УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ДАТЧИК ТОКА
PERFECTED CURRENT PICKUP

Объектом настоящего изобретения является усовершенствованный изолированный датчик тока, предназначенный для контролируемых устройств бортовой силовой электроники летательного аппарата.
Изобретение относится к области датчиков тока. В частности, областью применения изобретения является отслеживание/управление устройствами силовой электроники, получающими все более широкое распространение в авиации, на автомобильном транспорте, на железной дороге и в энергетике. В этих электронных системах измерение физической величины «ток» является переменной управления, которую необходимо измерять, чтобы управлять устройством.
Настоящее изобретение призвано предложить датчик, адаптируемый к среде авионики, и, в частности, датчик, хорошо выдерживающий большие температурные колебания.
Изобретение призвано также предложить датчик с широким диапазоном использования.
Изобретение призвано также предложить датчик с хорошей линейностью.
В предшествующем уровне техники известны несколько устройств, предназначенных для осуществления измерений тока и интегрированных в контуры контроля электронных устройств.
Самым очевидным способом измерения тока является резисторное шунтирование, при котором используют параллельно подключенный резистор с низким значением сопротивления и измеряют напряжение на его контактах. Уже при самом общем рассмотрении становится понятно, что этот метод не является удовлетворительным.
Измеряемые токи циркулируют в проводниках под высоким напряжением (сотни вольт), и не легко выделить это измерение и привести его к уровню электрической массы.
Часто требуется наличие изолирующего усилителя. Но в этом случае значительно усложняется соответствующая электроника (вторичное питание, соответствующее потенциалу проводника, трансформатор).
Резистор является элементом с сильным рассеянием тепла. Для осуществления измерения тока, как правило, его выбирают с низким значением сопротивления, чтобы свести к минимуму потери от рассеяния, но в этом случае недостатком является то, что приходится производить измерение при очень низких значениях напряжения (порядка нескольких милливольт) для слабых токов, что обуславливает существенное снижение точности. Поэтому необходимо выбрать компромисс между точностью и потерями, связанными с резистором измерения. Следовательно, при таком решении необходимо адаптировать устройство измерения к каждому случаю использования.
Другим известным решением является измерение тока при помощи датчика с эффектом Холла в замкнутом контуре. Это решение показано на фиг.1.
Рассмотрим главный проводник 101, через который проходит измеряемый ток Iprim. Главный проводник проходит в магнитном тороидальном сердечнике 102, функцией которого является концентрирование линий поля, создаваемых при прохождении тока Iprim в главном проводнике 101.
Элемент 103 с эффектом Холла помещают в зазор, выполненный в магнитном контуре. Элемент Холла создает напряжение Vh, пропорциональное магнитной индукции В, току I с и так называемой постоянной Холла. Это напряжение Vh усиливается усилителем 104 и преобразуется в пропорциональный ток Is.
Во вторичную обмотку 105 из Ns витков подают ток Is, Эту обмотку называют компенсационной обмоткой, так как при прохождении через нее тока Is она противодействует магнитодвижущей силе, создаваемой в торе главным проводником, таким образом, что Ns·Is-Nprim·Iprim=0.
Конечным выражением Vsense, измеряемого на контактах резистора 106 измерения и в точке измерения, в зависимости от величины тока Iprim является
Однако эти датчики с эффектом Холла характеризуются ограничениями, которые делают их использование сложным в определенных средах. Среди этих ограничений можно, по меньшей мере, назвать следующие:
- Опасность магнитного сдвига в случае избыточного тока. Эта перегрузка может вызвать непредвиденное насыщение, связанное с остаточным полем магнитного материала. Вследствие этого снижается точность датчика. Поэтому необходимо произвести его размагничивание. Следовательно, необходимо предусматривать частое техническое обслуживание.
- Как правило, этот датчик является очень чувствительным к температурным колебаниям. Расчетные постоянные, связывающие поле В с напряжением Vh в элементе Холла, меняются в зависимости от температуры. Элемент наводит также напряжения сдвига, что приводит к неточностям вблизи нуля тока.
В рамках настоящего изобретения эти проблемы решаются за счет применения устройства, содержащего магнитный тороидальный сердечник с частичной обмоткой, при этом витки этой обмотки питаются от генератора колебаний. На фиг.2 показан базовый вариант выполнения изобретения.
На фиг.2 показан магнитный тороидальный сердечник 201, характеризующийся своими геометрическими размерами, где Le является его эффективной длиной, а Ае - его эффективной площадью. Этот тороидальный сердечник характеризуется также магнитными свойствами, выражающимися в его петле гистерезиса B=fct(H). В - магнитная индукция, Н - напряженность магнитного поля.
На фиг.2 показан также первичный проводник 202, в котором протекает ток Iprim. Этот проводник образует Nprim витков вокруг тороидального сердечника. В примере, представленном на фиг.2, Nprim равно 1.
Рассмотрим вторичный проводник 203, называемый возбуждающей обмоткой, причем этот проводник соединен с одной стороны с генератором 204 прямоугольных колебаний и с другой стороны с резистором 205 (со значением сопротивления Rsense), обеспечивающим измерение тока Isec. Эта обмотка содержит число Nsec витков (как правило, около тысячи).
Генератор 204 прямоугольных колебаний выдает прямоугольное напряжение Vosc, которое колеблется между напряжениями +Е и -Е. Функцией этого генератора является поочередное доведение магнитного материала до состояния насыщения от +Bsat до -Bsat (то есть с изменением магнитной индукции ΔВ) на частоте Fosc.
В этих условиях наблюдаемый ток Isec будет следовать с постоянным запаздыванием и соответственно известной кривой за изменением напряжения Vosc.
Если в первичном проводнике нет никакого тока, то кривая этого тока идеально сосредоточена вокруг нуля тока.
Если же, наоборот, в первичном проводнике циркулирует ток, на уровне петли гистерезиса происходит нарушение равновесия. Это нарушение равновесия выражается на уровне вторичного тока в появлении среднего тока.
Этот средний ток является отражением первичного тока. Его значение соответствует уравнению преобразования:
В соответствии с настоящим изобретением этот средний ток Isec выделяют, что позволяет вывести значение измеряемого тока Iprim. Выделение осуществляют путем интегрирования тока Isec.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является датчик тока, содержащий:
- магнитный тороидальный сердечник,
- первичную обмотку, в которой протекает измеряемый ток и которую наматывают вокруг магнитного тороидального сердечника,
- вторичную обмотку, намотанную вокруг магнитного тороидального сердечника,
- электронный генератор колебаний, подключенный между электрической массой и первым контактом вторичной обмотки,
- резистор измерения, подключенный между электрической массой и вторым контактом вторичной обмотки через схему выделения.
В варианте выполнения датчик в соответствии с настоящим изобретением характеризуется также тем, что магнитный тороидальный сердечник имеет тонкое сечение, порядка микрометра.
В варианте выполнения датчик в соответствии с настоящим изобретением характеризуется также тем, что число витков первичной обмотки равно 1, то есть речь идет о простом проводе, проходящем через магнитный тороидальный сердечник.
В варианте устройство в соответствии с настоящим изобретением отличается также тем, что число витков первичной обмотки превышает 1.
В варианте устройство в соответствии с настоящим изобретением отличается также тем, что число витков первичной обмотки составляет порядка тысячи.
В варианте устройство в соответствии с настоящим изобретением характеризуется также тем, что схема выделения является интегрирующей схемой, входами которой соответственно являются электрическая масса и контакт вторичной обмотки, с которым соединен резистор измерения, при этом выход интегрирующей схемы соединен с контактом резистора измерения, не соединенным с вторичной обмоткой.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера выполнения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - датчик из предшествующего уровня техники;
фиг.2 - базовый датчик в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - схема практического применения датчика в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - вариант материального выполнения магнитного тороидального сердечника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - иллюстрация взаимосвязи изменения сигналов Vosc, Vsec, Iprim и Vint во времени.
На фиг.3 показан первичный проводник 302, например электрический провод любого сечения или дорожка на электронной схеме, при этом указанный проводник проходит через магнитный тор 301, образуя, таким образом, контур из Nprim=1 виток вокруг тороидального сердечника 301. Этот проводник является первичной обмоткой, через которую проходит предназначенный для измерения ток Iprim.
В варианте применения изобретения тороидальный сердечник 301 имеет микрометрическое сечение порядка нескольких десятков микрометров. Такой тороидальный сердечник показан на фиг.4.
На различных чертежах идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.4 показан проводник 302, который через центральное отверстие проходит через механический тороидальный сердечник 401 квадратного сечения. На практике это сечение может быть другим, например круглым или прямоугольным. В центре тороидальный сердечник 401 имеет выемку в виде проема 403.
Тороидальный сердечник 401 состоит из нескольких элементов. Тороидальный сердечник 401 содержит основание 402, выполненное в немагнитной и электрически не проводящей подложке. Таким образом, основание 402 имеет сечение в виде венца.
Тороидальный сердечник 401 содержит также, по меньшей мере, на одной из своих сторон вблизи проема 403 замкнутый магнитный контур 404 микрометрического размера, на практике в несколько десятков микрометров. Этот контур 404 выполняют из электромагнитного материала, нанесенного на основание 402 при помощи способа микрометрической трафаретной печати, при этом самыми распространенными из таких способов являются:
- электрохимия,
- напыление,
- напыление и термическая обработка в случае использования ферритов.
Тороидальный сердечник 401 содержит также на контуре 404 изолирующий слой 405 толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Этот изолирующий слой выполняют при помощи способа микрометрической трафаретной печати, при этом наиболее распространенными для этой операции являются:
- фотолитография для изоляционных материалов типа полимеров, или
- нанесение металлических оксидов, например SiO2 или Аl2O3.
Наконец, тороидальный сердечник 401 содержит намотанную вокруг тороидального сердечника 401 обмотку 406, соответствующую вторичной обмотке в соответствии с настоящим изобретением, тоже выполняемую при помощи способа микрометрической трафаретной печати типа способов, используемых для выполнения тороидального сердечника 404. Обмотка 406 содержит два конца 407 и 408, с которыми соединяют другие элементы датчика в соответствии с настоящим изобретением.
Все тороидальные сердечники 402, 404, 405 и 406 покрывают защитной литой оболочкой 409, которая изолирует указанные тороидальные сердечники, оставляя открытым проем 403 и доступными концы 407 и 408 для соединения с ними других элементов в соответствии с настоящим изобретением.
Этот монтаж позволяет получить хорошую изоляцию между схемой, в которой необходимо измерять физическую величину, и самой измерительной схемой. Таким образом, получают изолированный датчик тока.
На фиг.3 показана вторичная обмотка 406, содержащая Nsec=1000 витков.
На фиг.3 показано, что конец 407 соединен со схемой 303 генератора колебаний, а конец 408 соединен с интегрирующей схемой 304.
На фиг.3 показано, что схема 303 генератора колебаний содержит операционный усилитель 305. Этот операционный усилитель 305 содержит:
- неинвертирующий вход 306,
- инвертирующий вход 307,
- вход 308 положительного питания,
- вход 309 отрицательного питания, и
- выход 310, выдающий выходное напряжение Vosc.
Вход 306 соединен с электрической массой 311 через резистор R1.
Вход 306 соединен с выходом 310 через резистор R2.
Вход 307 соединен напрямую с концом 408.
Вход 308 соединен с потенциалом +Е.
Вход 309 соединен с потенциалом -Е.
Выход 310 соединен с концом 407.
На фиг.3 показано, что интегрирующая схема 304 содержит операционный усилитель 312. Этот операционный усилитель 312 содержит:
- неинвертирующий вход 313,
- инвертирующий вход 314,
- выход 315, выдающий выходное напряжение Vint.
Вход 313 соединен с электрической массой 311.
Вход 314 соединен с концом 408 через резистор Rint.
Вход 314 соединен с выходом 315 через конденсатор Cint.
Выход 315 соединен с концом 408 через резистор Rsense, который является резистором измерения.
Для этих схем 303 и 304 значения компонентов значительно меняются в зависимости от назначения. Вместе с тем, легко реализовать датчик с R1, R2 и Rint порядка 10 кОм, Rsense порядка 100 Ом и Cint порядка 10 нФ.
Во время работы схема 303 является автономным генератором напряжения. Она является компаратором, инвертирующий вход 307 и неинвертирующий вход 306 которого колеблются между E и -Е. Положительная реакция системы обеспечивается за счет замыкания выхода на неинвертирующий вход при коэффициенте усиления G<1. Здесь следует напомнить, что в случае этого монтажа коэффициент усиления G равен R1/(R1+R2).
Таким образом, генератор напряжения является компаратором, выходное напряжение которого может меняться от +Е до -Е. Это напряжение заставляет ток Isec протекать в обмотке 406. Этот ток приводит к насыщению магнитный тороидальный сердечник. Напряжение Vosc повышается и, в зависимости от случая, достигает  или .
В этот момент компаратор переключается, и насыщение начинается в обратном направлении, как показано на фиг.5, где Vosc является прямоугольным напряжением с частотой Fosc.
Частота колебания (Fosc) определяется скоростью насыщения магнитного тороидального сердечника. Эту частоту определяют при помощи закона Фарадея:
На фиг.5 показано также напряжение Vsec в зависимости от изменения Vosc. Напряжение Vsec отслеживает напряжение Vosc с искажением, связанным с наличием магнитного тороидального сердечника. Напряжение Vosc имеет нулевое среднее значение, кроме случая, когда в проводнике 302 меняется ток. В этом случае происходит изменение напряжения Vosc, которое затем восстанавливается в своей устойчивой форме в результате действия интегрирующей схемы 304.
Во время работы схема 304 является замкнутой системой, включающей компаратор и функцию «интегратора» коэффициента усиления Ki, которая позволяет выделить характеристику среднего значения тока Iprim, то есть потенциал Vint. Это напряжение опять подается на Rsense, что позволяет отслеживать колебание в центре петли гистерезиса, компенсируя дисбаланс, создаваемый магнитодвижущей силой первичного тока. Здесь следует напомнить, что в случае такого монтажа коэффициент усиления Ki равен l/(Rint · Cint).
Когда в проводнике Nprim протекает ток (Т0), наблюдают сдвиг среднего напряжения Vsec. Это напряжение сравнивают с контрольным значением 0 вольт. Результат этого сравнения компенсируют при помощи интегрирующей схемы. Выходное напряжение опять направляют на Rsense, чтобы аннулировать среднюю составляющую.
Диаграммы 502 и 503 на фиг.5 показывают влияние ступенчатой функции тока Istep на Vsec. Среднее значение меняется, пока компенсирующий контур не среагирует и не переустановит (Т1) среднее значение Vsec на 0 вольт путем подачи напряжения Vint. В этом случае значение Vint является непосредственным отражением измеряемого тока Iprim, определяемым основным отношением
Таким образом, измерение Vint позволяет узнать Iprim и, следовательно, получить величину, позволяющую контролировать устройство.
По сути дела, за счет физической конструкции обеспечивают разделение между первичным проводником 302 и схемой измерения в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, можно легко добиться электрической изоляции в несколько тысяч вольт.
Датчик в соответствии с настоящим изобретением позволяет добиться более высокой точности по сравнению с другими способами измерения. Точность измерения в основном связана с точностью резистора Rsense. Этот резистор является маломощным, и его легко найти в диапазоне точности порядка 0.1% и с низкой чувствительностью к температурным условиям.
Принцип компенсации магнитодвижущей силы при помощи интегратора позволяет производить выделение и измерение с нулевой погрешностью. При этом компенсируют непосредственно магнитодвижущую силу, а не ее отражение, получаемое через промежуточный датчик, который и порождает погрешность.
Динамика датчика связана со скоростью прохождения петли гистерезиса. Закон Фарадея предопределяет эффективное сечение тороидального сердечника в несколько десятков микрометров. В этом случае можно получить полосу пропускания >100 кГц.
Не возникает проблемы магнитного сдвига, так как магнитный тороидальный сердечник насыщается постоянно. Он намагничивается и размагничивается при каждом колебании.
Преобразующий эффект обеспечивает хорошую линейность.
Наличие интегратора обеспечивает отсутствие сдвига вблизи нуля тока.
Таким образом, датчик в соответствии с настоящим изобретением обладает всеми искомыми преимуществами.
Поэтому датчик в соответствии с настоящим изобретением можно применять в критической промышленной среде, такой как летательный аппарат. Среди возможных вариантов применения можно, по меньшей мере, указать;
- Электрические домкраты и приводы, использующие автоматические синхронные машины с постоянными магнитами (двигатели "brushless") (электрические тормоза ЕМА, EABS).
- Устройства типа электрического «насоса», использующие автоматические двигатели "brushless", связанные с силовой электроникой (устройство топливного насоса, насос ЕНА).
- Устройство защиты силовых выключателей (выключатели GFI, SEPDS, SSPC).
- Преобразователи мощности будущих электрических сетей самолетов. Можно указать преобразователи постоянного тока в постоянный для высоковольтных сетей известных типов, преобразователи с синусоидальным поглощением, называемые также PFC.
- Источники питания с квантованием.