Диод как датчик тока

Диод как датчик тока

В электрооборудовании транспортных средств и в промышленном электрооборудовании для контроля включения элементов нагруз­ки используются сигнальные устройства в виде контрольной лампы накаливания или светодиодные индикаторы. Контрольные элементы, выполненные в устройствах на светодиодных индика­торах, которые отличаются малыми габаритами, низким потреб­лением тока, большим сроком эксплуатации и низкой ценой его себестоимости, находят все большее применение в настоящее время. Появление низковольтных светодиодов поистине дало толчок к разработке различных контрольных устройств, выпол­ненных на самых различных схематических решениях.

В основном на транспортных средствах контроль включения сиг­нальной лампы осуществляют пу­тем пропускания тока от источни­ка питания через последователь­ную цепь герконового реле и сиг­нальной лампы Ток, протекая по замкнутой цепи, своим действием замыкает контакты реле, через ко­торые плюс источника питания по­дается на управляющий электрод транзистора а его переход коллек­тор-эмиттер, открываясь проводя­щим участком, замыкает цепь пи­тания контрольной лампы [1].

Рассмотрим недостатки такого контроля.

Герконовое реле осуществляет контактное включение и имеет ма­лый зазор между контактами, по­этому он ограничен по напряже­нию, а также ограничен по току и относительно высока его себесто­имость. Кроме реле в устройство контроля дополнительно входит промежуточный элемент-транзи­стор, который уязвим к темпера­турному режиму.

Предлагается вариант альтер­нативного контроля включения на­грузки на диодном датчике тока, суть которого заключается в том, что нагрузку подключают к источ­нику питания через один или два диода или группу встречно вклю­ченных диодов, параллельно кото­рым подключают контрольный све- тодиод или светодиод оптопары. Ток, протекающий через диод или диоды, создает падение напряже­ния на них, что является источником питания для светодиода. В каче­стве датчиков тока удобно исполь­зовать диоды, так как падение на­пряжения на переходе анод-катод диода стабильнее в отличие от резисторов и индуктивных элементов цепи, это особенно заметно в мо­мент включения холодной лампы накаливания, а также диодные дат­чики тока развязывают параллель­ные цепи нагрузок, что позволяет расширить возможность контроля. Диодный датчик тока выбирают на номинальный ток нагрузки, ко­торый должен быть быстродейству­ющим, опережать по проводимос­ти светодиоды и соответствовать по падению напряжения. При боль­шем падении напряжения на диод­ном датчике тока светодиод под­ключают через токоограничивающий резистор или диод, так как различные диоды имеют различ­ные падения напряжения на пере­ходах, поэтому с ними удобнее под­бирать условия для работы, в том числе это относится и к датчику тока на диоде.

На рассматриваемых схемах (см рис. 1 и рис. 3) датчики тока приводятся с двумя последователь­но включенными быстродействую­щими диодами типа КД226А(Д), а контрольные светодиоды — типа АЛ307; падение напряжения на двух этих диодах при токе нагруз­ки 0,5. 0,8 А равно 1,5 ..1,6 В, что соответствует номинальному на пряжению питания этих светодио­дов. С этими диодами контрольные светодиоды включаются равномерно, без вспышек, в отличие от низко­частотных диодов.

На схеме чертежа рис. 1 через датчики тока 1 и 2 к цепи источни­ка питания подключаются две па­раллельные лампы накаливания, к примеру, стоповые сигнальные или освещение заднего хода. Диоды VD 5, VD 6 служат для защиты све­тодиодов HL 1 , HL 2 от импульсного тока обратного напряжения, возни­кающего при частой коммутацией реле К1.1.

По схеме рис. 1 авторы подклю­чили такое устройство для контро­ля включения освещения заднего хода на своем автомобиле Иногда на некоторых автомобилях, вслед­ствие люфтов на тягах переключе­ния передачи, не всегда нажимает­ся нормально разомкнутый конеч­ный выключатель включения осве­щения заднего хода или включает­ся при езде вперед, и это приводит к неуверенности водителя и лишне­му беспокойству, к тому же это уст­ройство облегчит процесс наладки.

Устройство контроля (см. рис. 2) отличается тем, что параллельно к датчику тока на встречно включен­ных диодах подключен светодиод оптопары U 1, а его транзистор че­рез промежуточный другой транзи­стор VT 1 включает контрольную лампу КЛ1 или звуковой сигнал. Один или два силовых диода на датчике тока создают падение на­пряжения для питания светодиода оптопары а встречно включенный диод служит защитным элементом д ля светодиода. На данной схеме рассмотрен контрольный элемент, подключенный параллельно датчи­ку тока светодиод оптопары U 1 типа РС817 ( SHARP ), максималь­но допустимое напряжение на этом светодиоде оптопары 1,5 В, а ми­нимально рабочий — около 1 В. Для такого светодиода реально можно построить диодный датчик тока на одном диоде.

Подобно светодиодам к диод­ным датчикам тока могут подклю­чаться усилительные устройства Для контроля включения нагрузки наверняка это будет не целесооб­разно, возможно, подойдет для других целей, к примеру, времен­ное устройство, которое начнет от­счет времени для последующих действий после включения нагруз­ки Rh .

При востребовании таких диод­ных датчиков тока для устройств контроля промышленность всегда может на базе любого диода изго­товить их в одном целом и удобном исполнении, со схемой защиты све- тодиодов. Сами светодиоды, к при­меру, могут быть подобраны на на­пряжение питания до 1 В для рабо­ты с диодным датчиком тока, пост­роенным на одном диоде.

На рис. 3 приведена схема уст­ройства контроля включения элек­тромагнита в источнике питания переменного напряжения. Диодный датчик тока выполнен из встречно включенных силовых диодов. В ос­новном в промышленном оборудо­вании осуществляют контроль включения напряжения питания на

эти исполнительные устройства пу­тем параллельного подключения к нагрузке контрольной лампы или светодиодного индикатора, однако это не дает полной картины состо­яния электромагнитного устрой­ства. Некоторые станки с гидро­приводами, гидравлические и пневматические стенды имеют де­сятки электромагнитных устройств, которые включаются в технологи­ческом цикле. Наличие такого кон­троля значительно бы облегчило работу оператору, а техническому персоналу помогло в поиске неисп­равности и наладке оборудования.

На рис. 4 приведена схема уст­ройства альтернативного варианта контроля включения нагрузки Rh , отличающаяся тем, что к конт­рольной точке вывода элемента на­грузки Rh и общей точке корпуса параллельно малому сопротивле­нию участка нагрузки Rh подклю­чены через ограничительный кон­денсатор С1 и токоограничиваю- щий резистор R 1 контрольный све­тодиод HL 1 и защитный стабилит­рон VD 1. Вся эта контролирующая цепь может подключаться также без конденсатора С1 или без рези­стора R 1.

Малое сопротивление участка нагрузки Rh должно составлять пропорциональную величину паде­ния напряжения участка контроли­рующей цепи,которое в несколько десятков раз меньше напряжения 220 В, а ток, протекающий через контрольную цепь, составляет ме­нее 20 мА, что фактически не ощу­тимо для большинства нагрузок.

1. Ю Л Тимофеев, Г.Л. Тимофеев, Н.М. Ильин. Электрооборудование авто­мобилей. Устранение и предупреждение неисправностей. — М., Транспорт, 2000.

2. А.Г Алексеев. Устройство для контроля и диагностики сигнальной лам­пы, патент на полезную модель №68995, 12. 2007 г.

3. А Алексеев Панель контроля и диагностики сигнальных ламп на транс­портных средствах. Часть 2. — Радиолюбитель, 2008, №2, стр. 14-17.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

Видео по теме

Источник