Датчик тока
CURRENT SENSOR

Изобретение относится к области силовой электроники и измерительной техники, а именно к области датчиков тока, и может быть использовано при построении систем измерения постоянного, переменного и импульсного токов, в частности, в качестве датчиков тока в устройствах контроля и защиты электроэнергетических объектов как в наземных условиях, так и на борту летательных аппаратов.
Известны датчики тока: см. Патент RU 2114439. Устройство для измерения тока; А.С. SU 1265628. Датчик постоянного и переменного тока; А.С. SU 1511696. Датчик постоянного и переменного тока; А.С. SU 1673998. Датчик постоянного и переменного тока. Общими недостатками указанных датчиков являются значительная величина пульсации выходного напряжения, что снижает точность показаний, а следовательно значительно сужает диапазон их возможного использования, и относительно невысокий диапазон рабочих частот.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип датчик тока, содержащий первый и второй трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены согласно, а в качестве общей первичной обмотки используется шина с измеряемым током, компаратор, выполненный на операционном усилителе (ОУ), выход которого подключен к началу вторичной обмотки первого трансформатора, преобразователь тока в напряжение, выполненный на ОУ, инвертирующий вход которого подключен к концу вторичной обмотки второго трансформатора, неинвертирующий вход заземлен, а выход через резистор соединен с инвертирующим входом ОУ, резистор, один вывод которого подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, а другой вывод заземлен (см. United States Patent Number 5,008,612, Date of Patent Apr. 16, 1991. CURRENT SENSOR).
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в снижении пульсаций выходного напряжения, обеспечении автоматического запуска схемы при включении, а так же нормальное функционирование датчика в широком частотном и температурном диапазонах. Указанные задачи решаются за счет того, что датчик тока, содержащий первый и второй трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены согласно, а в качестве общей первичной обмотки используется шина с измеряемым током, компаратор, выполненный на операционном усилителе (ОУ), выход которого подключен к началу вторичной обмотки первого трансформатора, преобразователь тока в напряжение, выполненный на ОУ, инвертирующий вход которого подключен к концу вторичной обмотки второго трансформатора, неинвертирующий вход заземлен, а выход через резистор соединен с инвертирующим входом ОУ, резистор, один вывод которого подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, а другой вывод заземлен, дополнительно содержит первый и второй дифференциальные усилители (ДУ), выходы каждого из которых через резисторы соединены с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого заземлен, неинвертирующий вход первого ДУ подключен к общей точке двух резисторов, являющихся делителем напряжения, второй конец одного из резисторов заземлен, а второй конец другого резистора подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, между выходом первого ДУ и его инвертирующим входом, а также между его инвертирующим входом и выходом компаратора включены резисторы, неинвертирукющий вход второго ДУ подключен через резистор к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, между инвертирующим входом второго ДУ и его выходом, а также между его инвертирующим входом и концом вторичной обмотки второго трансформатора включены резисторы, пусковой конденсатор, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго ДУ, а другой вывод заземлен.
При этом вторичные обмотки первого и второго трансформаторов выполнены с одинаковым числом витков N, а сердечники первого и второго трансформаторов выполнены из магнитомягкого материала.
Техническим результатом использования данного изобретения является снижение пульсаций выходного напряжения и организация автоматического запуска схемы при включении, что обеспечивается наличием цепи вывода сердечников из состояния насыщения при включении питания. Частотный диапазон предлагаемого изобретения существенно превышает рабочий диапазон датчиков, выпускаемых такими фирмами как LEM, Honeywell и Allegro, полоса пропускания которых находится в районе 200 кГц. Температурный диапазон работы предлагаемого изобретения также шире по сравнению с выпускаемыми датчиками, нижний предел которых часто ограничен величиной -40°С.
Технический результат обеспечивается тем, что, в отличие от прототипа, режим автоколебаний, создаваемый компаратором совместно с первым дифференциальным усилителем, поддерживается не по разнице токов намагничивания путем их непрерывного контроля, а по разнице напряжений на обмотках, что позволяет снизить импульсы токов намагничивания, а следовательно, и пульсации выходного напряжения. Причина возникновения пульсаций выходного напряжения заключается в следующем. К моменту окончания полупериода работы трансформатора, когда рабочая точка, характеризующая магнитное состояние сердечника трансформатора, приближается по петле Гистерезиса к точке насыщения, сердечник готов к насыщению. Далее, если позволить рабочей точке переместиться в зону насыщения, где (dΦ/dt)=0, ток намагничивания возрастет до значительной величины. Резкое изменение возросшего тока (di/dt) приводит к возникновению броска ЭДС трансформатора е=-L(di/dt), а следовательно, и к пульсации выходного напряжения. Для снижения пульсации надо по существу предотвратить насыщение сердечника трансформатора. Контроль напряжения на обмотках трансформатора позволяет фактически предотвратить насыщение сердечника трансформатора и существенно снизить пульсации выходного напряжения.
Схема, построенная на компараторе и первом ДУ, является, по сути, мультивибратором, состояние выхода которого зависит от распределения напряжения между вторичными обмотками трансформаторов. Пульсации выходного напряжения возникают как следствие процесса перемагничивания сердечников, их амплитуда прямо пропорциональна ширине петли гистерезиса (коэрцитивной силе) сердечника. Поэтому магнитопроводы сердечников первого и второго трансформаторов выполнены из магнитомягкого материала. Пусковой конденсатор служит для запуска автоколебаний при подаче питания на схему вне зависимости от магнитного состояния сердечников только в начальный момент пуска. Частотный диапазон предлагаемого изобретения ограничивается по существу лишь частотным диапазоном входящих в его состав операционных усилителей, который характеризуется десятками и сотнями МГц. Схема не содержит частотно зависимых узлов и элементов, работа которых повлияла бы на точность показаний датчика при измерении переменного тока на повышенных частотах. Значительно шире и температурный диапазон работы заявляемого изобретения, характеристики материала сердечника и полупроводниковых компонентов позволяют использовать датчик тока в широком диапазоне температур (-60°С-+125°С).
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого датчика тока. Схема содержит источник измеряемого тока 1, протекающего по первичным обмоткам трансформаторов 2 и 3 (шина с измеряемым током), компаратор 4, преобразователь тока в напряжение 5 с резистором обратной связи 18 и заземленным неинвертирующим входом, дифференциальные усилители 6 и 7, резистор 8, один вывод которого соединен с общей точкой включенных последовательно согласно вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3, а другой вывод заземлен, пусковой конденсатор 19, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу ДУ 7, а другой вывод заземлен, выходы ДУ 6 и 7 через резисторы 9 и 10 соединены с инвертирующим входом компаратора 4, неинвертирующий вход которого заземлен, между инвертирующими входами и выходами ДУ 6 и 7 включены резисторы обратной связи 12 и 17, инвертирующий вход ДУ 6 через резистор 11 соединен с началом вторичной обмотки трансформатора 2, неинвертирующий вход ДУ 6 соединен через резистор 14 с землей, а через резистор 13 с концом второичной обмотки трансформатора 2. Неинвертирующий вход ДУ 7 через резистор 15 соединен с началом вторичной обмотки трансформатора 3, а его инвертирующий вход через резистор 16 соединен с концом той же обмотки.
Схема датчика тока работает следующим образом. Операционные усилители, на которых построены компаратор 4, преобразователь тока в напряжение 5 и ДУ 6 и 7 питаются от источника двуполярного напряжения. Компаратор 4 служит для создания на последовательно включенных вторичных обмотках трансформаторов 2 и 3 прямоугольных импульсов двуполярного напряжения. Под действием этого напряжения происходит процесс перемагничивания сердечников в соответствии с характеристиками материала, из которого они выполнены.
Благодаря наличию резистора 8 напряжение между вторичными обмотками трансформаторов распределяется не одинаково. В начальный момент времени большее напряжение приложено к вторичной обмотке трансформатора 2. В связи с этим скорость его перемагничивания выше, чем у второго сердечника. В этот момент работает цепь положительной обратной связи, включающая в себя компаратор 4 и ДУ 6, поддерживая компаратор 4 в исходном состоянии. В результате сердечник трансформатора 2 достигает точки насыщения значительно раньше, при этом сердечник трансформатора 3 остается ненасыщенным. Как только сердечник трансформатора 2 приблизится к точке насыщения напряжение вторичной обмотки становится равным нулю. Все выходное напряжение компаратора 4 будет приложено к вторичной обмотке трансформатора 3. В этот момент в работу вступает цепь отрицательной обратной связи, включающая ДУ 7, в результате чего скачком изменяется полярность напряжения на выходе компаратора 4. Начинается процесс перемагничивания сердечников в противоположную сторону. Заметим, что положительная и отрицательная обратные связи, построенные на ДУ 6 и 7, характеризуются подключением их инвертирующих входов к разноименным концам вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3. Далее все процессы повторяются. Таким образом, сердечник трансформатора 3 никогда не успевает дойти до насыщения. В результате этого обеспечивается передача тока первичной шины, проходящей через окна сердечников трансформаторов 2 и 3, во вторичную обмотку трансформатора 3 с коэффициентом трансформации 1/N.
Преобразователь тока в напряжение 5 служит для преобразования тока вторичной обмотки трансформатора 3 в выходное напряжение.
По мнению авторов предлагаемое изобретение может быть использовано как в наземной, так и в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.