Читать все новости ➔ Электронный датчик - это прибор, изменяющий свое состояние в зависимости от внешних воздействий и преобразующее их кинетическую, механическую, акустическую (и др.) энергию в электрический ток. В статье описываются варианты изготовления и применения датчиков различного назначения. Почти любой датчик может быть изготовлен несколькими разными способами. Даже в обычных бытовых и «полевых» условиях можно изготовить простые датчики самостоятельно, без потери их качества. Сами по себе датчики являются только частью электрического устройства (как элемент - частью схемы). Радиолюбительские датчики применяются повсеместно в непрофессиональной аппаратуре, изготовленной самими радиолюбителями. Механические датчики На рис.1 показан вариант плоского механического датчика. Монтируя один или несколько таких датчиков под любым современным (мягким) «половым» покрытием, к примеру, ковролином, линолеумом, или, как иной вариант, даже под обоями на стене, удается необычным образом управлять нагрузкой в электрической цепи 220 В, например освещением. Такой вариант уместен в прихожей, там, где «половые» механические датчики, представляющие собой две проводящие электрический ток пластины - плоские кнопки на замыкание, являются элементами электронного устройства, управляющего слаботочным электромагнитным реле, включающим освещение. В качестве примера простейших механических датчиков промышленного изготовления с контактами на замыкание приведу пример участка плоской клавиатуры (калькулятора или иного устройства). Как видно из рис.1, на плотную фольгу (толщина листа 1 мм) накладывают картон (толщина 1...2 мм) с прорезанным внутри отверстием, а уже сверху на него накладывают еще один слой фольги. К токопроводящей фольге (вполне подходит плотная фольга на бумажной основе) аккуратно припаивают тонкие гибкие проводники, к примеру, провод МГТФ-0,07. Весь получившийся «бутерброд» затем ламинируют для механической надежности датчика и изоляции его от внешней среды, включая возможную влажную среду. Ламинировать можно с помощью специальной пленки (продается в магазинах канцтоваров) для ламинаторов. Вариант ламинирования двух электрических пластин с диэлектриком между ними В качестве материала для альтернативного ламинирования используют полиэтиленовую папку-карман для бумаг или школьных принадлежностей - ее нужно разрезать по размеру датчика, вложить фольгу и картон внутрь и через тряпочку прогладить утюгом. Можно просто обклеить датчик скотчем. Если в схеме управления используются помехоустойчивые элементы, то длина соединительных проводов от датчиков до элементов электрической схемы может составлять несколько метров. Если изготовить такой датчик в несколько слоев, чередуя проводник и диэлектрик, то получившийся «толстый бутерброд» можно использовать как датчик силы воздействия (нажима), или даже как датчик взвешивания людей (прообраз напольных весов). Вариантов применения механического плоского датчика много, а его особенностью, как рассмотрено выше, является возможность легкой маскировки. Плоский датчик надежен и долговечен. Акустические датчики На рис.2 и рис.3 показаны две разные электрические схемы весьма чувствительного акустического датчика, вырабатывающего пачки импульсов при звуковом воздействии, отличном от спокойного акустического фона. Схема на операционном усилителе (рис.2) использует в качестве датчика воздействия пьезоэлемент. Чем больше площадь стекла (охраняемой зоны), тем более чувствительным должен быть датчик. Он может применяться для охраны со стороны внешних стекол и витрин в магазинах и офисах. Чем больше сопротивление резистора R4 на входе компаратора, тем чувствительнее схема. С выхода компаратора (вывод 6) импульс поступает на ключевую схему. Конденсатор C1 (К50-24, К50-29, К50-35) фильтрует помехи по питанию. В таких микрофонах находится угольный порошок, очень чувствительный к сотрясениям и звуковым волнам, он изменяет сопротивление микрофона по постоянному току. Эти импульсы и улавливает усилитель на транзисторах VT1-VT4. Транзисторный усилитель НЧ собран таким образом, что коэффициент усиления второго каскада вдвое больше, чем у первого. На электрической схеме показан усилитель с большой чувствительностью, однако, если такая чувствительность не является необходимой, то можно обойтись только одним каскадом на составном транзисторе \/Т1,VT2. Усилитель НЧ работоспособен в широких пределах напряжения питания схемы. С коллектора последнего транзистора пачки импульсов поступают на ключевую или формирующую последовательность импульсов схему (к примеру, одновибратор). Усиление эффективно регулируется резистором R1 (чем больше его сопротивление, тем чувствительнее схема) и в незначительных пределах резистором R6. Многие знают о недостатках угольных микрофонов, и я здесь не буду скрывать их от читателя. Действительно, отрицательной особенностью устройства на основе приведенной схемы является его инерционность, обусловленная свойствами самих угольных микрофонов. Но для некоторых радиолюбительских разработок приведенная электрическая схема практически незаменима по своей простоте, эффективности и «финансовому» взносу, ведь угольный микрофон можно приобрести практически за бесценок. Проводники от микрофона к электрической схеме должны иметь минимальную длину. Транзисторы можно применять любые из серий КТ3107, КТ361 или аналогичные импортные. Рассмотренные варианты схем акустических датчиков могут найти разное практическое применение, к примеру, использоваться как акустический датчик, реагирующий на разговор в помещении и включающий локальную электрическую подсветку (бра). Если корпус устройства вместе с микрофоном смонтировать на полу, то тогда устройство будет оповещать о приближении человека задолго до его подхода к датчику. Звук от шагов человека по полу передается на несколько метров, таким образом, вариантов применения акустического датчика в 2-4-комнатной «обычной» квартире (деревенском доме) даже на устаревшем угольном микрофоне очень много. Индуктивный датчик Его вариантов также несколько. На рис.4 показан относительно простой датчик, реагирующий на магнитное поле, создаваемое переменным током. Когда вблизи обмотки катушки L1 протекает даже небольшой переменный ток (десятки мА), он «наводится» в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе. С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке L1. Если в качестве катушки применить магнитную антенну (используемую для приема радиостанций в диапазонах ДВ и СВ), можно получить прибор, реагирующий на радиоволны определенной длины. Как необычный вариант катушки, можно использовать катушку, в том числе «плоскую» намотку из магнитной карты доступа, представленной (в раскрытом виде) на рис.5. Чувствительность устройства регулируют резистором R1 задающим смещение на составном транзисторе. Чем больше сопротивление переменного резистора, тем чувствительнее схема. Для оптимального режима усиления (так как напряжение питания этой схемы может быть разным) номинал резистора R2 подбирают так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА. На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводке на расстоянии до 5 см от него. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада электрической схемы (для исключения наводок) должна стремиться к минимуму. переменным током. Когда вблизи обмотки катушки L1 протекает даже небольшой переменный ток (десятки мА), он «наводится» в катушке и передается на усилительный каскад на составном транзисторе. Усилитель для этой схемы (вместо VT1 и VT2) может быть любой конфигурации, но обязательно с большим коэффициентом усиления по току. Катушку наматывают проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1...0,15 мм «внавал», 2500 витков, на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляют сердечник из феррита марки 600-2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25...40 мм. С положительной обкладки конденсатора С2 снимается переменное напряжение, наведенное в катушке L1. Если в качестве катушки применить магнитную антенну (используемую для приема радиостанций в диапазонах ДВ и СВ), можно получить прибор, реагирующий на радиоволны определенной длины. Как необычный вариант катушки, можно использовать катушку, в том числе «плоскую» намотку из магнитной карты доступа, представленной (в раскрытом виде) на рис.5. Для оптимального режима усиления (так как напряжение питания этой схемы может быть разным) номинал резистора R2 подбирают так, чтобы ток, потребляемый этим узлом от источника питания, был в пределах 2 мА. На практике датчик улавливает переменный ток от 50 мА в проводке на расстоянии до 5 см от него. Длина проводов от катушки L1 до входного каскада электрической схемы (для исключения наводок) должна стремиться к минимуму. Датчик тока Конструкция устройства показана на рис.6. Когда по обмотке протекает электрический ток, геркон под воздействием магнитной индукции замыкает / размыкает (в зависимости от типа геркона) контакты, коммутируя электрическую цепь. На основе этого датчика радиолюбитель может самостоятельно изготовить «токовое реле», соединив один из контактов геркона с концом обмотки, как показано на рис. 7. Падение напряжения на обмотке прямо пропорционально силе тока в этой цепи. Наведенное напряжение создаст небольшое электромагнитное поле, которое будет достаточным для воздействия на контакты геркона, которые (согласно схеме, показанной на рис.7) заблокируют саму электрическую цепь. Когда нагрузка обесточится (или ток в ее цепи уменьшится, что может произойти в силу разных причин), падение напряжения на L1 уменьшится, уменьшится магнитное поле, и контакты геркона разомкнутся. Чувствительность такого датчика зависит от количества витков L1 и силы тока в цепи. Токовое реле, как и электромагнитный датчик, имеет много вариантов применения в радиотехнических конструкциях. Литература 1. Кашкаров А.П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики // СПб.: Наука и Техника, 2007. 2. Кашкаров А.П. Датчики в электронных схемах: от простого к сложному. - М.: ДМК Пресс, 2013. Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург Источник: Радиоаматор №11/12, 2014 meandr.org Основные представители номенклатуры классических датчиков, при всех их достоинствах все-таки являются достаточно габаритными изделиями. Наметившиеся в последнее время тенденции к сокращению габаритов преобразовательной техники заставляют производителей элементной базы разрабатывать новые, более миниатюрные, компоненты, экономящие внутреннее пространство приборов при безусловном сохранении высоких технических характеристик. Для таких применений фирма LEM разработала датчик тока типа FHS-40/SP600 открывающий серию «Minisens» и позволяющий измерять токи до 100 А, но при этом обладающий минимальными размерами — датчик размещен в корпусе SOIC-8. Так как данный тип датчика не имеет сквозного отверстия, через которое пропускается токоведущий проводник с измеряемым током, его чувствительность определяется расстоянием от токоведущего проводника до элемента Холла (рис. 2.5.30). Чувствительность датчика определяется из выражения: где r — расстояние от элемента Холла до проводника. Датчик Холла оснащен специальным концентратором магнитного потока, что позволило исключить из конструкции датчика кольцевой магнитный сердечник. _ На рис. 2.5.31 приведен график зависи мости чувствительности (в мВ/А) в зависимости от расстояния между проводником и чувствительным элементом (в мм). Из него следует, что датчик должен быть достаточно точно установлен относительно токоведущего проводника, иначе его показания будут неточными. Впрочем, современные методы изготовления электронных приборов позволяют достаточно точно позиционировать элементы автоматизированным способом. Структурная схема датчика FHS-40/ SP600 приведена на рис. 2.5.32. Питание к Рис. 2.5.31. Зависимость чувствительности датчика FHS-40/SP600 от расстояния до чувствительного элемента Рис. 2.5.32. Структурная схема датчика FHS-40/SP600 датчику поступает на выводы Vc и 0V. Его диапазон лежит в пределах 5,5 В, что согласуется с питанием большинства стандартных микроконтроллеров. Диапазон измеряемых частот лежит до частоты 100 кГц. В составе датчика предусмотрено два выхода: выход VOUTFast передает сигнал непосредственно с выхода датчика тока, с задержкой информации не более 3 мкс, а выход V0(JT транслирует сигнал, прошедший через фильтр высокочартотных помех. Фильтр позволяет снизить помехи в диапазоне частот выше 100 кГц, а выход VOUXFast можно использовать для диагностики возникновения короткого замыкания и связанного с этим появления сверхтоков. Константы основных параметров датчика (коэффициент передачи, полярность выходного сигнала) сконфигурированы во внутренней энергонезависимой памяти. Типовое значение линейности характеристики датчика во всем диапазоне измеряемых частот не превышает 0,5 %, номинальный выходной сигнал — 2000 мВ. Через вывод STANDBY осуществляется перевод датчика в дежурный режим со сниженным энергопотреблением, что важно для его применения в системах аккумуляторного (автономного) питания. Датчик имеет 6 конструктивных исполнений, рассчитанных на номинальные значения токов из ряда 5 А, 10 А, 20 А, 40 А, 80 А, 100 А. Рабочий диапазон датчика: ^0…+115 градусов Цельсия. Наиболее интересным при применении датчика является реализация методов его установки в разрабатываемый прибор, а именно — на печатную плату с силовыми токоведущими проводниками. На рис. 2.5.33, а показано расположение датчика на печатной плате (PCB). Датчик располагается над токоведущей шиной, по которой проходит измеряемый ток /р, создающий магнитное поле с индукцией В. Токоведущий проводник может располагаться как со стороны установки датчика (рис. 2.5.33, б), так и с противоположной стороны (рис. 2.5.33, в). Это — очень важный момент, поскольку от взаимного расположения токоведущего проводника и датчика будут зависеть его показания, а также величина испытательного напряжения электрической изоляции между силовой шиной и измерительными цепями. Очевидно, при установке датчика на сторону платы, противоположную токоведущей шине, напряжение изоляции повышается, однако снизится чувствительность. Рис. 2.5.33. Установка датчика FHS-40/SP600 на печатную плату На рис. 2.5.34 показаны типовые зависимости между расстоянием от датчика до токоведущего проводника, а также его ширины, и чувствительности датчика. Во всех трех случаях толщина токоведущего проводника составляет 70 мкм. Почему наблюдается зависимость чувствительности от ширины проводника? Как датчик, так и токоведущий проводник имеют конечные размеры и не могут быть представлены точечными моделями. Рекомендуемые нормы установки должны быть обеспечены технологически. Рис. 2.5.34. Зависимость чувствительности датчика FHS-40/SP600 от расположения относительно токоведущего проводника Чтобы оценить достоинства описываемого датчика, фирма-производитель выпустила серию готовых к использованию макетных плат с установленными на них по всем правилам датчиками и сконфигурированными силовыми токоведущими проводниками. Эти макетные платы носят наименования KIT4, KIT5, KIT6, KIT7, KIT8, KIT9, KIT11, KIT12. Упомянутые макетные платы с наименованиями KIT11 и KIT12 несут на себе по два датчика, остальные платы — одиночные. На рис. 2.5.35, а—е представлен внешний вид макетных плат KIT4-KIT9. Вариант KIT4 (рис. 2.5.35, а — это вариант расположения датчика и токоведущего проводника на одной стороне платы. Вариант KIT5 — расположение элементов с разных сторон платы. В макетной плате KIT6 использована объемная токоведущая перемычка. Варианты KIT7 и KIT8 — особые: в них токоведущая шина выполнена таким образом, чтобы силовой ток прошел через датчик несколько раз, в результате чего магнитная индукция, созданная отдельными витками, должно складываться, чем повышается чувствительность датчика для измерения небольших значений токов. Вариант KIT9 похож на вариант KIT4, только токоведущая шина здесь усилена. Рис. 2.5.35. Варианты исполнения макетных плат KIT Все макетные платы KIT используют единую идеологию построения: печатный монтаж датчика выполнен с учетом рекомендаций по помехозащищенности, приведенных в технической документации (к выводам питания подключены блокировочные конденсаторы, применена рекомендованная конфигурация «общего проводника»). Выводы токоведущей шины металлизированы, измерительные цепи и цепи питания имеют разъемные соединители (контактные группы). Непосредственно на печатной плате указано положительное направление измеряемого тока. Разработчикам силовой техники приходится постоянно учитывать такое немаловажное обстоятельство, как нагрев токоведущих проводников. И если объемные проводники можно выполнить любого необходимого сечения, то с печатными проводниками дело обстоит намного сложнее: нужное сечение может быть обеспечено только за счет ширины проводника. Конечно, для печатных проводников можно увеличивать плотность тока до 25 А/мм2, но эта цифра все-таки конечна. Учитывая это обстоятельство, разработчики макетных плат KIT провели тепловые исследования и привели их результаты в сопроводительной документации. Для примера приведем данные по макетной плате KIT4. На рис. 2.5.36 показана тепловая модель распределения температуры токоведущего проводника толщиной 70 мкм при температуре окружающей среды 85 градусов Цельсия и протекании тока 10 А. Видно, что наиболее нагретая зона наблюдается под основанием датчика, а температура проводника в этой зоне составляет 105 градусов Цельсия. Рис. 2.5.36. Тепловая модель токоведущего проводника макетной платы KIT4 Также для разработчика будет полезным оценить возможность применения KIT в разных температурных диапазонах. График рис. 2.5.37 показывает допустимое значение тока в токоведущем про воднике в зависимости от температуры окружающей среды для токоведущих проводников толщиной 35 мкм и 70 мкм. Температура наиболее нагретой зоны здесь составляет 115 градусов Цельсия. Рис. 2.5.37. График зависимости допустимого тока от температуры окружающей среды Второй вариант миниатюрного датчика тока, на который обращаем внимание читателя, это серия ACS, выпускаемая фирмой «Allegro» [45]. Главное отличие датчиков этой серии от вышеупомянутых датчиков заключается в том, что в их составе конструктивно предусмотрена силовая токоведущая шина. Фирма выпускает два основных типоисполнения датчика — с планарно-монтируемым корпусом (рис. 2.5.38, а), маркируются кодом «71» и с корпусом для монтажа выводов в отверстия (рис. 2.5.38, б), маркируются кодом «75». Основные технические параметры датчиков приведены в табл. 2.5.1. Тип датчика Диапазон рабочих температур, вС Нелинейность, % Измеряемый номинальный ток, А Типовая чувствительность, мВ/А ACS712ELCTR-05B-T ^0…+85 ±1,50 ±5,0 185,00 ACS712ELCTR-20A-T -40…+85 ±1,50 ±20,0 100,00 ACS712ELCTR-30A-T ^0…+85 ±1,50 ±30,0 66,00 ACS713ELCTR-20A-T -40…+85 ±1,50 0…20,0 185,00 ACS713ELCTR-30A-T -40…+85 ±1,50 0…30,0 133,00 ACS714ELCTR-05B-T ^0…+85 ±1,50 ±5,0 185,00 ACS714ELCTR-20A-T -40…+85 ±1,50 ±20,0 100,00 ACS714ELCTR-30A-T -40…+85 ±1,50 ±30,0 66,00 ACS714LLCTR-05B-T ^0…+150 ±1,50 1 ±5,0 185,00 ACS714LLCTR-20A-T ^0…+150 ±1,50 ±20,0 100,00 ACS714LLCTR-30A-T -40…+150 ±1,50 ±30,0 66,00 ACS715ELCTR-20A-T -40…+85 ±1,50 0…20,0 185,00 ACS715ELCTR-30A-T -40…+85 ±1,50 0…30,0 133,00 ACS715LLCTR-20A-T -40…+150 ±1,50 0…20,0 185,00 ACS715LLCTR-30A-T -40…+150 ±1,50 0…30,0 133,00 ACS750LCA-050 -40…+150 ±5,00 ±50,0 40,00 ACS750SCA-050 -20…+85 ±5,00 ±50,0 40,00 ACS750LCA-075 -40…+150 ±5,00 I ±75,0 19,75 ACS750SCA-075 -20…+85 ±5,00 ±75,0 HV75 ACS750ECA-100 -40…+150 ±5,00 ±100,0 19,75 ACS750SCA-100 -20…+85 ±5,00 ±100,0 19,75 ACS752SCA-050 -20…+85 ±4,00 ±50,0 40,00 ACS752SCA-100 -20…+85 ±4,40 | ±100,0 20,00 ACS754LCB-050-PFF ^0…+150 ±1,50 ±50,0 40,00 ACS754SCB-050-PFF -20…+85 ±1,50 ±50,0 40,00 ACS754LCB-100-PFF -40…+150 ±1,50 ±100,0 20,00 ACS754LCB-100-PSF -40…+150 ±1,50 ±100,0 20,00 Тип датчика Диапазон рабочих температур, вС Нелинейность, % ! Измеряемый i номинальный ток, А Типовая чувствительность, мВ/А ACS754SCB-100-PFF -20…+85 ±1,50 ±100,0 20,00 ACS754LCB-130-PFF ^0…+150 ±1,50 ±130,0 15,00 ACS754LCB-130-PSF ^0…+150 ±1,50 ±130,0 15,00 ACS754SCB-130-PFF -20…+85 ±1,50 ±130,0 15,00 ACS754SCB-130-PSF -20…+85 ±1,50 ±130,0 15,00 ACS754KCB-150-PFF -40…+125 ±1,30 ±150,0 13,30 ACS754KCB-150-PSF -40…+125 ±1,30 ±150,0 13,30 ACS754KCB-150-PSS -40…+125 ±1,30 ±150,0 13,30 ACS754SCB-150-PSF -20…+85 ±1,30 ±150,0 13,30 ACS754SCB-150-PSS -20…+85 ±1,30 ±150,0 13,30 ACS754SCB-200-PFF -20…+85 ±1,20 ±200,0 10,00 ACS754SCB-200-PSF -20…+85 ±1,20 ±200,0 10,00 ACS755LCB-050-PFF -40…+150 ±2,80 0…50,0 60,00 ACS755SCB 050-PFF -20…+85 ±2,80 0…50,0 60,00 ACS755LCB-100-PFF -40…+150 ±2,80 0…100,0 40,00 ACS755SCBlOO-PFF ! -20…+85 |____ ±2,80 0…100,0 40,00 ACS755LCB-130-PFF | -40…+150 ±0,85 0…130,0 30,00 ACS755LCB-130-PSF | -40…+150 ±0,85 0…130,0 30,00 ACS755SCB-130-PFF | -20…+85 ±0,85 0…130,0 30,00 ACS755SCB-130-PSF | -20…+85 ±0,85 0…130,0 30,00 ACS755KCB-150-PSF | -40…+125 ±0,95 0…150,0 26,00 ACS755SCB-150-PSF | -20…+85 ±0,95 0…150,0 26,00 ACS755SCB-200-PSF | -20…+85 ±0,80 0…200,0 20,00 ACS756SCA-050B-PFF-T j -20…+85 ±1,80 ±50,0 40,00 ACS756SCA-1OOB-PFF-T | -20…+85 ±1,80 ±100,0 20,00 ACS756KCA-050B-PFF-T j -40…+125 ±1,80 ±50,0 40,00 Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил. nauchebe.net 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. Диодные датчики тока в устройстве контроля включения нагрузки 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 VD5, VD6 служат для защиты светодиодов HL1, HL2 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 U1, а его транзистор через промежуточный другой транзистор VT1 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 для светодиода. На данной схеме рассмотрен контрольный элемент, подключенный параллельно датчику тока светодиод оптопары U1 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 R1 контрольный светодиод HL1 и защитный стабилитрон VD1. Вся эта контролирующая цепь может подключаться также без конденсатора С1 или без резистора R1. 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. Литература ^ 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. Альберт Алексеев, Виталий Алексеев г. Пермь cxema.my1.ru Для гальванической развязки датчиков тока от цепей МК чаще всего используют оптопары (обычные или специализированные) и микросхемы на основе эффекта Холла. Основные проблемы при развязке датчиков тока через оптопары заключаются в нелинейности передаточной характеристики с входа на выход и в температурном «дрейфе» параметров. Из-за этого оптопары, как правило, применяются в пороговых, а не измерительных, схемах. Бесконтактное измерение тока через датчики Холла даёт весьма точные и стабильные результаты. Однако стоимость у них выше и схемотехника сложнее, поскольку приходится ставить дополнительные усилители напряжения. Технологические достижения последнего времени позволяют встраивать силовой проводник (или катушку индуктивности) внутрь интегральной микросхемы с датчиком Холла. Получается компактный узел, обеспечивающий надёжную развязку входной и выходной части, а также имеющий гарантированные и стабильные во времени параметры. На Рис. 3.72, а…в приведены схемы гальванической развязки через оптопары, а на Рис. 3.73, а…в — через датчики Холла. Рис. 3.72. Схемы гальванической изоляции датчиков тока при помощи оптопар: а) детектор тока 0/12 мА на трёхвыводном стабилитроне VD2w оптопаре VU1. Наличие протекающего на входе тока визуально индицируется светодиодом HL1. Порог срабатывания задаётся резистором R1 и рассчитывается по формуле /п(мА1 = 1.24//?,[кОм1; б) линейный датчиктока на специализированной оптопаре фирмы Clare, Её отличительная особенность заключается в линейности передаточной характеристики. Резистор /?/ставится при необходимости измерения больщих токов. Оптопара VU1 может быть обычной транзисторной, но тогда придётся программно откалибровать параметры тока по точкам для устранения нелинейности, а также подобрать резистор R2, чтобы напряжение на входе АЦП М К было близким к половине питания; в) пороговый датчик наличия/отсутствия двухполярного тока в испытуемой цепи. При положительном направлении тока открывается оптопара VU1, при отрицательном — VU2, Резистор R1 шунтирует протекающий ток. Его сопротивление должно быть настолько низким, чтобы не превыщались максимально допустимые токи через диоды оптопар VU1, VU2. Рис. 3.73. Схемы гальванической изоляции датчиков тока на микросхемах с эффектом Холла: а) между выводами LIN, LOUT внутри датчика тока DA! (фирма LEM) размещается изолированная катущка индуктивности и рядом с ней — магниточувствительный элемент Холла. На выходе V0иТ формирует переменный сигнал, амплитуда которого пропорциональна протекающему через внутреннюю индуктивность току. Сигнал усиливается микросхемой DA2 и детектируется элементами VD1, С3\ б) между выводами IP-, IP+ внутри датчика тока DA1 (фирма Allegro MicroSystems) размещается изолированный силовой проводник и рядом с ним — магниточувствительный элемент Холла. Датчик рассчитан на протекание по проводнику больших токов, вплоть до 50 А; в) проверка наличия/отсутствия тока, протекающего через катушку L/, при помощи магни- точувствительной микросхемы DA1. Катушка содержит 50 витков провода ПЭВ-1.0. Оптимальное положение датчика Холла /)/4/ относительно катушки L/ определяется экспериментально. nauchebe.net Конструктивно датчики представляют собой защищенные корпуса произвольной формы с окнами, сквозь которые продевается проводник с измеряемым током. Мы поговорим о конструкциях и технических параметрах типовых датчиков чуть позже, а сейчас обратим внимание читателя на так называемые гибкие датчики тока, появившиеся совсем недавно. Производителем таких датчиков является швейцарская фирма «LEM» [43]. На рис. 2.5.7 показано конструктивное исполнение гибкого датчика. Рис. 2.5.7. Гибкий датчик тока Гибкий датчик представляет собой катушку, равномерно намотанную вокруг гибкого цилиндра. Кроме этого, в диаметральном сечении цилиндра проложен центральный проводник. Датчик выполнен разъемным, и вот почему: зачастую шинопроводы мощных преобразователей представляют собой достаточно сложную в конфигурационном отношении конструкцию, и традиционные датчики расположить в таком случае очень и очень трудно. Поэтому гибкий датчик может быть разомкнут и намотан на шинопровод подобно тому, как наматывается обычный провод. Остается только закрепить его с помощью, например, гибких нейлоновых хомутиков, замкнуть и подключить к измерительной электронной схеме. В настоящее время гибкие датчики, впрочем, являются пока экзотикой, поэтому мы далее не будем останавливаться на их технических характеристиках, а перейдем к рассмотрению конкретных исполнений традиционных датчиков, выпускаемых фирмой «LEM» и получивших широчайшее распространение в приборах преобразовательной техники. Датчик типа LA55-P/SP1 представляет собой стандартный вариант компенсационного датчика и широко используется в составе преобразовательной техники (рис. 2.5.8). Конструктивно он представляет собой пластиковый прямоугольный корпус с размерами 37 x 27 x 15 мм. Через прямоугольное окно продевается шинопровод, в котором протекает измеряемый ток. Данный датчик имеет исполнение с гибкими выводами, с помощью которых он впаивается в печатную плату. Номинальный диапазон измеряемых токов датчика составляет ±100 А, при этом точность преобразования — не хуже 0,65 % при питании двуполярным источником с напряжением ±15 В. Номинальный выходной ток датчика —мА, частотный диапазон измерения — до 200 кГц. Особое внимание следует обратить на фазировку измеряемого и измерительного токов датчика. С целью однозначного задания направлений токовых сигналов на корпусе датчика нанесена стрелка. При протекании измеряемого тока в направлении стрелки выходной ток датчика будет положительным. Подключение датчика выполняется по рис. 2.5.9. Обратите внимание: датчик сам по себе не имеет вывода для подключения «средней» точки двуполярного напряжения питания. Эта «средняя» точка связана только с правым (по схеме)выводом нагрузочного резистора Rm. Небольшие конструктивные отличия имеет компенсационный датчик типа LA205-S, предназначенный для измерения токов в диапазоне ±300 А (рис. 2.5.10). Габаритные размеры этого датчика — 66x x 57 x 57 мм. Номинальный выходной ток — 100 мА, точность преобразования — не хуже 0,8 %, работа обеспечивается в диапазоне частотдо 100 кГц. Датчик типа LF2005-S (рис. 2.5.11) позволяет измерятьдостаточно большие токи — до ±3000 А. Соответственно, подросли и габариты датчика по сравнению с двумя предыдущими. В данном случае они составляют 170 x 135 x 61 мм. Номинальный выходной ток датчика — 400 мА, точность преобразования — не хуже 0,3 %, частотный диапазон номинальной работы — до 150 кГц. Наконец, еще один датчик этой конструкции — LT4000-S — предназначен для измерения токов вдиапазоне ±6000 А (рис. 2.5.12). Как видно из рисунка, этот датчик представляет собой массивную конструкцию, оснащенную ребреными поверхностями для лучшей теплоотдачи, а также имеющую мощные крепежные лапы. Такая конструкция датчика отнюдь не случайна: номинальный выходной сигнал датчика составляет 800 мА, что, конечно, приводит к значительным тепловым потерям на элементах внутренней электронной схемы. Кроме того, силовая техника, в которой протекают столь значительные токи, имеет массивные токоведущие части, что заставляет устанавливать механически защищенное оборудование. Других особенностей этот датчик не имеет. Другое конструктивное исполнение датчиков тока показано на примере датчика LT200-T/SP96 (рис. 2.5.13), работающего в диапазоне токов ±200 А. Если по электрическим параметрам он соответствует датчикам компенсационного типа, и не требует дополнительных пояснений с этой стороны, то на его внешний вид (конструкцию) следует обратить внимание. Датчик предназначается для объемного монта жа, поэтому он имеет ламельные контакты питания (под пайку) и контакты подключения нагрузочного резистора. Но — что самое интересное — измерительный шинопровод встроен в корпус датчика и оснащен отверстиями, к которым подключается токоведущая шина (плоская или обычная проводная). Любая электронная техника, предназначенная для серийного производства, должна отвечать требованиям технологичности, то есть, в числе прочего, содержать в себе как можно меньшее количество элементов, а состав имеющихся элементов должен стремиться к максимальной однотипности, то есть к сокращению их номенклатуры. Кроме этого, применяемые элементы должны быть сконструированы так, чтобы их было удобно устанавливать при серийном производстве — это служит залогом сокращения трудоемкости, а значит, и себестоимости продукции. Датчик в этой цепочке — не исключение, хотя унифицировать его для всех классов задач весьма и весьма сложно. И все же фирмы-разработчики предпринимают определенные шаги в направлении унификации. Примером удачной унифицированной разработки может служить датчик LTS25-NP (рис. 2.5.14), который, ктому же, специально адаптирован для применения в преобразовательной технике, оснащенной микроконтроллерами. В корпус датчика встроены три независимых шинопровода, которые впаиваются в печатную плату и могут быть соединены токоведущими дорожками таким образом, чтобы обеспечить необходимый измерительный диа пазон. Традиционное окно, через которое пропускают токоведущий проводник, здесь выполняет роль дополнительного. С помощью этого окна, при необходимости, сузить диапазон измеряемых токов. Электрическая структурная схема датчика LTS25-NP приведена на рис. 2.5.15, а на рис. 2.5.16 — выходная характеристика. Нетрудно заметить, что выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, величина которого составляет 2,5 В при отсутствии измеряемого тока. Почему этот вариант удобен для обработки сигнала встроенным АЦП микроконтроллера? Ответ предельно прост: большинство микроконтроллеров имеет в своем составе именно однополярные АЦП с опорным напряжением порядка 5 В. Поэтому для измерения двуполярных токов выходной сигнал необходимо сдвигать ровно на половину измерительного диапазона. В данном случае этот сдвиг обеспечивается автоматически. Рис. 2.5.15. Структурная схема датчика LTS25-NP А теперь настало время рассказать о самой интересной особенности датчика, то есть о принципах коммутации его измерительных шинопро- водов. На рис. 2.5.17 показаны варианты разводки печатных токоведущих проводников для разных режимов использования датчиков. Вариант «а» — для измерения токов в диапазоне ±24 А, вариант «б» — для токов ±12 А, вариант «в» — для токов ±8 А. В варианте «г» используется дополнительный проводник, три витка которого пропущены через вспомогательное окно датчика, таким образом, в варианте «т» диапазон измеряемых токов сужается до ±4 А. И последний вариант, представленный на рис. 2.5.17, — вариант «д» — предназначен для измерения дифференциального тока, то есть разницы между втекающим по шинопроводу и вытекающим по дополнительному проводнику тока. Рис. 2.5.17. Варианты использования датчика LTS25-NP На рис. 2.5.18 показан пример использования датчиков LTS25-NP в составе статического преобразователя для частотного управления электродвигателем. В этом примере один и тот же датчик тока используется в трех различных режимах включения: для защиты от токов короткого замыкания на входе преобразователя, для измерения фазных токов электродвигателя и для измерения дифференциальных токов в шинопроводе постоянного тока. Как вариант датчика тока с расщепленной первичной шиной можно привести типономинал LAH50-P (рис. 2.5.19) с диапазоном измеряемого тока от 0 до 50 А. Это — обычный датчик тока компенсационного типа с двуполярным питанием и нулевым выходным током при отсутствии измеряемого тока. Более того, датчик не имеет дополнительного окна, через которое можно пропустить вспомогательные витки токоведущих проводов. Однако его шинопровод расщеплен на три части, что все-таки позволяет снижать коэффициент преобразования в 2 и 3 раза. Упомянем мы и датчики напряжения, выпускаемые фирмой «LEM», в основе которых лежит использование все того же эффекта Холла. На самом деле преобразовать датчик тока в датчик напряжения очень просто: достаточно первичную измерительную цепь датчика тока соединить последовательно с активным сопротивлением известной величины. Понятно, что ток в этой цепи будет определяться приложенным к ней напряжением, поэтому вычислить коэффициент для прямого пересчета тока в напряжение никакого труда не составит. Единственная неприятность, с которой мы столкнемся, если захотим использовать датчик тока в качестве основы датчика напряжения, — это необходимость иметь значительный ток в первичной (измерительной) цепи, чтобы на выходе датчика получить номинальный сигнал. Поэтому первичная (измерительная) обмотка датчиков напряжения выполняется с большим количеством витков — таким вот образом снижается номинальный входной ток. Рис. 2.5.20. Внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20 Рис. 2.5.19. Внешний вид датчика типа LAH50-P На рис. 2.5.20 показан внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20. Как следует из рисунка, датчик напряжения внешне очень похож на датчик тока, разве что он не имеет окна для протяжки шинопровода. К слову, как мы убедились ранее, некоторые исполнения датчиков тока вообще невозможно по внешнему виду отличить от датчиков напряжения, поскольку в них встроены токоведущие шины. Номинальный входной сигнал упомянутого датчика напряжения составляет всего 10 мА. При этом выходной токдатчикадостигает 25 мА. Питание датчика осуществляется двуполярным напряжением ±15 В, ошибка преобразования составляет 0,8 %. На рис. 2.5.21 приведена типовая схема подключения датчика LV25-P/SP20. Резистор R1 выбирается с учетом номинального тока измерительной обмотки и величины измеряемого напряжения. Допустимая величина измеряемого напряжения у данного датчика составляет 500 В. Это ограничение связано с его конструктивным исполнением (датчик монтируется на печатную плату). Близкими характеристиками обладает датчик типа LV100/SP83 (рис. 2.5.22), но допускаемое значение измерительного напряжения для него гораздо больше: оно составляет 2500 В. Рис. 2.5.21. Подключение датчика LV25-P/SP20 Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил. nauchebe.net Что делает датчик тока? Зачем он необходим и каков его функционал? А также какие существуют виды подобных приборов? Такие приборы универсальные и востребованы. Их конструкция включает в себя магнитопровод, имеющий зазор и компенсационную обмотку, электронную плату обработки сигналов и датчик Холла. Когда ток протекает по шине, соединённой с первым элементом, то возникает магнитная индукция. Выходной сигнал усиливается, а потом передаётся в компенсационную обмотку. Благодаря нивелированию магнитных полей датчик тока Холла работает как нуль-устройство. При этом полоса частот, что проходит через него, варьируется от 0 герц до 200 кГц. Существуют и приборы, которые по отдельности пропускают один из видов – это датчик постоянного тока и переменного. Чтобы вы имели представление об особенностях их работы, предлагаем рассмотреть функционирование второго из них. Чтобы получить более дешевые комплектующие, различными предприятиями разрабатывались и серийно изготавливаются приборы, могущие измерять только переменный ток, частота которого составляет 50 Гц. Они состоят только из электронной платы, обрабатывающей сигналы, и трансформатора тока. Такие датчики делятся на три вида, каждый из них отличается формой своего выходного сигнала: Когда проверяется работоспособность действующего электрооборудования, при осуществлении ремонтных работ на предприятиях, имеющих непрерывные циклы работы, а также в целом ряде подобных случаев необходимы приборы, которые можно установить, не производя разрыв токовых цепей. Специально для этих целей и был разработан данный вид датчика, который собирается и устанавливается на токовой шине. Его важным преимуществом является возможность соблюдения всех требований без влияния на производственный процесс. А благодаря особенностям монтажа он получил название «Разъемный датчик тока». Ведь он не устанавливается где-то на линии, а вставляется в обычную розетку. Поэтому им может пользоваться даже человек, у которого отсутствуют специальные навыки. С этой точки зрения датчик тока является очень полезным. Следует отметить, что датчик тока должен присутствовать на любом предприятии, которое использует большую технику, что требует значительных напряжений, или необходим тщательный мониторинг ситуации. Этот прибор позволяет следить за показателями сети и создать условия для безопасной работы. Они нашли своё применение в силовой и автомобильной электронике, аппаратуре общего применения и промышленной автоматике предприятий. www.syl.ru По мере возрастания автоматических систем управления с обратной
связью всё большее применение в них находят датчики, способные с высокой
точностью измерять токи. Примерами таких устройств могут служить регуляторы
скорости вращения двигателей, яркости светодиодов и т.д. Для измерения тока
последовательно с нагрузкой включается резистор, а специальный усилитель
повышает падающее на нём напряжение и изолирует его от управляющей цепи. Новые
усилители, специально приспособленные для решения этой задачи, находят широкое
применение в различных областях — в устройствах связи, компьютерах, автомобилях
и т.д. Существуют два метода включения датчиков тока — в цепь земли и в
высокопотенциальную цепь. В обоих случаях резистор с небольшим сопротивлением
включается в токопроводящую цепь, а падение напряжения на нём, пропорциональное
протекающему току, служит входным сигналом для усилителя. В первом случае
датчик включается между нагрузкой и землёй, при высокопотенциальном методе —
между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют
свои преимущества и недостатки. Основным преимуществом низкопотенциального метода является то,
что синфазный сигнал на входе усилителя мал и, следовательно, его напряжение
питания тоже может быть небольшим. Однако при этом возникает несколько проблем,
нивелирующих все преимущества этого метода. Первая состоит в том, что
необходимо иметь только один провод заземления, чтобы через датчик проходил
весь ток нагрузки. Если земляным проводом служит металлический корпус
устройства, вставить в него токочувствительный резистор довольно сложно. Кроме
того, земляной провод не является идеальным проводником, в различных его точках
может быть разное напряжение, так что для точного измерения тока требуется
дифференциальный усилитель. Однако, вероятно, самой серьёзной проблемой
является то, что включение резистивного датчика тока в земляной провод означает
наличие разницы потенциалов между землёй самого устройства и общим земляным
проводником. Это может внести ошибки в работу системы и затрудняет связь между
узлом, в котором измеряется ток, и остальной частью системы. Поскольку
погрешность измерений определяется в данном случае напряжением на датчике, то
это напряжение разработчик вынужден рассматривать как помехи (или шум) по цепи
земли и стремиться его уменьшить. В результате типичное максимальное напряжение
датчика VSense в 100 мВ превращается в 100 мВ шумов в измерительных цепях.
Проблему с внесением шумов можно полностью исключить включением датчика в
высокопотенциальную цепь — между «плюсом» источника питания и нагрузкой. Этот подход, как уже говорилось ранее, называется
высокопотенциальным методом. Он позволяет избежать проблем, связанных с
низкопотенциальным включением, однако и у него есть свои недостатки. В этом
случае также используется низкоомное сопротивление, разность потенциалов на
выводах которого пропорциональна протекающему току. Однако при этом на обоих
его выводах присутствует достаточно большой потенциал, равный напряжению
источника питания и являющийся для усилителя датчика синфазным входным
сигналом. Т.е усилитель должен правильно работать в условиях малого
дифференциального и большого синфазного сигналов. Для низковольтных систем принято использовать обычные
инструментальные усилители, способные работать с сигналами «от питания до
питания». Выход таких усилителей даст нужный сигнал, привязанный к земле, без
существенной ошибки. Однако при больших напряжениях в измеряемой цепи, скорее
всего, придётся преобразовывать сигналы с датчика в приемлемый для усилителя
диапазон или организовывать «плавающее» питание для усилителя. Такие
дополнительные схемы увеличивают стоимость и место, занимаемое датчиком на
плате, но при этом правильная работа обеспечивается только тогда, когда
синфазное напряжение остаётся в довольно узком, заранее известном, диапазоне.
Однако в большинстве случаев полезно было бы обеспечить нечувствительность
датчика к изменению синфазного напряжения. Например, если схема датчика тока
останется работоспособной при падении выходного напряжения источника питания,
это поможет определить, где возникла проблема — в нагрузке или в самом
источнике питания. Возрастание тока в нагрузке указывает на возможную
неисправность в ней, а падение напряжения на выходе источника питания при
неизменном или падающем токе в нагрузке — на неисправность самого источника
питания. Множество устройств, ток в которых надо измерять, являются
индуктивностями (например, двигатели или соленоиды), и изменение тока через них
сопровождается появлением ЭДС самоиндукции, что вызывает существенные изменения
синфазного напряжения на датчике тока. Очевидно, что для таких измерений
следует использовать и соответствующий усилитель 1. Усилители сигнала датчиков тока специально сконструированы так,
чтобы облегчить решение этой проблемы. Они способны выделять малый
дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного, усиливать его и
преобразовывать в сигнал относительно земляного провода. На рисунке 1 показана
типичная структура такого усилителя. В данном случае усилитель управляется
напряжением на резисторе RIn, которое равно напряжению на датчике тока RSense.
При этом ток через резистор RIn преобразуется в ток через резистор ROut,
позволяя получить выходное напряжение, привязанное к земляному проводу. Для
обеспечения достаточной точности преобразования используемый в этой схеме
усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением и большим усилением, а
также большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала при широком диапазоне
допустимых синфазных сигналов. Все эти характеристики оказывают серьёзное
влияние на точность преобразования. В идеале измеритель тока или напряжения не должен оказывать
влияния на нагрузку, к которой он подключён. Для измерителя напряжения это
означает требование бесконечно большого входного сопротивления, чтобы не
вызывать дополнительного тока в нагрузке. Соответственно, измеритель тока
должен в идеале иметь нулевое входное сопротивление, чтобы не вызывать
изменения напряжения на нагрузке. Высокопотенциальный измеритель тока (т.е. комбинация резистора
датчика и усилителя) обязан отвечать обоим требованиям: датчик тока должен
иметь как можно меньшее сопротивление, а усилитель, преобразующий падение
напряжения на нём — как можно большее. Чтобы лучше понять это, давайте
рассмотрим, что произойдёт при использовании датчика тока с большим
сопротивлением. По мере увеличения сопротивления датчика уменьшается
приложенное к нагрузке напряжение, а соответствующее увеличение напряжения на
датчике ведёт к увеличению его нагрева, что снижает надёжность системы. Основной причиной для увеличения сопротивления датчика является
увеличение выходного напряжения всей схемы, как показывает уравнение 1: Vout = G RSENSE ISENSE, (1) где произведение усиления G на сопротивление датчика
представляет собой усиление преобразователя в целом. Следовательно, увеличение
сопротивления датчика может потребоваться при использовании усилителя с
фиксированным или ограниченным коэффициентом усиления. Фактически входной
диапазон допустимых напряжений усилителя и максимальный ожидаемый ток в
нагрузке и определяют максимальное значение сопротивления датчика: Например, если максимальный ток в нагрузке составляет 50 мА, а
диапазон входных напряжений усилителя равен 250 мВ, то максимальное
сопротивление датчика при этом равно 5 Ом. В идеале разработчик не должен
увеличивать сопротивление датчика для компенсации недостаточного усиления. Если
усилитель имеет достаточно большое усиление и хорошую точность, разработчик
должен использовать минимально возможное сопротивление датчика тока, величина
которого определяется необходимой разрешающей способностью и напряжением
смещения усилителя: Например, если необходимая разрешающая способность составляет 1
мА, а напряжение смещения усилителя равно 1 мВ, то минимальное сопротивление
датчика составляет 1 Ом. Уравнение (3) является самым важным, т.к. показывает
прямую связь параметров датчика с характеристиками усилителя. Современные ИС усилителей обеспечивают кардинальное улучшение
параметров. Например, новая микросхема LTC6102 (см. рис. 2) производства Linear
Technology выполнена с использованием технологии с нулевым дрейфом. В
результате приведённый ко входу дрейф составляет всего 10 мкВ, а температурный
коэффициент дрейфа не превышает 50 нВ/°C. Следовательно, с этой ИС можно
использовать на порядки меньшие сопротивления датчиков тока, чем с ИС
предыдущего поколения. В то же время максимально допустимое входное напряжение
LT6102 составляет 2 В, что позволяет при низкой чувствительности нагрузки к
высоким сопротивлениям датчиков тока увеличивать их значения. Такое сочетание
большого допустимого входного напряжения с малым напряжением смещения даёт
динамический диапазон входных напряжений в 106 дБ, позволяя измерять токи в
несколько ампер с разрешающей способностью в микроамперы. Поскольку усиление ИС
устанавливается внешним резистором, то можно использовать эту ИС для измерения
очень малых токов, а при использовании прецизионных резисторов можно получить
погрешность установки коэффициента усиления меньше 1%. Улучшение этих характеристик не вызвало ухудшения других
параметров. Например, входной ток смещения не превышает 300 пА, а максимальное
синфазное напряжение составляет 105 В. При этом ослабление синфазного
напряжения — не менее 130 дБ, что обеспечивает увеличение напряжения смещения
всего на 32 мкВ при напряжении на датчике в 100 В. В то же время высокое
быстродействие усилителя (время установления выходного сигнала составляет 1
мкс) позволяет использовать его для аварийного отключения при неисправностях в
нагрузке или источнике питания. Типовую схему включения можно с лёгкостью заменить другой,
приспособленной под иные требования. Например, эту ИС можно с успехом
использовать в полумостовых драйверах электродвигателей для измерения токов в
плечах, что является, вероятно, самым эффективным способом измерения токов
ключей и обнаружения неисправностей. Очень удобно для этого использовать
сдвоенный усилитель LT6103, в котором имеются две прецизионные схемы
высокопотенциальных усилителей для токовых датчиков. В системах с автономным питанием ток в цепи батареи может течь в
двух направлениях (при зарядке и разрядке). В этом случае целесообразно
применить ИС LT6104, интересной особенностью которой является возможность
использования различных сопротивлений в качестве датчиков тока разряда и заряда
(хотя не возбраняется и применение в обоих случаях одного и того же датчика).
Использование отдельных резисторов может потребоваться потому, что токи в
режимах заряда и разряда могут существенно отличаться и применение резисторов с
разным сопротивлением позволяет разработчику выбрать подходящую для каждого
режима точность измерительной цепи. В некоторых случаях желательно иметь возможность измерения тока
в широком диапазоне потенциалов измерительной цепи, в том числе при нулевом
потенциале на датчике. Это позволяет точно измерять токи даже при коротком
замыкании в нагрузке. В этих условиях можно использовать микросхему LT6105. В
тех случаях, когда аппаратура должна работать при высоких температурах, следует
применить ИС LT6107, способную работать при температурах до 150°C. Усилители для высокопотенциальных датчиков тока позволяют
получить множество преимуществ при построении контрольных и управляющих схем.
Расширение использования, например, систем с батарейным питанием и систем
управления двигателями существенно увеличило спрос на усилители с большим
допустимым синфазным напряжением и повышенной точностью. Отвечая на эти
запросы, LT6102 стала надёжной основой для построения схем с большой точностью
измерений и широким диапазоном применения, а также основой для создания других
микросхем для специфических приложений. В результате усилители
высокопотенциальных датчиков тока соответствуют теперь лучшим образцам
современных аналоговых ИС, став прекрасной альтернативой менее точным и более
сложным в использовании схемам предыдущего поколения. Дополнительную информацию о микросхемах Linear Technology
см. в руководстве по применению, где представлены схемы для измерения тока
(www.linear.com/currentsense). 1 Для переключаемой или коммутируемой нагрузки включение датчика
между ключом и нагрузкой вызовет появление большой и, скорее всего,
высокочастотной синфазной помехи. Даже у усилителей с очень высоким
коэффициентом ослабления синфазного сигнала этот коэффициент существенно
снижается при повышении частоты этого сигнала, приводя к довольно большой
ошибке измерения. Чтобы избежать таких помех, резистор датчика следует включать
там, где он не будет подвержен влиянию коммутационных помех. www.russianelectronics.ruМиниатюрные датчики тока для силовых преобразователей. Схема датчик тока
Самодельные датчики — Меандр — занимательная электроника
При нажатии ногой или рукой на плоскость такого датчика (или нажатии рукой на определенное место на стене квартиры, офиса, если датчики-кнопки установлены под обоями) фольгированные контакты датчика замыкаются, и импульс слабого тока по соединительным проводам поступает на электрическую схему управления. Чувствительность такого плоского датчика высокая - он реагирует даже на небольшую нагрузку (собака или кот весом более 2 кг, пройдясь по датчику, способен включить свет). Важно для широкого круга читателей, что его вполне можно изготовить самостоятельно, применив смекалку, относительно тонкий диэлектрик и небольшое количество фольги (пищевой, оберточной или иной).
Такой вариант неоднократно публиковался в сочетании с другими типами операционных усилителей (далее - ОУ), поэтому он не претендует на оригинальность. В качестве пьезоэлемента использован капсюль ЗП-22, который из-за невысокой чувствительности реагирует только на удары, однако с успехом может применяться в охранных устройствах, например, для охраны целостности стеклянных окон. Для этого капсюль нужно надежно приклеить к стеклу, и датчик будет выдавать одиночные импульсы при ударах по стеклу и при постукиваниях в районе расположения капсюля.
На рис.3 показан более чувствительный вариант акустического датчика. В качестве микрофона ВМ1 используется любой угольный микрофон от старых телефонных аппаратов (МК-10, МК-16-У и аналогичные).
Усилитель для этой схемы (вместо VT1 и VT2) может быть любой конфигурации, но обязательно с большим коэффициентом усиления по току. Катушку наматывают проводом ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1...0,15 мм «внавал», 2500 витков, на любом подходящем картонном, деревянном или пластмассовом каркасе диаметром 8 мм. Внутрь каркаса вставляют сердечник из феррита марки 600-2000НН. Длина каркаса соответствует длине сердечника и находится в пределах 25...40 мм.
Чувствительность устройства регулируют резистором R1 задающим смещение на составном транзисторе. Чем больше сопротивление переменного резистора, тем чувствительнее схема.
Этот датчик представляет собой геркон с намоткой по всей длине стеклянного корпуса изолированного обмоточного провода диаметром 0,08...0,1 мм. Намотка «внавал» содержит 300-400 витков (в зависимости от практического назначения датчика).
Сразу после замыкания в электрической цепи, протекающий через нагрузку ток создает падение напряжения на обмотке L1.Возможно, Вам это будет интересно:
Миниатюрные датчики тока для силовых преобразователей
Диодные датчики тока в устройстве контроля включения нагрузки - Измерительная техника - Инструменты
Гальванически изолированные датчики тока в схемах на МК
Образцы датчиков тока для преобразователей
Что такое датчик тока? :: SYL.ru
Датчики переменного и постоянного тока
Датчики переменного тока
Разъемные датчики тока
Заключение
Усилители датчиков тока для разных приложений
Простое решение
Рис. 1. Типичная схема включения высокопотенциального измерителя тока
. (2)
. (3)Характеристики современных ИС для высокопотенциальных датчиков тока
Рис. 2. Использование LT6102 как усилителя датчика тока
Усилители для разных требований
Заключение
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: