Датчики тока и напряжения

Под датчиком в технике обычно понимают устройство, выдающее информацию о параметрах системы. В силовых электронных аппаратах наиболее широко распространены датчики электрических параметров: тока и напряжения. Реже применяют датчики частоты, мощности, датчики нуля тока или напряжения.

Простейший датчик напряжения, наиболее широко применяемый в регуляторах постоянного тока, состоит из двух резисторов, соединенных по схеме делителя (рис. 3.15). На вход поступает контролируемое напряжение t/_BX, а выходное напряжение t/_BbIX пропорционально входному через коэффициент датчика.

Основные достоинства датчика на основе делителя — простота, надежность, линейность характеристики и безынерционность. Однако часто возникает необходимость обеспечения гальванической развязки между контролируемой цепью и системой управления. В частности, гальваническая развязка может обеспечиваться оптоэлектронной парой, состоящей из светоизлучающего и фотоприемного элементов. В схеме датчика с опторазвязкой (рис. 3.16) интенсивность свечения светодиода пропорциональна входному напряжению, а значение выходного напряжения определяется фототранзистором, который управляется световым потоком светодиода. Основной недостаток этого датчика заключается в том, что характеристика оптопары является нелинейной. В настоящее время в датчиках широко применяются интегральные оптопары, содержащие в одном корпусе светоизлучатель и фотоириемник, разделенные светоирозрачным материалом с высокой изоляционной способностью. Существуют изолированные усилители с встроенной оиоразвязкой, способные осуществлять передачу аналоговых сигналов. Эти усилители, выполненные в виде одной микросхемы, обладают хорошей линейностью, а частота пропускаемого сигнала составляет до сотен килогерц.

Рис. 3.15. Простейший датчик напряжения

Рис. 3.16. Датчик напряжения на основе оптопары

Датчики переменного напряжения, как правило, включают в себя маломощный понижающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку силовых цепей и системы управления. Для датчиков синусоидального напряжения характерно наличие выпрямителя с емкостным фильтром. Если входное напряжение синусоидально, то напряжение на конденсаторе пропорционально амплитудному, среднему и действующему значению контролируемого напряжения. Если входное напряжение искажается, то эти зависимости нарушаются. Поэтому для несинусоидальных сигналов датчики действующих и средних значений напряжений содержат функциональные блоки (интеграторы, перемножи гели и др.), необходимые для вычисления соответствующих значений.

Основой простейшего датчика постоянного тока является шунт (резистор) с низкоомным сопротивлением. Часто в цепях используется шунт, падение напряжения па котором при протекании номинального тока составляет определенное стандартное значение (например, 75 мВ). Низковольтный сигнал, снимаемый с шунта, как правило, усиливается. Усилитель позволяет сделать шунт более низкоомным и повысить КПД устройства (рис. 3.17). Для обеспечения гальванической развязки в датчиках постоянного тока применяются те же устройства, что и в датчиках постоянного напряжения. Помимо этого применяются различные типы магнитных усилителей и трансформаторов постоянного тока.

Рис. 3.17. Датчик постоянного тока с транзисторным усилителем.

Датчики переменного тока изготавливаются на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого замкнута на резистор. При этом напряжение на резисторе пропорционально току первичной обмотки. Для получения постоянного сигнала, пропорционального среднему или действующему значению переменного синусоидального тока, применяют схемы выпрямления (рис. 3.18), аналогичные схемам датчиков напряжения.

Рис. 3.18. Датчик переменного тока на основе трансформатора тока.

Широкое распространение получили датчики, основанные на эффекте Холла. В силовых электронных устройствах они чаще всего используются для измерения переменного и постоянного тока или напряжения с гальванической развязкой. Основным элементом этих датчиков является тонкая прямоугольная пластина полупроводника с четырьмя электродами. Одна пара контактов подключена к коротким сторонам пластины для подведения тока управления. Эти контакты называются токовыми электродами. Другая пара контактов располагается посередине длинных сторон и нредназначена для съема напряжения. Они называются холловскими или выходными электродами. Если пластину пронизывает магнитный поток, то под действием силы Лоренца подвижные носители зарядов образуют ток управления, что приводит к изменению числа носителей зарядов на концах пластины. Так возникает напряжение Холла на выходных электродах.

В датчиках тока прямого усиления (рис. 3.19) магнитное поле создается измеряемым током /_вх. Ток управления /_упр подается с помощью стабилизированного источника тока. Напряжение Холла, зависящее от /_вх, преобразуется усилителем в выходной ток датчика /_вых. Такие датчики позволяют измерять токи до нескольких сотен ампер.

Рис. 3.19. Принцип работы датчика тока, основанного на эффекте Холла.

Датчики тока компенсационного типа или датчики с нулевым потоком имеют встроенную компенсационную цепь, которая позволяет существенно улучшить характеристики датчиков. Выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, действует как сигнал обратной связи. Благодаря его действию результирующий магнитный поток в магнитопроводе практически отсутствует. Компенсационные датчики способны измерять токи от нескольких ампер до нескольких сотен тысяч ампер. Они выделяются высокой точностью, хорошей линейностью, малым температурным дрейфом, малым временем отклика и широким частотным диапазоном. Датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, базируются на тех же принципах, что и датчики тока.

Датчики частоты основываются на различных схемах фильтров, имеющих частотно-зависимые характеристики. Для определения моментов перехода переменного тока или напряжения через нуль используют различные типы сравнивающих устройств (компараторов).

Датчик мощности, как правило, имеет два чувствительных элемента и функциональный блок перемножения сигналов тока и напряжения. Для получения средних и действующих значений могут применяться интегрирующие, перемножающие и другие устройства.

Часто современные датчики оснащаются встраиваемыми микроконтроллерами. Это позволяет, во-первых, улучшить характеристики датчиков за счет математической обработки информации непосредственно в процессе измерения и активного управления измерением, а во-вторых, упросить передачу данных в систему управления.