Датчик тока принцип работы: Датчик тока и напряжения на эффеке холла — Мир Антенн

Содержание

Датчик тока и напряжения на эффеке холла

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.

Содержание

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.

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.

Датчики тока (тип IT)

Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

Разъемные датчики тока — актуальный сегмент на рынке датчиков

Портной Григорий

№ 1’2014

PDF версия

Статья посвящена новому семейству современных измерительных датчиков тока, которые дополняют ряд датчиков тока, напряжения и мощности, разработанных и выпускаемых ОАО «НИИЭМ». Датчики этой серии отличаются высокими точностными и надежностными характеристиками, имеют хорошее соотношение цена/качество, что позволяет «НИИЭМ» на равных конкурировать с зарубежными производителями аналогичной продукции. В статье рассматриваются особенности нового сегмента этого класса приборов — разъемных датчиков тока. Такие датчики незаменимы для контроля тока в производстве непрерывного цикла, для мониторинга действующих токовых цепей и т. д. Приведены сравнительные характеристики разъемных датчиков, которые позволяют измерять постоянный и переменный ток от единиц до 25 000 А.

Бесконтактные датчики измерения тока и напряжения на основе преобразователей Холла становятся все более востребованными в разных отраслях промышленности. Это обусловлено, с одной стороны, высокими характеристиками самих датчиков, а с другой — широкой областью их применения.

Вот только краткое перечисление возможных областей применения датчиков тока и напряжения:

городской электрический транспорт, включающий вагонные преобразователи; тяговые подстанции;
частотные преобразователи и приводы различного применения;
системы контроля сварочного оборудования, источников бесперебойного питания;
системы автоматики и телемеханики энергосистем;
выпрямители для электрохимических процессов;
системы мониторинга токовых цепей и пр.

Интерес к этим датчикам подтверждает и большое количество публикаций, посвященных как зарубежным [1, 2], так и отечественным [3] приборам для измерения тока с гальванической развязкой.

Настоящая статья посвящена новым приборам для измерения тока, которые должны пополнить серию датчиков тока и датчиков напряжения, выпускаемых отделением датчиков компании «НИИЭМ», производство которой расположено в г. Истра Московской области. Ранее в работе [4] достаточно подробно были представлены номенклатура и параметры этих датчиков. Потребителям, которым нужны более детальные характеристики бесконтактных датчиков тока, напряжения и датчиков мощности, можно рекомендовать сайт www.niiem46.ru, на котором представлены габаритные размеры и характеристики приборов, выложена техническая документация, свидетельства об утверждении типа средств измерений и указана стоимость датчиков.

Желание оптимизировать и снизить цены на эти приборы привело к тому, что в дополнение к серии универсальных датчиков ДТХ, которые измеряют постоянный, переменный и импульсный ток, появился ряд дешевых датчиков серии ДТТ, предназначенных только для измерения переменного тока.

Датчики этого семейства позволяют контролировать ток от единиц до 3000 А, обеспечивая удобный для последующей обработки выходной сигнал 4–20 или 0–20 мА. Есть возможность монтажа этих датчиков на DIN-рейку. Спрос со стороны разработчиков стимулировал развитие еще одного сегмента в серии датчиков — разъемных датчиков тока, описанию которых и посвящена эта статья.

Разъемные датчики для измерения малых токов

Внешний вид разъемных датчиков, получивших обозначение ДТР-01, представлен на рис. 1, а их основные технические характеристики приведены в таблице. Конструкция датчика [5] представляет собой разъемный корпус, состоящий из двух частей — основания и кожуха. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз, который при сборке корпуса превращается в сквозное отверстие для размещения в нем проводника с током. Внутри самого корпуса размещается замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного поля), выполненный из двух П-образных элементов. Один из них расположен в основании, другой — в кожухе.

В кожухе также расположен чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле токового проводника, и печатная плата электрического устройства. В основании кожуха имеются соответствующие отверстия для стягивания болтами двух частей корпуса.

Таблица. Основные технические характеристики разъемных датчиков тока
Характеристика	ДТР-01	ДТР-03	ДТР-02	ДТХ-Ж	ДБТ
Диапазон измеряемого тока	0–5, 10, 20, 50 0–100, 150, 200, 300	0–500 0–750 0–1000	0–300 0–500 0–1000 0–1500	0–1000 0–1500 0–3000	0–5000 0–10 000 0–20 000 0–25 000
Допустимая перегрузка по току, раз	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Диапазон рабочих температур, ^оС	–20… +80	–20… +80	0… +70	–20… +70	–50… +60
Основная приведенная погрешность, не более, %	1,5	1,5	1,5	2,5	0,4
Нелинейность выходной характеристики, не более, %	0,1	0,2	0,2	0,1	0,1
Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, мА	4/20	4/20	4/20	200^* 300 1000	5
Коэффициент передачи	1:4000	1:5000	1:5000	1:5000 1:3000	1:4000
Полоса пропускания, Гц	50	65	50	0–50 000	–
Источник питания, В	8–30	10–30	8–36	±(18–24) ±(24–36)	–
Диаметр отверстия под токовую шину, мм	Прямоугольное отверстие 19×19	50	Прямоугольное отверстие 10×82		Прямоугольное отверстие
Габаритные размеры, мм	85×55×35	65×109×143,5	116×102×44	194×118×82
Масса, г	130	500	450	700 900

Примечание. ^* По требованию заказчика возможно изготовление датчиков со стандартным токовым выходом 4–20 мА или TRUE-RMS.

Рис. 1. Внешний вид разъемных датчиков ДТР-01

Разъемный датчик монтируется непосредственно на проводнике. Протекающий по проводнику переменный ток формирует в магнитопроводе магнитный поток, который наводит в катушках индуктивности (чувствительном элементе) ЭДС, пропорциональную значению протекающего тока.

При протекании по проводнику постоянного тока чувствительными элементами прибора являются два датчика Холла, расположенные в зазорах между двумя частями магнитопровода. Катушки индуктивности в этом случае по своей функции являются компенсационными. Магнитный поток, создаваемый катушками, компенсирует магнитный поток от тока, протекающего в проводнике. Питание датчика и снятие выходного сигнала, пропорционального измеряемому току, осуществляется с помощью разъема на лицевой панели корпуса. Питание датчика 10–30 В осуществляется по токовой петле 4–20 мА с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания выхода.

Разъемные датчики для больших токов

Конструкция датчика ДТР-01 позволяет осуществлять его питание непосредственно на токовой шине, и это одно из главных достоинств такого типа датчиков. Особенно удобно использовать эти датчики при измерении тока в труднодоступных местах, или когда необходимо провести мониторинг токовых цепей без остановки производства и без разрыва токовой шины.

Такие датчики разрабатывались с расчетом на малое квадратное «окно» под токовую шину. Размеры «окна» под токовую шину — 19×19 мм. Поэтому ток, измеряемый датчиками ДТР-01, ограничен величиной в 300 А (таблица). Эти недостатки устранены в конструкции другого разъемного датчика — ДТР-03 (рис. 2). Внутренний диаметр разъемных полуколец составляет 50 мм, что позволяет измерять ток до 500, 750 и 1000 А (таблица). При этом преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью стандартного интерфейса «токовая петля 4–20 мА» с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания и выхода. Выходной сигнал датчика 4–20 мА пропорционален среднеквадратичному значению измеряемого тока.

Датчик легко монтировать в шкаф или блок, так как на основании его корпуса есть специальные крепежные панели, а прилегающая ответная часть разъема позволяет быстро включить его в электрическую цепь.

Рис. 2. Внешний вид разъемных датчиков ДТР-03

Датчики ДТР-01 и ДТР-03 используются для контроля тока, который протекает по круглым шинам. Однако во многих видах подвижного транспорта, в электрохимическом производстве и пр. для подачи больших токов используются плоские шины, и тогда требуется другая конструкция датчиков.

На рис. 3 представлена конструкция разъемного датчика с размерами «окна» под плоскую шину 10×82 мм. Для удобства потребителей и с целью снижения цены кроме универсального разъемного датчика, представленного на рис. 3б (он измеряет постоянный, переменный и импульсный ток от 1000 до 3000 А), разработан упрощенный вариант датчика. Этот датчик (рис. 3а) предназначен для измерения только переменного тока. Принцип работы этих датчиков идентичен описанным выше приборам.

Рис. 3. Конструкция:
а ) разъемного датчика ДТР-02;
б) датчика ДТХ-1000Ж под плоскую токовую шину

Датчики ДТР-02 по требованию заказчиков комплектуются стандартным токовым выходом 4–20 или 0–20 мА или изготавливаются с выходом среднеквадратических значений TRUE-RMS. Датчики ДТХ-1000Ж, ДТЧ-1500Ж и ДТХ-3000Ж содержат преобразователи Холла и используют компенсационный метод измерения проходящего по шине тока. Питание датчиков ДТР-02 от 8 до 36 В осуществляется по токовой шине. Для датчиков ДТХ необходимо питание от стабилизированного двуполярного источника постоянного напряжения:

для ДТХ-1000Ж, 1500Ж — ±(18–24) В ±5%;
для ДТХ-3000Ж — ±(24–36) В ±5%.

Выходной сигнал датчиков пропорционален действующему значению измеряемого тока.

С учетом специфики применения этих приборов на подвижном транспорте в конструкции датчиков проведена замена разъема на отдельные резьбовые винтовые соединения. Крепление датчиков осуществляется непосредственно на токовой шине с помощью прижимной струбцины.

Из таблицы следует, что максимальный ток, который можно измерить датчиком ДТХ-3000Ж, не превышает 4000 А. Однако для многих крупных предприятий электрохимической и электрометаллургической отраслей необходимо измерять ток на порядок больше. Кроме того, специфика таких предприятий накладывает целый ряд ограничений по отношению к датчикам больших токов, и к этим приборам предъявляются дополнительные требования.

Разработанный в компании «НИИЭМ» датчик тока ДБТ (рис. 4) предназначен для измерения любого вида тока с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля. Датчик выполнен по компенсационной схеме и состоит уже из двух устройств: измерительного контура и источника питания, который обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал. Измерительный контур представляет собой замкнутый магнитопровод, он выполнен в виде квадрата с вырезом и охватывает в процессе измерения токонесущую шину. В зазорах магнитопровода расположены магниточувствительные элементы — датчики Холла (ДХ). На магнитопровод намотаны компенсационные катушки и так называемая поверочная обмотка. Магнитопровод с ДХ и катушками заключен в дюралюминиевый кожух. На кожухе расположен двуполярный усилитель, выполненный по мостовой схеме. Нагрузкой усилителя являются компенсационные катушки. Последовательно с катушками соединен измерительный резистор, который расположен в блоке источника питания.

Рис. 4. Внешний вид датчика больших токов ДБТ:
а) измерительный контур;
б) источник питания

Разъемный измерительный контур монтируется непосредственно на токовой шине. При протекании тока по токонесущей шине в магнитопроводе измерительного контура наводится магнитное поле. Датчики Холла преобразуют магнитное поле в токовый сигнал, пропорциональный полю, и этот сигнал поступает на вход усилителя. Далее усиленный сигнал подается на компенсационные катушки. Через компенсационную обмотку и измерительный резистор течет ток, пропорциональный измеряемому магнитному полю токонесущей шины и, следовательно, измеряемому току [6].

Основные параметры датчика больших токов приведены в таблице. Питание датчика ДБТ осуществляется от промышленной сети переменного тока 50 Гц, 220 В ±10%. Датчик работоспособен при перегрузке в 1,5 раза по отношению к номинальному току. Датчик ДБТ в 3–3,5 раза дешевле зарубежных аналогов, однако, поскольку он является материалоемким прибором, то изготавливается исключительно под заказ. В связи с этим в таблице не указаны массо-габаритные данные прибора, поскольку они могут меняться от образца к образцу по требованию заказчиков.

Помимо цены, существенным достоинством датчика больших токов является возможность его периодической поверки без демонтажа измерительного контура.

Литература

Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ — от печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.
Портной Г. Я. Обзор современных магниточувствительных датчиков Холла и приборов на их основе // Электронные компоненты. 2012. № 12.
Портной Г. Я. Датчики электрических величин для электроэнергетики и электропривода // Электронные компоненты. 2005. № 11.
Разъемный датчик тока. Патент № 108634. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.
Датчик больших токов. Патент № 110193. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.

Все, что вам нужно знать о датчиках тока

Опубликовано 7 января 2020 г. Элоиза Моррис

Что такое датчик тока?

Датчики тока, также обычно называемые трансформаторами тока или трансформаторами тока, представляют собой устройства, которые измеряют ток, протекающий по проводу, с помощью магнитного поля для обнаружения тока и формирования пропорционального выходного сигнала. Они используются как с переменным, так и с постоянным током. Датчики тока позволяют нам измерять ток пассивно, без какого-либо прерывания цепи. Они размещаются вокруг проводника, ток которого мы хотим измерить.

Трансформаторы тока необходимы во многих приложениях. Например, они часто используются в подсчетах для определения энергопотребления отдельными арендаторами. Они также могут помочь в регулировании объекта, предоставляя информацию о том, сколько энергии используется и когда, чтобы снизить затраты и повысить эффективность.

Как работают датчики тока?

Когда ток течет по проводнику, он создает пропорциональное магнитное поле вокруг проводника. Трансформаторы тока используют это магнитное поле для измерения тока. Если ТТ предназначен для измерения переменного тока, часто используется индуктивная технология. Переменный ток изменяет потенциал, что приводит к постоянному схлопыванию и расширению магнитного поля. В датчике переменного тока провод наматывается на сердечник. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим через ваш проводник, индуцирует пропорциональный ток или напряжение в проводе, который находится внутри датчика тока. Затем датчик выдает определенное напряжение или ток, которые счетчик, подключенный к датчику, может считывать и преобразовывать в величину тока, протекающего через проводник. Например, у вас может быть трансформатор тока, который выдает 333 мВ (333 мВ — обычный выход для трансформаторов тока), когда ток через проводник составляет 400 А. Как только вы настроите свой счетчик на считывание 400 А, когда он получает входное напряжение 333 мВ, он сможет рассчитать, сколько ампер проходит через проводник, исходя из того, какой вход он получает. Датчики постоянного тока работают аналогично, но в их работе используется технология эффекта Холла.

Трансформаторы тока могут повышать, понижать или поддерживать ток на одном уровне. Датчики, повышающие или понижающие ток, часто называют трансформаторами. Датчики обычно состоят из двух катушек. Катушка, по которой проходит ток, называется первичной обмоткой, а катушка, в которой индуцируется напряжение, называется вторичной обмоткой. Для многих трансформаторов тока, которые мы продаем в Aim Dynamics, проводник, вокруг которого установлен ТТ, служит первичной обмоткой, а вторичная обмотка находится внутри трансформатора. Сердечник, на который намотана вторичная обмотка, зависит от того, на что рассчитан датчик.

Коэффициент трансформации трансформатора равен числу витков вторичной обмотки, деленному на число витков первичной обмотки (). Это соотношение определяет, будет ли трансформатор повышать или понижать напряжение. Отношение вторичного напряжения к первичному равно соотношению витков, определяемому уравнением . Таким образом, когда число витков вторичной обмотки больше, чем количество витков первичной обмотки, напряжение на вторичной обмотке выше, и это повышающий трансформатор. Обратное верно для тока, где отношение вторичного тока к первичному току равно обратному отношению витков: .

Как работают датчики тока на эффекте Холла? Датчики Холла

или датчики постоянного тока способны измерять как переменный, так и постоянный ток. Датчики на эффекте Холла состоят из сердечника, устройства на эффекте Холла и схемы формирования сигнала. Они работают на основе эффекта Холла .

Эффект Холла — явление, открытое Эдвином Холлом в 1879 году. Когда ток проходит через проводник, он создает магнитное поле. Если этот проводник расположен в другом магнитном поле, магнитное поле, создаваемое электроном, движущимся через проводник, будет взаимодействовать с внешним магнитным полем, заставляя электроны двигаться в одну сторону проводника. Это создает напряжение на проводнике, пропорциональное величине тока, протекающего через него, и может быть измерено. Более подробное описание эффекта Холла можно найти здесь.

Есть ли разница между трансформатором тока, преобразователем тока и датчиком тока?

Технически да, но эти термины часто используются взаимозаменяемо. Все эти устройства используются для измерения тока и работают по одним и тем же принципам, но между ними есть определенные технические различия, о которых полезно знать. Технически трансформаторы тока понижают ток, чтобы его можно было эффективно и безопасно контролировать, тогда как датчик тока — это общий термин для устройства, которое определяет и измеряет ток. Преобразователи преобразуют один вход в другой выход. Например, они могут преобразовывать сигналы переменного тока в постоянный. Тем не менее, все эти устройства работают одинаково для измерения тока и создания выходного сигнала, считываемого измерителем мощности.

Типы трансформаторов тока:

Датчики тока на эффекте Холла/датчики постоянного тока: Как объяснялось выше, эти датчики работают на эффекте Холла для измерения как переменного, так и постоянного тока.
Катушки Роговского: Катушки Роговского представляют собой гибкие трансформаторы тока, обладающие целым рядом преимуществ для практического использования. Во-первых, их проще установить, чем традиционные трансформаторы тока. Тонкую катушку можно легко надеть на проводник и защелкнуть. Это делает их идеальными для использования в ситуациях, когда установка может быть сложной, и вы работаете с проводами под напряжением.
Разъемный сердечник: Датчики тока с разъемным сердечником можно открыть и защелкнуть вокруг проводника, что упрощает их установку в уже существующих конфигурациях. Хотя они считаются менее точными, чем твердотельные датчики тока, они достаточно точны, чтобы их можно было использовать практически во всех практических приложениях.
Сплошной сердечник: Датчики тока с твердым сердечником представляют собой замкнутые контуры без возможности размыкания, поэтому при их установке кабели должны быть отсоединены и пропущены через ТТ. Это делает их наиболее подходящими для новых установок. Они обеспечивают высокую точность.
Без обратной связи: Датчики на эффекте Холла доступны как в открытой, так и в замкнутой системе. Датчики с разомкнутым контуром обеспечивают низкие вносимые потери, быстрое время отклика, компактный размер и точное и недорогое считывание.
Замкнутый контур: Датчики с замкнутым контуром обеспечивают быструю реакцию, высокую линейность и низкий температурный дрейф. Токовый выход датчика с обратной связью относительно невосприимчив к электрическим помехам. Датчик с обратной связью иногда называют датчиком с нулевым потоком, потому что его датчик на эффекте Холла возвращает противоположный ток во вторичную катушку, намотанную на магнитный сердечник, чтобы свести на нет поток, создаваемый в магнитном сердечнике первичным током.

Какие компании производят датчики тока?

Существует множество различных производителей трансформаторов тока. Некоторые производители, которых мы предлагаем в Aim Dynamics, включают Magnelab, AccuEnergy, Socomec и J&D. У каждого производителя немного разные значения по умолчанию и соглашения, вы можете просмотреть наш веб-сайт, чтобы найти тот, который лучше всего подходит для ваших конкретных потребностей.

Каков номинал ТТ в ВА (вольт-амперах)?

Номинальная мощность в ВА является показателем мощности, которую может вырабатывать ТТ, что важно для точных отчетов о токе. Если номинальное значение ВА ТТ слишком низкое, это может привести к занижению данных, поскольку сопротивление в цепи слишком велико, чтобы ТТ мог его компенсировать. У нас есть подробная статья о рейтинге VA, которую вы можете прочитать здесь, если хотите узнать больше. У нас также есть отличный калькулятор рейтинга VA, если вы хотите выяснить, какой рейтинг VA вам нужен.

Применение трансформаторов тока Датчики тока

могут использоваться в самых разных областях, от управления объектами до субсчетчиков и многого другого. Они могут помочь обнаружить неисправности в оборудовании и предотвратить повреждение оборудования. В нашем блоге вы можете больше узнать о различных применениях датчиков тока (а также о многих других продуктах, которые мы предлагаем). Мы часто публикуем сообщения о том, как клиенты использовали датчики тока в различных проектах.

Вы ищете КТ? Просмотрите наш выбор здесь.

Теги: Датчики тока

Телефон (800) 820-6358
[email protected]
Лонгмонт, Колорадо, США

Датчики тока

Измерение напряжения в любой системе является «пассивным» действием, поскольку его можно легко выполнить в любой точке системы, не влияя на производительность системы. Однако измерение тока является «интрузивным», поскольку требует установки датчика определенного типа, что создает риск влияния на производительность системы.

Измерение тока имеет жизненно важное значение во многих силовых и контрольно-измерительных системах. Традиционно измерение тока предназначалось в первую очередь для защиты и управления цепями. Однако с развитием технологий измерение тока стало методом контроля и повышения производительности.

Рис. 1. Репрезентативное изображение датчика тока

Знание величины тока, подаваемого на нагрузку, может быть полезно для самых разных приложений. Измерение тока используется в широком спектре электронных систем, а именно, в индикаторах срока службы батарей и зарядных устройствах, системах 4-20 мА, схемах защиты и контроля от перегрузки по току, регуляторах тока и напряжения, преобразователях постоянного тока, детекторах замыкания на землю, программируемом токе. источники, линейные и импульсные источники питания, устройства связи, автомобильная силовая электроника, регуляторы скорости двигателя и защита от перегрузок и т. д.

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА

Датчик тока — это устройство, которое обнаруживает и преобразует ток в легко измеряемое выходное напряжение, пропорциональное току на измеряемом пути.

При протекании тока по проводу или цепи происходит падение напряжения. Кроме того, вокруг проводника с током создается магнитное поле. Оба этих явления используются при разработке датчиков тока. Таким образом, существует два типа измерения тока: прямое и косвенное. Прямое измерение основано на законе Ома, а косвенное измерение основано на законах Фарадея и Ампера.

Прямое измерение включает измерение падения напряжения, связанного с током, проходящим через пассивные электрические компоненты.

Рис. 2: Схема, поясняющая принцип прямого измерения

Косвенное измерение включает измерение магнитного поля, окружающего проводник, по которому проходит ток.

Рис. 3: Схема, иллюстрирующая принцип косвенного измерения

Генерируемое магнитное поле затем используется для индукции пропорционального напряжения или тока, которые затем преобразуются в форму, подходящую для системы измерения и/или управления.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА НА ОСНОВЕ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1. Измерительные резисторы

Измерение тока означает выработку сигнала напряжения, который представляет ток, протекающий в конкретном интересующем месте цепи. В традиционном способе измерения тока на пути измеряемого тока вводится резистор. Чувствительный резистор может быть включен последовательно с катушкой индуктивности, переключателями и нагрузкой. Таким образом, токовый чувствительный резистор следует рассматривать как преобразователь тока в напряжение.

Рис. 4: Изображение токочувствительного резистора

Токочувствительный резистор должен иметь следующие атрибуты

· Низкое значение для минимизации потерь мощности резистора при пороговом напряжении следующей схемы, которая будет работать на основе полученной информации о токе. В схемах, где имеется усиление, основное внимание уделяется минимизации падения напряжения на резисторе.

Типичные значения сопротивления, используемые в различных ИС управления, составляют 20 м? до 25м? .

· Низкая индуктивность из-за высокого di/dt.

Любая индуктивность в резисторе, при воздействии на него высокой скорости нарастания (di/dt), индуктивное ступенчатое напряжение накладывается на измерительное напряжение и может вызывать проблемы во многих схемах. Следовательно, чувствительные резисторы должны иметь очень низкую индуктивность.

· Жесткий допуск

Для максимизации потребляемого тока в пределах допустимого тока допуск чувствительного резистора должен составлять ±1% или больше.

· Низкотемпературный коэффициент точности

Обычно указывается в частях на миллион на градус Цельсия (ppm/°C). Температурный коэффициент сопротивления (TCR) является важным параметром точности. Следует использовать резисторы с ТКС ближе к нулю во всем рабочем диапазоне.

· Высокая пиковая мощность для работы с кратковременными импульсами сильного тока.

Номинальная мощность является определяющим фактором при выборе подходящей технологии для сенсорных резисторов. Хотя устройство может быть предназначено для измерения постоянного тока, оно часто может испытывать переходные процессы.

Кривая снижения мощности показывает допустимую мощность при различных температурах. Но пиковая мощность зависит от энергии; следовательно, следует учитывать кривую энергетического рейтинга.

· Высокая температура для надежности

Пробу и минусы резисторов для чувствительности тока включает в себя:

Pros:

— Низкая стоимость

— Высокая точность измерений

— измерительный ток от очень низкого до среднего

– Возможность измерения постоянного или переменного тока

Минусы:

– Вводит дополнительное сопротивление в цепь измеряемой цепи, что может увеличить выходное сопротивление источника и привести к нежелательному эффекту нагрузки.

– Потеря мощности из-за рассеивания мощности. Поэтому токоизмерительные резисторы редко используются за пределами приложений для измерения малых и средних токов.

Методы измерения тока

2. Измерение тока с помощью медного резистора

Вместо использования отдельного дискретного резистора для измерения тока часто полезно использовать медную дорожку на печатной плате в качестве резистора с малым сопротивлением для целей текущее зондирование. Этот метод будет иметь меньшие потери мощности, а также позволит сэкономить на покупке и установке дискретного резистора. Но, поскольку сопротивление меди очень низкое, измеряемое напряжение также потребует значительного усиления или увеличения длины резистора за счет площади печатной платы. Другим важным фактором является TCR меди (0,39% / °C), что составляет прибл. 20 % изменение для 50 % повышения температуры.

3. MOSFET-R _DS

МОП-транзисторы действуют как резисторы, когда они «включены» и смещены в омической (ненасыщенной) области. Ток определяется путем измерения напряжения на стоке-истоке MOSFET, если известен R _DS MOSFET. Основными недостатками этой методики являются низкая точность и шумы переключения из-за ненулевых токов затвора при переходных процессах, нелинейность R _{D S} MOSFET, зависимость R _{D S} от Cox, VT и температуры.

4. Sense-FET Technique

Этот практический метод используется для измерения тока во многих новых силовых полевых МОП-транзисторах. Используется чувствительный к току FET параллельно с силовым MOSFET. Эффективная ширина смыслового MOSFET (sense-FET) значительно меньше (~10000 раз), чем силового FET. Точность метода чувствительного полевого транзистора составляет около ±20%. · Безсенсорный метод (наблюдатель)

В этом методе используется напряжение катушки индуктивности для измерения тока катушки индуктивности. Поскольку отношение напряжения к току катушки индуктивности v=L*di/dt, ток катушки индуктивности можно оценить путем интегрирования напряжения по времени. Чтобы избежать насыщения в интеграторе, он периодически сбрасывается, поэтому оцениваются только пульсации переменного тока. Для этого метода также должно быть известно значение L.

Рис. 5: Схема, поясняющая технологию Sense-FET

5. Средний ток

В этом методе измерения тока используется RC-фильтр нижних частот на стыке переключателей преобразователя. Следовательно, напряжение на выходном конденсаторе фильтра является средним напряжением фазного узла. Следовательно, дифференциальное напряжение на входе усилителя равно постоянному напряжению на катушке индуктивности. V _I-Average является функцией R _ESR (сопротивление индуктора) и I _{L_DC} (постоянный ток индуктора).

Рис. 6: Диаграмма, объясняющая средний поток тока

6. -Sense Filter-Sense. Индуктор

. напряжение на катушке индуктивности и измерить ток через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) катушки индуктивности.

Рис. 7: Схема, поясняющая определение дросселя фильтром

Маг. Технология полевого зондирования.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ошибки

Большинство этих проблем можно устранить при обнаружении низкого или среднего значения тока в низковольтных линиях питания, но они могут стать существенными при увеличении тока или напряжения. При попытке измерить токи на более высоких уровнях (> 10 А) или там, где линия питания находится под высоким напряжением (например, 48 В), предпочтительным решением является использование магнитных датчиков тока. Одним из существенных и очевидных преимуществ использования магнитной связи для измерения тока является электрическая изоляция.

В этих датчиках используется магнитопроницаемый сердечник, который концентрирует магнитное поле проводника, возникающее за счет протекания тока в проводнике. Магнитное поле определяется с помощью различных методов:

· Датчики Холла

Принцип эффекта Холла гласит, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, возникает напряжение, перпендикулярное направлению магнитного поля. поле и течение тока.

При пропускании постоянного тока через тонкий лист полупроводникового материала разность потенциалов на выходных контактах отсутствует, если магнитное поле равно нулю. Однако при наличии перпендикулярного магнитного поля ток искажается. Неравномерное распределение электронной плотности создает разность потенциалов на выходных клеммах. Это напряжение называется напряжением Холла. Если входной ток поддерживается постоянным, напряжение Холла будет прямо пропорционально силе магнитного поля.

Рис. 8. Диаграмма, поясняющая принцип половинного эффекта Для сигнала такой величины требуется малошумящий усилитель с высоким импедансом и умеренным коэффициентом усиления.

Рис. 9: Диаграмма, объясняющая половинное напряжение как сигнал низкого уровня в магнитном поле

Датчики Холла основаны на следующих технологиях. Они могут использоваться для измерения постоянного, переменного и импульсного тока с гальванической развязкой между первичной и вторичной цепями

¨ Технология эффекта Холла с разомкнутым контуром

Датчики тока, основанные на этой технологии, представляют собой электронные трансформаторы. Первичный ток I _p создает магнитный поток, а датчик Холла

магнитный поток. Само это напряжение пропорционально I _p усиливается и используется для дальнейшей обработки.

Линейность датчика без обратной связи определяется характеристиками магнитопровода и генератора Холла. Дрейф смещения в зависимости от температуры определяется прежде всего температурной чувствительностью генератора Холла.

¨ Технология Холла с замкнутым контуром

Датчики тока, основанные на этой технологии, также являются электронными трансформаторами. Первичный ток I _с создает магнитный поток, а датчик Холла

Рис. 11: Рисунок, показывающий датчики тока на основе технологии эффекта Холла с замкнутым контуром

, помещенный в воздушный зазор магнитной цепи, обеспечивает напряжение, пропорциональное магнитному потоку. Это напряжение подается на двухтактный каскад драйвера, который приводит в движение катушку, намотанную последовательно на магнитном сердечнике. Таким образом, он создает магнитное поле, равное и противоположное полю воспринимаемого тока: поддерживая уровень магнитного потока вблизи нуля. Вторичный ток нейтрализует создавший его первичный магнитный поток (противодействие). Выход датчика с замкнутым контуром пропорционален току апертуры и количеству витков катушки.

Замкнутый контур позволяет значительно улучшить характеристики датчика за счет устранения влияния нелинейности в магнитном сердечнике и уменьшения влияния температурной чувствительности на элемент Холла

¨ Электронная технология 11: Рисунок, поясняющий датчики тока на основе электронных технологий

В отличие от технологий разомкнутого и замкнутого контура, в них не используется магнитная цепь. Первичный ток I _p создает магнитный поток, а различные датчики Холла, входящие в состав датчика, обеспечивают напряжение, пропорциональное магнитному потоку.

Датчики на основе эффекта Холла не подвержены вносимым потерям (и связанному с этим нагреву и т. д.). Однако частотный диапазон, стоимость, смещение постоянного тока и внешнее питание представляют собой потенциальные недостатки технологии ИС на основе эффекта Холла по сравнению с методами резистивного измерения.

· Катушка Роговского

Это устройство состоит из однослойной катушки, равномерно намотанной на немагнитный сердечник, который либо является гибким, либо сформирован в виде круга, окружающего проводник измеряемого тока. Переменный ток через провод меняет полярность. Изменение полярности вызывает расширение и сжатие магнитного поля, что, в свою очередь, индуцирует ток в обмотках. Затем ток обрабатывается, чтобы сделать его пригодным для измерения или системы управления.

Рис. 12: Схема, демонстрирующая пояс Роговского

Практические реализации этого метода обычно также включают низкочастотный спад для устранения теплового шума и дрейфа. Основное преимущество катушки Роговского заключается в том, что, поскольку сердечник фактически представляет собой воздух, нет магнитного материала для насыщения и выход катушки остается линейным для чрезвычайно высоких токов. Это устройство используется для измерения импульсов тока высокой энергии или переходных процессов с содержанием высокочастотных гармоник, поскольку верхняя полоса пропускания может простираться до мегагерцового диапазона.

· Трансформаторная техника

Трансформаторная техника является расширением технологии катушки Роговского, в которой воздушный сердечник заменяется материалом, который концентрирует магнитный поток внутри катушки. Когда поток содержится внутри катушки, а не проходит через нее, получается прямая зависимость между током катушки и током в проводнике, создающем поле.

Трансформаторы измерения тока обеспечивают важные преимущества по сравнению с простым измерением сопротивления. Они обеспечивают гальваническую изоляцию, исключают вносимые потери и не требуют внешнего источника питания. Меньшее рассеивание мощности трансформатора измерения тока обеспечивает гораздо более высокий уровень сигнала, значительно улучшая отношение сигнал/шум в системе управления.

Трансформаторы тока (ТТ) обычно используются в мощных системах для измерения тока. Основными недостатками являются большие размеры и стоимость, а также невозможность обнаружения постоянного тока.

Рис. 13: Схема, поясняющая использование трансформаторов тока в системах большой мощности

приложения для полевых измерений. Принцип магнитооптических эффектов основан на взаимодействии магнитного поля с явлением преломления и отражения света в прозрачной среде и на ее поверхности. Они обладают собственной невосприимчивостью к электромагнитным помехам и хорошей изоляцией от высоких напряжений

Датчики тока используют магнитооптический эффект Фарадея. Эффект Фарадея вызывает вращение поляризации электромагнитной волны из-за напряженности магнитного поля в прозрачном материале. Индуцированное током магнитное поле приводит к угловому повороту в плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося поперек ферромагнитного материала. Вращение обнаруживается поляризаторами и анализаторами на входе и выходе. Отслеживая вращение падающей поляризации, можно оценить магнитное поле и, следовательно, ток.

Рис. 14: Схема, демонстрирующая волоконно-оптические датчики тока

Величина эффекта дополнительно зависит от постоянной магнитооптического материала (постоянная Верде) и от длины взаимодействия, через которую волна проходит в намагниченном материале .

Чувствительность со стороны высокого и со стороны низкого

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ: ИЗМЕРЕНИЕ СТОРОНЫ ВЫСОКОГО И НИЖНЕЙ СТОРОНЫ в зависимости от размещения чувствительного резистора (между источником питания и нагрузкой или между нагрузкой и землей).

· Измерение тока на стороне низкого напряжения

Определение тока на стороне низкого напряжения подключает чувствительный резистор между нагрузкой и землей. Обычно измеренный сигнал напряжения (V _SEN = I _SEN × R _SEN) настолько мал, что его необходимо усиливать последующими схемами операционных усилителей, чтобы получить измеримое выходное напряжение (V _OUT).

Рис. 15: Рисунок, иллюстрирующий измерение тока на стороне низкого напряжения

a) Преимущества:

¨ Низко входной напряжение общего режима

¨ Наземная входная и выходная установка

¨ простота и низкая стоимость

B) Недостатки:

¨ Нарушение грунтовых путей

¨ Нагрузка на основе системы R _{. SEN} добавляет нежелательное сопротивление к пути заземления.

¨ Высокий ток нагрузки, вызванный случайным коротким замыканием, остается незамеченным

Измерение тока на стороне низкого напряжения следует выбирать, когда обнаружение короткого замыкания не требуется и допустимы помехи на землю.