Типы датчиков постоянного тока

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:

Компактность.
Безопасность в применении.
Высокую точность.
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:

Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
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.

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

Датчик тока: принцип действия и сфера применения

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.

Разъемные датчики тока

Разъемные датчики являются модификацией стационарных датчиков тока и в этом качестве также введены в Госреестр СИ РФ. Удобство применения таких приборов заключается в том, что измерения тока можно проводить без демонтажа уже собранных изделий. Для этого достаточно на токовой шине закрепить разъемный датчик. Габариты устройства колеблются от 85?56?35 мм для датчика ДТР-01 (рис. 4а) до 65?110?114 мм ДТР-03 (рис. 4б) или 131?106?66 мм для датчика ДТР-02 (рис. 4в) под плоскую шину 10?82 мм.

Рис. 4. Внешний вид разъемных датчиков: а) ДТР-01; ,б) ДТР-03; в) ДТР-02

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.

Одна микросхема для создания любого датчика тока

Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

Области применения:

измерение потребляемого тока в батарейном питании;
преобразователи солнечной энергии;
автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю. MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

Отличительные особенности:

программируемый высокоскоростной датчик тока;
концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
защита от перенапряжения и переполюсовки;
бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
программируемый переключатель;
выход термометра;
ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
17-битный номер ID;
диагностика неисправной дорожки;
быстрое время отклика;
огромная полоса пропускания DC – 90 кГц.

Как датчик работает:

MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais® Hall. Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall® чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall®), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall® может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции…). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика (

Измерение небольших токов до ±2 A

Небольшие токи могут быть измерены с помощью MLX91206 за счет увеличения магнитного поля через катушку вокруг датчика. Чувствительность (выходное напряжение по сравнению с током в катушке) измерения будет зависеть от размера катушки и числа витков. Дополнительная чувствительность и снижение чувствительности к внешним полям можно получить, добавив экран вокруг катушки. Бобина обеспечивает очень высокую диэлектрическую изоляцию, делая MLX91206 подходящим решением для высоковольтных источников питания с относительными малыми токами. Выход должен быть расширен, чтобы получить максимальное напряжение для больших токов с целью получения максимальной точности и разрешения при измерениях.

Рис.1. Решение для низкого тока.

Средние токи до ±30 A

С помощью одного проводника, расположенного на печатной плате, могут быть измерены токи в диапазоне до 30 А. При трассировке печатной платы необходимо учитывать допустимый ток и общую рассеиваемую мощность дорожки. Дорожки на печатной плате должны быть достаточно толстыми и достаточно широкими, чтобы непрерывно обрабатывать средний ток. Дифференциальное выходное напряжение для этой конфигурации может быть аппроксимировано следующим уравнением:

Для тока 30 А, на выходе будет примерно 1050 мВ.

Рис.2. Решение для средних величин тока.

Измерение больших токов до ±600 A

Другим методом измерения больших токов на печатных платах является использование толстых медных дорожек, способных проводить ток на противоположной стороне печатной платы. MLX91206 должны быть расположены близко к центру проводника, однако, так как проводник очень широкий, выход менее чувствителен к расположению на плате. Эта конфигурация также имеет меньшую чувствительность в зависимости от расстояния и ширины проводника.

Рис.3. Решение для больших величин тока.

О компании melexis

Созданная более десяти лет, компания Melexis разрабатывает и производит продукцию для автомобильной промышленности, предлагая множество интегральных датчиков, ASSPs и СБИС. Решения Melexis чрезвычайно надежны и отвечают высоким стандартам качества, необходимым в автомобильных применениях.

Датчик тока: принцип действия и сфера применения

Многие устройства, работающие в электрических цепях, требуют проведений точных измерений в режиме реального времени. От точности этих замеров зависит многое: качество процессов регулирования в схемах управления, надежная работа защиты, калькуляция при подсчете потребляемой мощности в электроустановках и т.д. Обычно для таких измерений используют специальные приборы, которые входят в состав основной схемы. К примеру, датчик тока широко используется при работе многих устройств. Он может быть реализован на самых разных элементах, в зависимости от того или иного схемного решения. Остается неизменным только сам принцип его работы – в соответствии с заложенным в него коэффициентом он преобразует сигнал с измерительного трансформатора или иного устройства в сигнал напряжения, который согласован с остальной частью схемы.

Различают датчик тока, который разработан для работы в цепях переменного и, соответственно, постоянного напряжения. В качестве примера можно рассмотреть работу каждого из них. Для переменного напряжения в качестве измерительного элемента обычно используется трансформатор тока. Это бесконтактный прибор, который следит за состоянием контролируемой силовой цепи. Сигнал с него и поступает в датчик тока, цель которого — масштабировать полученный сигнал со схемой управления.

Несколько иначе обстоит дело, если мы имеем дело с постоянным или медленно меняющимся во времени параметром. Вышеописанный трансформатор в такой схеме работать не будет, так как на его выходе мы сможем получить только динамику измеряемого параметра. Обычно в таких схемах используется специальный шунт, с

повышенным по отношению к остальной части электрической цепи сопротивлением. Он монтируется непосредственно в линию. В этом случае снимается падение напряжение на этом участке, которое и будет отдаваться в датчик постоянного тока. Так как входные цепи в такой схеме находятся под высоким потенциалом, то такой датчик выполняет сразу несколько функций. Он гальванически разделяет силовую и измерительные цепи и одновременно масштабирует полученный сигнал. Типовая схема, по которой работает такой датчик тока, состоит из генератора импульсов высокой частоты, разделительного ключа и трансформатора. Поступающий измерительный сигнал преобразуется с помощью генератора и разделительного ключа, собранного обычно на полевом транзисторе. Переменное напряжение, преобразованное таким образом, передается в разделительный трансформатор. После этого оно фильтруется и усиливается в зависимости от коэффициента, заложенного при проектировании.

Несколько иной принцип работы заложен в так называемый датчик тока Холла. Он измеряет напряженность магнитного поля, которое возникает по причине протекания тока в проводнике, и преобразует его в выходной сигнал по напряжению. Особенностью его работы является то, что он универсален и способен нормально функционировать в любых цепях. Такие датчики компактны и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками.

Готовый ДТ MLX91206

Кумулятивная схема, где используется тончайший слой ферромагнитоструктуры или ИМС. Последний выступает в качестве коммутатора магнитполя, обеспечивая тем самым, высокое усиление и наладку эквивалентности шумосигнала. Более актуален этот вариант ДТ для измерения постоянно-переменного напряжения до 90 кгц с изоляцией омического свойства, что характеризуется незначительными внедряемыми потерями и малым временем отклика.

Схема включения датчика тока MLX91206

Кроме того, из преимуществ можно выделить простоту сборки и маленькие размеры фюзеляжа.

ДТ MLX91206 – это регулятор, который пока удовлетворяет спрос в автопромышленности. Помимо этого, ДТ этого типа применяется в других источниках питания: для защиты от перегрузки, в двигательных системах и т.д.

Чаще всего ДТ на микросхеме MLX91206 применяется в гибридных автомобильных системах, как автоинверторы.

Интересно и то, что датчик этот оснащен качественной защитной системой от перенапряжения, что позволяет использовать его в качестве отдельного регулятора, интегрированного к кабелю.

Принцип функционирования датчика подобного типа основан на преобразовании магнитполя, возникаемого от токов, проходящих сквозь проводник. Схема не имеет верхнего ограничения измеряемого уровня напряжения, так как выход и его параметры в данном случае зависят от проводникового размера и непосредственной дистанции от ДТ.

Что касается отличий этого типа ДТ от аналогичных:

Скорость аналогового выхода, которая выше (этому способствует ЦАП 12 бит).
Наличие программируемого переключателя.
Надежная защита от переплюсовки и перенапряжения.
Выход ШИМ с разрешением АЦП 12 бит.
Большущая полоса пропускания, параметры которой равны 90 кГц и многое другое.

Одним словом, ДТ этого типа является компактным и эффективным датчиком, изготовленным по технологии Триасис Холл. Технология подобного типа считается классической и традиционной, она чувствительна к плотности потока, который приложен четко параллельно поверхности.

Уникальное решение для измерения больших величин тока

Измерения, которые удается провести с помощью готового датчика, изготовленного по технологии Триасис Холл, делятся на измерения небольшого напряжения до 2 А, тока средн. величины до 30 А и токов до 600 А (больших).

Рассмотрим подробнее возможности этих измерений.

Малые токи измеряются с помощью датчика за счет повышения параметров магнитполя через катушку вокруг ДТ. В данном случае чувствительность измерения будет обусловлена габаритами катушки и кол-вами витков.
Токи в диапазоне до 30 А или средние токи измеряются с учетом допустимости напряжения и общей рассеиваемости мощности дорожки. Последние обязаны быть довольно толстыми и широкими, иначе непрерывной обработки среднего тока достичь не удастся.
Наконец, измерение больших токов – это использование медных и толстых дорожек, способных приводить напряжение на обратной стороне печатной платы.

Источник