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:
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:
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:
Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:
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:
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:
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.
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
Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов
Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.
Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, «измеритель тока» будет более точным названием, чем «контроллер тока», но даже «измеритель тока» – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.
В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем «преобразователь ток-напряжение», но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее «преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания» («current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications», или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.
Зачем?
Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.
Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.
Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.
Схема
CTVC. представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием «Op Amp Circuit Collection», опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:
Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная
И моя реализация схемы в LTspice:
Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice
На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:
Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:
Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия
Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:
Что именно делает PNP транзистор?
Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.
Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях «включить или выключить», и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).
Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки
Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (
0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего
50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного
4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного
50 мВ, приведена ниже:
Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база
Эффективность
Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что «V_collector» совпадает с Vвых).
Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки
Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.
Заключение
Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.
Компоненты для измерения тока
Измерение тока используется для контроля над разными параметрами, один из которых — мощность на нагрузке. Существует немало считывающих элементов для измерения тока через нагрузку. Их выбор диктуется потребностями каждого конкретного устройства, а также величиной измеряемого тока. Мы обсудим в этой статье три разных типа считывающих компонентов для измерения тока.
1. Шунтовые резисторы
Шунты и шунтовые резисторы — простейший вариант токочувствительных элементов. Необходимо лишь помнить о температурном коэффициенте сопротивления (ТКС) резистора и избегать его нагрева. Напомним эмпирическое правило выбора токочувствительного резистора: его максимально допустимая мощность должна не менее чем в два раза превышать рабочую мощность рассеивания.
Изменение температуры резистора в зависимости от величины протекающего через него тока прямо пропорционально отношению номинальной мощности к рассеиваемой.
При выборе токочувствительного резистора необходимо учитывать тепловое сопротивление его корпуса. Этот параметр, представляющий собой тепловое сопротивление между резистором и его внешней поверхностью, является основным показателем, который определяет повышение температуры резистора. В таблице перечислены тепловые сопротивления стандартных корпусов для поверхностного монтажа.
Ширина проводника
При проектировании печатной платы необходимо, чтобы ее медные проводники выдержали максимальный ток, необходимый для устройства.
Для каждого устройства необходимо найти разумный компромисс между толщиной, шириной проводников и стоимостью.
Топология
Длина проводников между токоизмерительным резистором и измерительной схемой должна быть как можно меньше, чтобы уменьшить не только сопротивление проводника, но и его паразитные емкость и индуктивность, которые могут внести погрешность в показания быстроменяющегося тока.
Подключение сигнальных проводников к токочувствительному резистору
Рекомендуется использовать токочувствительный резистор с четырьмя
выводами. Если по какой-либо причине применяются резисторы с двумя выводами, то сигнальная шина должна находиться под токочувствительным резистором в том месте, где он соединяется с контактной площадкой печатной платы.
Во многих случаях ширина токочувствительных резисторов меньше ширины токонесущих шин. Проводники соединяются с этими шинами под углом 45°, чтобы обеспечить равномерное протекание тока.
Магнитные помехи
Величина генерируемого проводником магнитного поля прямо пропорциональна току через проводник и обратно пропорциональна расстоянию до точки измерения. Необходимо помнить, что сигнальные проводники с высоким импедансом не должны располагаться параллельно проводникам с большим током. Следует избегать пересечения проводников с большими токами. Если это невозможно по какой-то причине, рекомендуется располагать эти проводники перпендикулярно друг другу и пересекать тот слой, который наиболее удален от сигнального проводника, чтобы ограничить влияние помех.
2. Схемы с активными сопротивлениями
Рассмотрим проектирование токочувствительных схем с активными сопротивлениями (direct current resistance, DCR), которые не вызывают дополнительных потерь на измерительной цепочке.
Как правило, схемы с активными сопротивлениями используются в низковольтных устройствах, в которых падение напряжения на токочувствительном резисторе составляет значительную долю от величины напряжения питания, подаваемого на нагрузку.
Схема измерения тока с активным сопротивлением представляет собой альтернативу токочувствительным резисторам. В ней используется паразитное сопротивление индуктора для измерения тока нагрузки. Эта схема дистанционно измеряет ток через дроссель импульсной цепи регулятора. Благодаря отсутствию компонентов, установленных последовательно регулятору на нагрузке, схема работает без потерь.
У правильно согласованной DCR-схемы эффективный импеданс со стороны АЦП равен сопротивлению индуктора. На рисунке представлена простая схема с активным сопротивлением для измерения тока нагрузки понижающего импульсного преобразователя.
Проектирование DCR-схемы, не оснащенной функцией регулировки, увеличивает погрешность измерений до 35%, что связано с разбросом значений индуктивности и емкости в этой схеме. В некоторых случаях погрешность измерений может увеличиваться до 50%. Но использование простой выравнивающей схемы с энергонезависимыми цифровыми потенциометрами (digital potentiometers, DCP) существенно повышает точность измерения тока.
Итак, DCR-схемы не вносят потерь и занимают мало места на печатной плате. Поскольку эти решения требуют настройки для правильного функционирования, необходимы дополнительные меры при изготовлении устройств на их основе. Большие допуски на отклонения значений реактивных компонентов могут привести к большому разбросу значений между эффективными сопротивлениями схем. Большие температурные коэффициенты индукторов и конденсаторов увеличивают погрешность схемы. В целом, архитектуру схемы с активным сопротивлением можно считать хорошей для измерения больших токов.
3. Датчики Холла
Рассмотрим датчики Холла. Как правило, эти датчики, предназначенные для сильноточных устройств, определяют ток через проводник путем измерения индукции его магнитного поля. Поскольку измерение тока осуществляется дистанционно, считается, что датчики Холла работают без потерь. Эти устройства предназначены для систем с током выше 200 А, т.к. мощность, рассеиваемая токочувствительным резистором, достаточно велика.
На рисунке иллюстрируется базовая концепция метода измерения тока на основе эффекта Холла. В этой схеме ток через проводник определяется путем измерения индукции генерируемого им магнитного поля В. Величина поля прямо пропорциональна протекающему току и определяется его направлением.
Линейные датчики Холла являются активными схемами, потребляющими ток 3-10 мА. Уровень шума этих датчиков составляет около 25 мВ, или 5 Гс. Данные устройства не годятся для устройств с малыми токами или большими расстояниями между проводником и датчиком из-за большого шума и потребляемого тока.
Условия, в которых эксплуатируются сигнальный проводник и датчик, следует учитывать при измерении слабых магнитных полей. Линейные датчики Холла измеряют суммарное магнитное поле в месте нахождения самого датчика. Проводники с током, расположенные рядом с датчиком, изменяют величину измеряемого магнитного поля, ухудшая точность показаний. Датчик также реагирует на другие внешние магнитные поля, возникающие при переключении двигателя или любого другого генерирующего энергию устройства.
Для ограничения влияния внешних магнитных полей на датчики используется магнитный экран, который окружает проводник с током. На рисунке показан пример использования металлического кожуха (клетки Фарадея), экранирующего проводник и датчик.
Недавно на рынке появились датчики Холла с интегрированным проводящим каналом, цепью компенсации и защитным экраном. Интеграция проводящего канала в датчик облегчает расчет выходного сигнала в функции тока через проводник. Однокристальное решение упрощает схему устройства и разработку приложения по измерению тока с помощью датчика Холла.
Несмотря на то, что за последнее время конструкция датчиков на эффекте Холла была усовершенствована, их точность и защита от помех увеличились, применение этой технологии ограничено сильноточными устройствами. Датчики Холла рассеивают меньшую мощность, чем шунтовые резисторы.
Шунтовые резисторы — наиболее распространенные токочувствительные элементы благодаря простоте схемного решения и его стоимости, а также точности измерений. DCR-схемы предназначены для устройств с импульсными регуляторами и малыми регулируемыми выходными напряжениями благодаря дистанционному измерению тока. Наконец, датчики Холла предназначены для сильноточных устройств, поскольку рассеиваемая ими мощность меньше, чем у решений на основе шунтовых резисторов.
У каждого из трех рассмотренных решений имеются свои преимущества и недостатки. Из-за того, что шунтовые резисторы рассеивают мощность, энергоэффективность решений на основе этих компонентов сравнительно невелика. К тому же в устройствах с низким напряжением величина падения напряжения на токочувствительном резисторе может быть соизмерима с рабочим напряжением, что недопустимо. Работа схемы с использованием активного сопротивления (DCR) зависит от согласования конденсатора и индуктора. Оба компонента имеют большие допуски и высокие температурные коэффициенты. Датчик Холла восприимчив к окружающему шуму, и его применение осложняется недостатками схемы. Несмотря на усовершенствование этой технологии, до сих пор ограничивающим фактором на пути ее применения остается точность измерений.
Простой расчет трансформаторов тока и датчиков тока для схем защиты ИИП
Трансформаторы тока используются в схемах защиты силовых ключей от перегрузки по току в импульсных источниках питания (ИИП). Еще одним фактором применения трансформатора тока в ИИП является необходимость потенциальной развязки цепей схемы управления ИИП и цепей силовой части. Поэтому их расчет является актуальным при создании ИИП.
В данной статье мы рассмотрим детально простой расчет трансформаторов тока одно и двухтактных ИИП.
Расчет однотактного трансформатора тока.
Исходные данные.
Рисунок 1. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты верхнего силового ключа с помощью трансформатора тока в ШИМ регуляторе тока нагрузки.
Данное решение применимо для так же и для понижающего ИИП.
Расчет.
Для выбора сердечника трансформатора тока руководствуемся следующими рекомендациями.
Для высокочастотных (десятки-сотни кГц) ИИП в качестве материала сердечника применяются в основном ферриты. Тип сердечника может быть любой, но предпочтение отдается кольцевым сердечникам. Кольцевой сердечник легко можно одеть на силовой провод или на вывод компонента ИИП. Например, в блоках питания персональных компьютеров часто встречается такое конструктивное решение. Трансформатор тока там установлен на выводе разделительного конденсатора.
Провод, напрямую пропущенный сквозь кольцо, представляет собой 1 виток.
Sст – сечение сердечника в квадратных миллиметрах.
Uдт – рабочее напряжение на датчике тока, вольт.
tимп.макс. – максимальная длительность импульса в микросекундах.
dB – перепад магнитной индукции за время импульса, Тесла.
Рекомендация по выбору dB.
Для однотактных применений dB не должно превышать значения 0,05 Тл. Иначе сердечник может войти в насыщение и форма импульса на датчике тока будет далека от реальной.
Выбор сердечника обязательно должен учитывать способ крепления трансформатора тока. Например, если трансформатор тока крепится винтом, то внутренний диаметр сердечника должен позволить поместить обмотки, винт, изоляцию. При таком способе крепления винт можно использовать в качестве витка первичной обмотки.
Фильтр низких частот R1 – C2 предназначен для фильтрования высокочастотных помех, неизбежно появляющихся при переключении силового ключа.
Еще одной из главных причин применения трансформаторов тока является выделение большой мощности на датчике тока при бес трансформаторной схеме. В сильноточных ИИП применение в качестве датчика тока просто резистора приводит к выделению мощности на нем в несколько ватт.
В качестве примера рассмотрим случай, когда ток ключа составляет 10 А и в качестве датчика тока применяется просто резистор. Остальные исходные данные такие же, как в нашем расчете приведенном выше. Тогда для обеспечения Uдт=0,7 В датчик тока должен иметь сопротивление
Мощность выделяемая на датчике тока составит PR_дт = (7,07 2 )*0,07=3,5 Вт.
Для надежной работы ИИП придётся установить резистор мощностью не менее 5 ватт. Применение в этом случае трансформатора тока приведет к сокращению мощности выделяемой на датчике тока в десятки раз.
Расчет окончен.
Моделирование работы однотактного трансформатора тока в программе Multisim.
Как видно из скриншота, Пробник 1 (подключен к нагрузке) показывает амплитуду тока через нагрузку 3,01 А. Пробник 2 (подключен к датчику тока) показывает амплитудное значение тока через датчик тока 100 mА. Действующее значение тока 70,8 mА. Амплитуда напряжения на датчике тока 751 mВ. Частота 20 кГц. Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 37,4 милливатт. Все значения подтверждают расчет.
Рисунок 3. Осциллограммы напряжения на датчике тока и конденсаторе фильтра.
Как видно из осциллограмм амплитуда напряжения на датчике тока составляет 751 mВ и соответствует расчету. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.
ВАЖНО! При установке трансформатора тока в однотактных ИИП необходимо соблюдать фазировку обмоток! Иначе импульс напряжения на датчике тока будет иметь минусовую полярность, и схема защиты работать не будет.
Расчет двухтактного трансформатора тока.
Исходные данные.
Максимальный ток силовых ключей Iкл_max=2 А .
Напряжение срабатывания схемы защиты Uзащ=1 В .
Рисунок 4. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока в полу мостовом ИИП.
Расчет.
Рабочее напряжение на датчике тока должно учитывать падение напряжения на двух диодах выпрямителя. Для быстродействующих импульсных диодов падение напряжения в открытом состоянии при малых токах составляет около 0,7 В.
Определяем требуемое сечение сердечника.
Рекомендация по выбору dB.
У феррита марки 2000НМ1 значение магнитной индукции насыщения составляет 0,34 Тл. Максимальное рабочее значение магнитной индукции составляет 0,31 Тл. Однако при таком значении индукции и высокой частоте переключения потери в сердечнике значительны. Производители ферритов нормируют значение потерь при максимальной индукции 0,2 Тл и частоте 16 кГц. При этом считается, что потери в сердечнике приемлемы и не вызывают сильного перегрева сердечника. Поскольку у нас частота переключения составляет 40 кГц, необходимо максимальное рабочее значение индукции снизить еще. Поэтому выбираем максимальное рабочее значение магнитной индукции
Регулировочный резистор R3 позволит произвести настройку порога срабатывания. Номинал резистора R3 должен быть много больше номинала резистора датчика тока. Это необходимо для исключения влияния сопротивления резистора R3 на формирование падение напряжения на датчике тока R1. Поэтому выбираем номинал резистора R3 – 1 кОм, что много больше номинала R1.
R1 = 1041 – 500 = 541 Ом. Выбираем значение резистора R1=510 Ом.
Фазировку обмоток при установке трансформатора тока в двухтактных ИИП соблюдать нет необходимости.
Моделирование работы двухтактного трансформатора тока в программе Multisim.
Как видно из скриншота, Пробник 1 (подключен к коллектору верхнего транзистора) показывает амплитуду тока через ключ 2,02 А. Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 236 милливатт. Эти значения соответствуют исходным данным и расчету.
Как видно из осциллограммы амплитуда напряжения на датчике тока составляет 3,049 В и соответствует расчету. Небольшое падение амплитуды напряжения на датчике тока к концу импульса обусловлено частичным зарядом разделительного конденсатора.
Осциллограмма напряжения на регулировочном резисторе полностью повторяет форму тока обеих ключей. Амплитуда напряжения на регулировочном резисторе составляет 1,657 В. Это значение немного выше расчетного в 1,5 В. Амплитуда напряжения на конденсаторе фильтра составляет 788 mВ, что очень близко к расчету. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.
Существует еще одно схемное решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока в двухтактном ИИП. Оно связано с применением выпрямителя со средней точкой. Для этого вторичную обмотку трансформатора тока необходимо намотать со средней точкой. Этот прием сократит количество диодов до двух.
Рисунок 8. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока со средней точкой в полу мостовом ИИП.
В этом случае меняется расчет датчика тока.
Таким образом для получения требуемого уровня сигнала для схемы защиты напряжение на датчике тока должно быть равно
Моделирование проведем по упрощенной схеме.
Рисунок 9. Модель с трансформатором тока со средней точкой.
Полумостовой ИИП заменен на биполярный источник тока с амплитудой 2 ампера.
Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 179 милливатт. Это значение очень близко к расчетному.
Как видно из осциллограммы амплитуда напряжения на датчике тока составляет 4,51 В и соответствует расчету.
Амплитуда напряжения на регулировочном резисторе составляет 1,607 В. Это значение чуть выше расчетного в 1,5 В. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Амплитуда напряжения на конденсаторе фильтра при 50% повороте движка R3 составляет 0,803 В. Это чуть выше расчетного значения. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.
