Меню

Lem датчики тока схема

Датчики тока компенсационного типа

Без измерения тока не обходится практически ни одно изделие силовой электроники. Для этой цели используются выполненные на базе самых разнообразных технологий специальные датчики или преобразователи тока, однако две из них являются основными и наиболее распространенными. Это датчики компенсационного типа с элементом Холла (в англоязычной терминологии — Closed Loop Hall Effect) и индукционные датчики компенсационного типа (в англоязычной терминологии — Closed Loop Flux Gate). Технология компенсационного типа (в англоязычной терминологии — Closed Loop Technology) обладает рядом преимуществ и широко применяется разработчиками силовой электроники. Однако у данной технологии есть несколько аспектов, и если их не принимать во внимание, это может привести не только к неожиданным проблемам, но даже к отказам конечного оборудования. В настоящей статье рассматриваются характерные особенности технологии компенсационного типа, которые необходимо учитывать при ее использовании.

Датчики тока в том смысле, что они не оказывают какого-либо активного влияния на измеряемый ток, можно считать пассивными устройствами, но в действительности для их функционирования необходимо отдельное питание. Типичный ток потребления составляет порядка 30 мА практически вне зависимости от питающего напряжения. Причем большинство преобразователей требует двуполярного источника напряжения (как правило, ±15 В). Тем не менее в последнее время наблюдается тенденция к использованию преобразователей и с однополярным питающим напряжением. К тому же преобразователи компенсационного типа потребляют дополнительный (кроме тока потребления в режиме отсутствия входного сигнала) ток от источника питания для обеспечения вторичного, выходного тока при наличии первичного тока на входе.

Две основные особенности датчиков

В отличие от трансформаторов тока датчики тока могут измерять как постоянный, так и переменный токи. Собственно, для того они и предназначены. Это и есть одна из двух особенностей, которыми обладают такие датчики в отличие от других измерителей тока. Синусоидальный переменный ток может быть измерен с применением обычного трансформатора тока. Но если измеряемый ток имеет периоды без изменения тока во времени di/dt, то в таком случае необходим именно датчик тока.

Гальваническая изоляция — вторая особенность, которая должна учитываться при выборе датчика для измерения тока в конкретном применении. Первичная и вторичная цепи датчиков электрически изолированы друг от друга. Это делается потому, что первичная цепь имеет высокий потенциал (480 В), в то время как вторичная цепь использует значительно более низкое напряжение (±15 или +5 В). Гальваническая изоляция реализуется с помощью магнитных сердечников. Ток в первичной обмотке наводит в магнетике магнитное поле, которое концентрируется магнитной цепью. Магнитный элемент измеряет магнитную индукцию поля (B) и преобразует ее в форму напряжения или порогового тока. Данные о величине магнитной индукции, преобразованные в напряжение или ток на выходе устройства, пропорциональны силе тока в первичной цепи.

Первыми разработанными датчиками тока были так называемые датчики прямого усиления с элементом Холла (в англоязычной терминологии — Open Loop Hall Effect). Устройство состоит из трех частей: магнитного сердечника, элемента Холла и усилителя. Выход такого преобразователя — напряжение, пропорциональное силе тока в первичной силовой цепи.

Датчики тока компенсационного типа с элементом Холла

Следующим шагом в развитии технологии преобразователей являются датчики тока компенсационного типа с элементом Холла (рис. 1). Этот тип датчиков основан на базовой концепции датчика прямого усиления с дополнением его вторичной обмоткой, подключенной к выходу преобразователя. Вторичная обмотка намотана на магнитном сердечнике, а протекающий по ней вторичный ток формирует в магнитной цепи магнитное поле, противоположное полю, созданному током в первичной цепи. Это позволяет достичь нулевого магнитного потока в сердечнике. Несомненные преимущества технологии компенсационного типа — практическое отсутствие вихревых токов и более широкая полоса пропускания. Выход такого датчика может быть представлен в виде источника тока, ток которого пропорционален току в первичной цепи, поделенному на количество витков вторичной обмотки. То, что коэффициент усиления датчика определяется числом витков вторичной обмотки, делает его практически независимым от изменений температуры. В спецификациях (Data Sheet) на датчики компенсационного типа температурная зависимость коэффициента усиления не приводится, поскольку, повторимся, в датчиках компенсационного типа влияние температуры на коэффициент усиления отсутствует. То, что эти устройства имеют на выходе ток, а не напряжение, также является преимуществом, поскольку подобный вариант их реализации менее восприимчив к источникам помех, способных возникнуть в конкретном приложении. Выходной ток такого датчика обычно пропускается через нагрузочный резистор. Ток, проходящий через нагрузочный резистор, создает на нем падение напряжения, которое может быть измерено аналого-цифровым преобразователем или оценено при помощи компаратора.

Преобразователь тока компенсационного типа с элементом Холла

Рис. 1. Преобразователь тока компенсационного типа с элементом Холла

Компенсационные датчики индукционного типа

В компенсационных датчиках индукционного типа (в англоязычной терминологии — Closed Loop Flux Gate) элемент Холла заменен индукционным детектором магнитного потока (Flux Gate detector) (рис. 2). Такой детектор представляет собой сердечник из магнитного материала, помещенный в зазор магнитной цепи. Сердечник индукционного детектора имеет обмотку, которая возбуждается напряжением прямоугольной формы, доводящим сердечник до насыщения в каждом из полу­периодов напряжения. Наведенный в обмотке детектора ток, чья величина в каждом полупериоде зависит от момента входа сердечника в насыщение, сравнивается с неким пороговым уровнем. При достижении порога происходит изменение скважности импульсов прямоугольного напряжения. Момент входа сердечника детектора в насыщение, а значит, и скважность прямоугольного напряжения пропорциональны величине тока в первичной цепи. По своей природе технология с индукционным детектором является цифровой и содержит внутренний генератор тактовых импульсов, который сам может быть источником помех с частотой, пропорциональной тактовой частоте. Однако частота этих помех значительно выше рабочей полосы пропускания датчика. Полный состав подобной системы выглядит следующим образом: магнитная система, индукционный детектор с обмоткой, специализированная интегральная микросхема и вторичная обмотка. Нагрузочный резистор может быть встроенным, тогда на выходе датчика присутствует сигнал в виде напряжения. В противном случае выход такого датчика — токовый. Есть и другие технологии реализации датчиков с детектором индукционного типа. Это касается различных вариантов возбуждения и схем детектирования, но в целом все решения схожи между собой.

Преобразователь тока компенсационного типа с индукционным детектором

Рис. 2. Преобразователь тока компенсационного типа с индукционным детектором

Датчики компенсационного типа разработаны для долговременного измерения тока, не превышающего номинального, заявленного в спецификации на конкретный тип датчика. Измеряемый ток обычно называют первичным. Выходной ток датчика именуют вторичным током. Датчики компенсационного типа могут измерить и более высокие токи, чем номинальный (диапазон измерения), но этот более высокий измеряемый ток допустим только лишь в течение короткого промежутка времени (секунд, миллисекунд или микросекунд).

Преимущества того, что датчики компенсационного типа имеют токовый выход заключаются еще и в том, что при этом достигается значительно большая помехоустойчивость и более высокая точность измерения.

Назначение датчика тока — это, собственно, измерение тока. Но до какой степени такое измерение является достоверным? Любые датчики не идеальные устройства и имеют свою величину погрешности. Как ни странно, коэффициент усиления в таких датчиках определяется их механическими параметрами, а именно: насколько точно выполнена намотка вторичной цепи на намоточном станке. Линейность датчика в свою очередь зависит от характеристик материала, из которого изготовлен магнитный сердечник. А начальное смещение на выходе датчика — от остаточной намагниченности магнитного сердечника. Ранее было выявлено, что температура не оказывает влияния на усиление датчика, но влияет на начальное смещение его выходного сигнала. Температурный дрейф начального смещения на выходе датчика может оказывать влияние в конкретном применении (например, возникают пульсации выходного сигнала). Здесь преимущества за датчиками индукционного типа. У них минимальное начальное смещение выходного сигнала и более низкий, чем у датчиков на эффекте Холла, температурный дрейф.

Порядок точности измерения

Один из важных вопросов, который относится ко всем измерительным устройствам: сколько разрядов значения измеряемой величины может быть получено в результате замера? Количество разрядов — это функция точности измерения. Достоверность измерения требует определенной степени точности в точке измерения, чтобы быть уверенным в полученном значении. Отношение 4:1 измеренного значения и ошибки измерения этого значения в точке измерения — необходимый минимум (лучше 10:1). Как узнать, должен ли 100-амперный датчик с погрешностью 1% точно измерить ток в 1 А? Здесь на сцену выступают считанное значение и номинальное значение. Погрешность коэффициента усиления всегда оценивается в процентах от считанного значения тока в первичной цепи. Погрешность линейности измерения всегда оценивается в процентах от номинального тока датчика. Начальное смещение также определяется в процентах от номинального тока датчика. Обычно все три погрешности не складываются. В противном случае это привело бы к совершенно нереалистичной величине суммарной погрешности. Суммарную погрешность в общем случае получают как квадратный корень от суммы их квадратов. Датчик, имеющий погрешность усиления в 1%, нелинейность 0,5% и погрешность из-за начального смещения 0,2%, обладает погрешностью измерения в 1,14%. Фактическая ошибка в амперах зависит от величины считываемого тока в первичной цепи ввиду того, что от него зависит погрешность коэффициента усиления. Так, датчик, рассчитанный на номинальный ток 100 A с указанной выше погрешностью измерения, для считываемого тока в 10 A будет иметь фактическую ошибку в 0,55 A. Это даже лучше, чем 10:1. Но датчик, рассчитанный на номинальный ток в 100 A, с указанной выше погрешностью измерения, для считываемого тока в 1 A будет иметь фактическую ошибку, равную 0,54 A. А такая ошибка (0,54 A) означает отношение измеренного тока к ошибке даже хуже, чем 2:1. Таким образом, ток в 1 A уже не может быть достоверно измерен.

Читайте также:  Как считается ток термической стойкости шин

Таким образом, обеспечение измерений с точностью в несколько разрядов является трудной задачей. Большинство датчиков обеспечивает измерение токов ниже, чем номинальный, с точностью одного разряда. Обеспечение измерения с точностью в два разряда — это уже серьезная задача. Лучшие из датчиков компенсационного типа обеспечивают отношение примерно 4:1 при точности измерения в два разряда. Еще лучше, если начальное смещение приведено к нулю (скомпенсировано) при подаче питания на датчик, а температурный дрейф начального смещения минимизирован (для датчиков индукционного типа). Но необходимо помнить, что проблема обеспечения точности измерений не ограничивается точностью измерения тока самим датчиком. Требуется учитывать погрешность номинала и дрейф нагрузочного резистора (1% против 0,1%), а кроме того, еще и погрешность аналого-цифрового преобразователя. Проверка системы с использованием осциллографа с пробником в виде разъемного датчика прямого усиления, имеющим погрешность измерения в 2%, не сравнима с использованием датчика тока, имеющего собственную погрешность в 0,5%.

Снижение параметров

В спецификациях на датчики указаны их номинальный ток, диапазон рабочих температур и частотный диапазон. Максимальные значения всех трех параметров не могут быть обеспечены одновременно. Входящие в состав датчика усилители имеют свои ограничения. Падение напряжения и, следовательно, мощность распределяется между транзисторами выходного каскада усилителя, вторичной обмоткой и нагрузочным резистором. Меньшее сопротивление нагрузочного резистора увеличивает мощность, рассеиваемую выходным каскадом усилителя, что вызывает его больший нагрев. Слишком большое сопротивление нагрузки приводит к ограничению выходного сигнала датчика. Высокая температура окружающей среды в совокупности с большими измеряемыми токами и малым значением сопротивления нагрузки приводит к большой мощности рассеивания усилителем датчика. Эти факторы должны быть приняты во внимание при разработке схемы включения датчика. В спецификациях обычно приводятся графики, показывающие снижение номинальных параметров датчика с учетом их зависимости от этих факторов. Кроме того, компенсационные датчики не могут полностью компенсировать магнитный поток в сердечнике. Увеличение амплитуды и частоты тока еще больше ухудшает компенсацию магнитного потока. В результате появляются вихревые токи и нагрев сердечника. Из изложенного выше и вытекает потребность учитывать при проектировании неизбежное снижение реальных характеристик датчиков в конкретных условиях их применения.

Первичный проводник и отверстие датчика

Размещение первичного проводника в отверстии датчика также влияет на точность измерения. Расположение этого проводника по центру отверстия датчика и полное заполнение внутреннего отверстия датчика первичным проводником приводит к повышению точности измерения. Необходимо иметь в виду, что размещение силового проводника первичной цепи близко к краю отверстия может стать причиной локального насыщения сердечника на больших токах. Но это зависит непосредственно от изготовителя датчика. Магнитные сердечники не могут быть совершенно одинаковыми по своим характеристикам. Одни изготовители проектируют свои датчики с запасом по характеристикам сердечников, другие — не делают запаса по параметрам сердечников, тем самым не оставляя возможности нормального функционирования при ошибке позиционирования первичного проводника.

Спецификации

Все изготовители датчиков предоставляют спецификации или техпаспорта (Data Sheet) на выпускаемые ими изделия. Однако, к сожалению, у подобных документов до сих пор нет единого стандарта. Поэтому в различных спецификациях есть не только схожие моменты, но и много различий. В некоторых спецификациях, например, приводят диапазон измерений, но не указывают номинальное значение. Хотя постоянная работа датчика на максимальном значении тока, указанном как диапазон измерений, может иметь для устройства фатальные последствия. Для одних изготовителей погрешность измерения может означать комбинацию погрешностей усиления, линейности и начального смещения выходного сигнала, а для других — только погрешность усиления. Некоторые изготовители обеспечивают точность намотки вторичной катушки при производстве ±3 витка, некоторые — лишь ±10 витков. Результирующие погрешности коэффициента усиления таких датчиков будут, естественно, разными. Частотный диапазон может быть приведен по уровню ±1 дБ или по уровню ±3 дБ.

Выводы

Правильно подобранный для конкретного применения датчик тока может иметь срок эксплуатации 25 лет и более. Знание специфических особенностей технологии применяемых датчиков помимо параметров, указанных в спецификации, позволяет проектировать системы измерения тока с лучшими параметрами, более устойчивые к окружающим условиям. Такие характеристики датчиков, как погрешность измерения, зависимость ее от температуры, снижение параметров в условиях работы на предельно допустимых значениях, выбор сопротивления нагрузочного резистора, имеют весьма важное значение. Все изложенное выше указывает на необходимость выбора в качестве партнера исключительно технически осведомленных, надежных и проверенных поставщиков датчиков.

Источник

Lem датчики тока схема

Думаю, что многим интересно узнать, как же устроены датчики тока на эффекте Холла. И не только узнать, но и увидеть, как они выглядят внутри.

Эти датчики делятся на два вида: импортные, и не импортные.
Импортные хороши красивым дизайном, высокой точностью, надежностью. У не импортных только два преимущества. Первое — это разборный корпус. Выкручиваем всего четыре винтика, и все внутренности перед нами. Это счастье для любопытных, которым интересно заглядывать во все дырки. И счастье для тех, кто должен ремонтировать такой датчик.
А второе преимущество — это цена, которая в разы ниже, чем у импортных. На этом список преимуществ таких датчиков заканчивается. Список недостатков длиннее, но о них — потом.

В общем, все попытки разобрать корпус импортных датчиков закончились неудачей. Без поломки это невозможно. У одного датчика корпус полностью запаян, по всем стыкам. У второго датчика половинки корпуса оказались на защелках. Но их очень много, по две на каждую сторону, и очень неудобно к ним подобраться. Причем все эти защелки, со всех сторон, надо отогнуть одновременно, иначе не откроется. Это занятие — не для слабонервных! Пришлось придумывать разные хитрые приспособы. В результате получилось некое ежикоподобное устройство, которым все же удалось отогнуть все защелки одновременно! Но тут оказалось, что я недооценил буржуев. Им показалось, что одних защелок недостаточно, и они вдобавок капитально проклеили стык половинок корпуса в зоне отверстия для кабеля. Там гильза плотно входит в гильзу. И они это соединение полностью проклеили. Блин.

Поэтому пришлось ограничиться не импортным датчиком ДСТ-500.
Разобрал, срисовал расположение деталей и дорожки, нарисовал схему, сделал фотки. Все это во вложении.

Схема оказалась на удивление простая. Даже китайцы не смогли бы упростить ее.

Устройство и принцип работы одинаковы для всех датчиков такого типа.
Силовой проводник с током пропускается сквозь кольцевой магнитопровод. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. На магнитопровод намотана компенсирующая обмотка. По этой обмотке пропускается такой ток, который полностью компенсирует магнитное поле силового проводника. Компенсирующий ток пропорционален току в силовом проводнике. Коэффициент пропорциональности подобен коэффициенту трансформации, и равен отношению количества витков компенсирующей обмотки (вторичная обмотка), к количеству витков силового проводника (первичная обмотка). Обычно компенсирующая обмотка содержит большое количество витков: 500. 10000.
Количество витков силового проводника чаще всего равно единице, особенно для больших токов в сотни ампер. Для измерения маленьких токов, единицы и десятки ампер, для повышения чувствительности иногда пропускают сквозь датчик более одного витка.

Читайте также:  Работа с ваф проверка трансформаторов тока

Чтобы компенсировать магнитное поле в магнитопроводе датчика, необходимо измерять его величину и знак. Для этого в магнитопроводе делается поперечная прорезь, в которую вставляется датчик Холла. Сигнал этого датчика усиливается, и подается на усилитель мощности, выход которого нагружен на компенсирующую обмотку. Задача этой схемы — пропустить через обмотку такой ток, при котором напряженность магнитного поля в разрыве магнитопровода станет равной нулю.

При этом сохраняется очень высокая точность коэффициента пропорциональности, во всем диапазоне измеряемых токов. Чтобы измерить ток компенсирующей обмотки, последовательно с ней подключается низкоомный прецизионный резистор. По величине падения напряжения на этом резисторе можно судить о величине тока в силовой цепи.

Ладно, я пока займусь работой. Продолжу позже.
.
Важный момент . Когда я создавал эту тему, то не ставил целью написать наукообразную статью, с азбучными истинами. Такого добра в инете и так хватает. Основной целью было — показать на примере промышленного изделия, что такой датчик тока имеет достаточно простое устройство, и его несложно изготовить даже в домашних условиях. А потребность в таких датчиках растет. Сейчас любой желающий запросто может или купить, или сделать сам, сварочный инвертор постоянного тока. И для контроля величины тока, или контроля формы тока необходим описываемый датчик. Промышленные образцы таких датчиков довольно дорогие, их цена сопоставима с ценой самого инвертора, а зачастую и в разы выше. Да и клещи постоянного тока хорошо кусаются ценами. Хотя в точности значительно уступают датчикам, которые здесь описываются.
В общем, в этой теме я постараюсь основной упор делать на конструктивных особенностях этих датчиков, на особенностях схемы, и на остальном, что может влиять на успех при домашнем изготовлении датчика тока.

П.С. Кстати, касаемо размеров зазора, и самого датчика Холла. Датчик Холла специфический. Он бескорпусный, и смонтирован на узкой полоске тонкого фольгированного стеклотекстолита. Под него в текстолите сделано посадочное углубление, в котором он плотно посажен на эпоксидку, заподлицо с поверхностью. Толщина этой полоски текстолита — 0,8мм. Полоска входит в зазор без трения о стенки, но и не болтается. Из этого можно сделать вывод, что толщина зазора — порядка 0,9. 1мм.

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



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.

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.

Читайте также:  Взаимодействие двух параллельных проводников с током как называется

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.

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