напряжения. Все эти характеристики согласовываются с основными техническими параметрами электрической цепи.

Эти устройства разделяют на 2 основных типа:

  • Системы, работающие в сетях с переменным напряжением. В основу этих механизмов входят специальные трансформаторы тока. Конструкция является бесконтактной и работает в паре с несколькими преобразователями.
  • Датчик Холла. Подобная система применяется для измерения напряженности магнитного поля, возникающего при продвижении тока. Отличается универсальностью и независимостью. Их применяют очень часто, так как они надежны и долговечны.

Как проверить датчик тока

Способы проверки

Рассмотрим процесс проверки датчика тока на примере конструкции Холла, которая встречается повсеместно. Сделать это можно несколькими основными путями:

  1. Самым простым считается непосредственная замена датчика на новый или тот, который точно работает. Если выполнив такую операцию, система пришла в пригодность, это указывает на поломку данной конструкции.
  2. Использование мультиметра. Эта операция предполагает измерение напряжения на выходе устройства. Исправные модели должны выдавать результат, который варьируется в диапазоне от 0,4 до 11 В. Если же это не так, то следует заменить датчик на новый.
  3. Измерение сопротивления. Для этого применяют конструкцию из светодиода и подключенного к нему резистора с сопротивлением 1 кОм. Данный способ является одним из самых сложных и требует определенных навыков в электронике.
Читайте также:  Соответствие пускового тока аккумуляторов

Как управлять экскаватором

Проверка датчика питания — это специфический процесс, который желательно доверять только опытным специалистам.

Источник



Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

практика применения датчиков тока

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

  1. Компактность.
  2. Безопасность в применении.
  3. Высокую точность.
  4. Экологичность.

датчик напряжения в сборе

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

  • Контактные группы входа;
  • Контактные группы выхода;
  • Шунтирующий резистор;
  • Усилитель сигнала;
  • Несущая плата;
  • Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

слева – измерение малых токов; справа - измерение больших токов

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

  1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
  2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
  3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
  4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

  • Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
  • Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
  • В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
  • Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Подключение датчика постоянного тока

подключение датчика переменного тока

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

  • Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
  • Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

  • Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
  • Возможность применения трансформаторов;
  • Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
  • Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
  • Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

отключение питающего насоса датчиком тока при низком уроне воды в резервуаре

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

датчик тока фирмы Arduino. Стрелкой указан USB-разъём

  1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
  2. Резистор 1 кОм.
  3. Резистор 470 Ом.
  4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

самодельный датчик тока

Видео по теме

Источник