УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАЗВЯЗКОЙ И НИЗКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ
UNIVERSAL DC SENSOR WITH UNCOUPLING AND LOW-VOLTAGE POWER SUPPLY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах космических аппаратов.
Известен измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитопровод, охватывающий токопровод с измеряемым током, причем магнитопровод имеет узкий зазор, в котором расположен датчик Холла, усилитель мощности, причем его вход соединен с одним из выходных зажимов датчика Холла, а другой выходной зажим последнего соединен с земляной шиной, обмотку отрицательной обратной связи, включенную между выходом усилителя мощности и нагрузкой, другой вывод которой подсоединен к земляной шине, усилитель мощности содержит последовательно соединенные усилитель переменного напряжения на основе дифференцирующего операционного усилителя, запоминающее устройство и усилитель тока, а токовые зажимы датчика Холла присоединены к источнику синусоидального тока, причем один из токовых выводов соединен с земляной шиной, а другой вывод подсоединен к последовательно соединенным компаратору напряжения и формирователю импульсов, выход последнего соединен с входом управления запоминающего устройства (патент РФ №2234706).
Известное устройство имеет несомненные достоинства, такие как:
- наличие гальванической развязки выхода устройства 12 от токопровода 2;
- для него не требуется образцовый резистор (шунт);
- токопровод 2 может быть включен в любую шину, в которой необходимо измерять ток - хоть в положительную, хоть в отрицательную.
Однако это устройство недостаточно надежно, так как имеет большое количество функциональных узлов (4, 6, 10, 11) и, следовательно, элементов, для него требуется вторичный источник питания (на фиг.1 он не показан), что в целом увеличивает количество элементов в устройстве, увеличивает его габариты и массу.
Известен измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий первый и второй магнитопроводы, на первом из которых размещена первая рабочая обмотка, на втором - вторая, на обоих магнитопроводах одновременно размещены обмотка смещения, компенсационная и измерительная обмотки, вентильный блок с двумя входными выводами, первый из которых подключен к первому выходному выводу источника переменного тока, первый выходной вывод вентильного блока соединен со вторым через последовательно включенные источник постоянного тока и обмотку смещения, первый вывод компенсационной обмотки соединен с первым выводом измерительного прибора, а выводы измерительной обмотки соединены с входными шинами, эталонный резистор, усилитель постоянного тока и шунтирующий резистор, при этом магнитопроводы помещены в магнитный экран, поверх которого размещены измерительная и компенсационная обмотки, вентильный блок выполнен с дополнительными двумя парами выходных выводов, к каждой из которых подключена одна из рабочих обмоток, второй входной вывод вентильного блока соединен со вторым выходным выводом источника переменного тока, между первым и вторым выводами вентильного блока включен эталонный резистор, кроме того они подключены к входу усилителя постоянного тока, параллельно выводам которого подключен шунтирующий резистор, первый вывод которого подключен к второму выводу компенсационной обмотки, а второй вывод - к второму выводу измерительного прибора (авт. свид. СССР №1291889).
Однако это устройство для измерения тока недостаточно надежно и имеет большие габариты и массу из-за наличия большого количества элементов, необходимых для его реализации (элементы: в источнике 9 переменного тока; вентильных блоках 10, 11; в усилителе постоянного тока 13, для которого необходим вторичный источник питания - на фиг.1 он не показан; 1 - 8, на которых, по существу, выполнен магнитный усилитель).
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности (прототипом) является устройство для измерения тока, содержащее усилитель постоянного тока с развязкой (авт. свид. СССР №1336200) с подключенным к его входу измерительным шунтом.
Недостатками прототипа являются: недостаточно высокая надежность из-за наличия большого количества элементов - для питания усилителя 1 требуется дополнительный двухполярный вторичный источник питания, что увеличивает общее количество элементов и габариты устройства минимум в два раза; недостаточно высокая помехоустойчивость из-за наличия в устройстве одновременно положительной и отрицательной обратных связей.
Целью изобретения является упрощение устройства, повышение надежности, помехоустойчивости, долговременной точности, придание устройству способности работать от одного источника с пониженным напряжением питания и универсальности - возможность работать с измерительным резистором (шунтом) включенным в любую шину питания (плюс или минус).
Поставленная цель достигается тем, что в датчике тока, содержащем измерительный шунт, который включен последовательно с нагрузкой, операционный усилитель (ОУ), трансформатор, имеющий четыре обмотки, введены четыре перепаиваемых переключающих перемычки; первый вывод измерительного шунта подключен ко второму выводу нагрузки, нормально разомкнутому контакту третьей перемычки и нормально замкнутому контакту четвертой перемычки; второй вывод шунта подключен к переключающему контакту второй перемычки; первый вывод нагрузки подключен к переключающему контакту первой перемычки; нормально замкнутые контакты первой и третьей перемычки соединены с нормально разомкнутым контактом второй перемычки и подключены к общей шине минус; нормально разомкнутые контакты первой и четвертой перемычки соединены с нормально замкнутым контактом второй перемычки и шиной плюс; введен интегратор, собранный на операционном усилителе и введенном конденсаторе; введен регулирующий транзистор p-n-p типа, база которого через резистор соединена с выходом ОУ и через другой резистор с эмиттером этого же транзистора, а эмиттер - подключен к плюсовому выводу питания ОУ и шине плюс; минусовой вывод питания ОУ соединен с общей шиной; коллектор регулирующего транзистора подключен ко входу введенного RC-фильтра, выход которого подключен к шинам питания введенного блокинг-генератора, собранного с использованием транзистора двух резисторов, конденсатора, диода и двух обмоток трансформатора; две другие обмотки с одинаковыми коэффициентами трансформации подключены к введенным умножителям (например, утроителям) напряжений, выходы которых подключены к шунтирующим резисторам; выход первого умножителя подключен к выходу устройства; положительный выход второго умножителя через резистор обратной связи подключен к неинвертирующему входу ОУ, а отрицательный - к инвертирующему входу ОУ; введены два резистивных делителя с одинаковыми коэффициентами деления; первый делитель включен между шиной плюс и переключающим контактом третьей перемычки, а его выход соединен с инвертирующим входом ОУ; второй делитель включен между переключающим контактом четвертой перемычки и общей шиной, а его выход соединен с неинвертирующим входом ОУ; введен балансировочный резистор с отводами, который подключен к балансировочным выводам ОУ; введена пятая перепаиваемая перемычка, которая включена между шиной плюс и одним из выводов балансировочного резистора.
На рисунке представлена принципиальная электрическая схема устройства (для наглядности рисунка перепаиваемые проволочные перемычки 1-4 изображены как однополюсные двухпозиционные переключатели и показаны в положении, когда шунт подключен к шине плюс, а перемычка 44 изображена как перепаиваемый однополюсный многопозиционный переключатель, который показан в положении подключения к среднему выводу балансировочного резистора 43).
Датчик постоянного тока с гальванической развязкой выхода устройства от шин питания содержит: четыре перепаиваемых переключающих перемычки 1-4; измерительный шунт 5, первый вывод которого подключен ко второму выводу нагрузки 6, нормально разомкнутому контакту перемычки 3 и нормально замкнутому контакту перемычки 4; второй вывод шунта 5 подключен к переключающему контакту перемычки 2; первый вывод нагрузки 6 подключен к переключающему контакту перемычки 1; нормально замкнутые контакты перемычек 1 и 3 соединены с нормально разомкнутым контактом перемычки 2 и подключены к общей шине минус; нормально разомкнутые контакты перемычек 1 и 4 соединены с нормально замкнутым контактом перемычки 2 и шиной плюс; интегратор, собранный на операционном усилителе 7 и конденсаторе 8; регулирующий транзистор 9, база которого через резистор 10 соединена с выходом ОУ 7 и через резистор 11 - с эмиттером, а эмиттер - с плюсовым выводом питания ОУ и шиной плюс; минусовой вывод питания ОУ соединен с общей шиной; коллектор транзистора 9 подключен к входу RC-фильтра 12, 13; четырехобмоточный трансформатор 14 с обмотками 15-18; на элементах 14-16, 19-23 собран блокинг-генератор, шины питания которого подключены к выходу RC-фильтра 12, 13; в трансформаторе 14 обмотки 17 и 18 имеют одинаковый коэффициент трансформации; обмотка 18 через умножитель напряжения - утроитель (элементы 24-29) подключена к шунтирующему резистору 30, и выходу устройства; обмотка 17 через умножитель напряжения - утроитель (элементы 32-37) подключена к шунтирующему резистору 37; положительный выход умножителя (элементы 31-36) через резистор обратной связи 38 (он определяет верхнюю точку измерительного диапазона) подключен к неинвертирующему входу A ОУ 7, а отрицательный - к инвертирующему входу B ОУ 7; первый резистивный делитель напряжения, который собран на резисторах 39, 40 и включен между плюсовой шиной питания и переключающим контактом перемычки 3; выход первого делителя (точка соединения 39 и 40) подключен к инвертирующему входу B ОУ 7; второй резистивный делитель, который собран на резисторах 41, 42 и включен между переключающим контактом перемычки 4 и общей шиной; выход второго делителя (точка соединения 41 и 42) подключен к неинвертирующему входу A ОУ 7; коэффициенты деления делителей с высокой точностью равны двум, т.к. собраны на четырех прецизионных резисторах одного номинала; балансировочный резистор 43 с дополнительными отводами, крайние выводы которого подключены к балансировочным выводам ОУ 7, а один из отводов, при настройке устройства на минимальное выходное напряжение при нулевом измерительном токе, соединяется перепаиваемой перемычкой 44 с шиной плюс.
Устройство работает следующим образом. При подаче питания начинает протекать ток через шунт 5 и нагрузку 6; на шунте 5 появляется падение напряжения:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>ш</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
, (1)
ш
где U - падение напряжения на шунте 5;
ш
R - сопротивление шунта 5;
ш
I - ток нагрузки 6.
При одинаковых сопротивлениях 39-42 коэффициенты деления первого и второго делителей будут равны двум, поэтому можно найти величину напряжения между неинвертирующим A и инвертирующим B входами ОУ 7:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>A</mi><mo>−</mo><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mtext> </mtext><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mi>ш</mi></msub></mrow>
(2)
A-B
пит
Из выражения (2) видно, что U не зависит от напряжения питания U.
За счет действия отрицательной обратной связи интегратор на ОУ 7 и каскад на транзисторе 9 будут подавать такое напряжение питания на блокинг-генератор, чтобы положительное напряжение, поступающее с выхода умножителя (элементы 31-36) через резистор 38 в точку A, компенсировало присутствующее в точке A относительно точки B отрицательное напряжение (2) до пренебрежимо малой величины.
При изменении тока нагрузки будут одинаково меняться компенсирующее напряжение на выходе умножителя (элементы 31-36) и напряжение на выходе умножителя (элементы 24-29), т.е. будет производиться преобразование U=f(I) с гальванической развязкой.
Предложенное устройство проще, т.к. содержит меньше элементов и, следовательно, его надежность выше. Помехоустойчивость устройства повышена за счет введения интегратора 7, 8 и RC-фильтра 12, 13. Напряжение питания устройства удалось уменьшить введением в него умножителей напряжения, сохранив тем самым возможность использования унифицированных трансформаторов. Повышена долговременная точность устройства введением балансировки ОУ 7 перепайкой перемычки 44 к одному из дополнительных выводов балансировочного резистора 43, т.е. исключен малонадежный подвижный контакт подстроечного резистора (рекомендуемая схема балансировки ОУ приведена на рис.7 на л.56 в АЕЯР.431130.187-17ТУ). Повышена универсальность устройства простой перепайкой четырех перемычек измерительный шунт можно включить в шину плюс или минус (это может понадобиться разработчику конструкторской документации, когда на момент ее выпуска, по каким-либо причинам, на 100% не известно, в какую шину включать шунт).
пит
Опытный образец при измерении тока от 0 до 0,6 А с шунтом 0,1 Ом и выходном напряжении от 0 до 6 В в нормальных условиях имел нелинейность выходной характеристики U=f(I) не более 1% при U=3,7-5,5 В.
Опытный образец устройства был собран: на микросхеме 140УД17А; транзисторах 2Т313Б и 2Т3117А; трансформаторе ТИЛ2В; диодной сборке 2ДС627А; резисторах С2-29В, С2-33Н, резистивной сборке Б19К-1-1 (балансировочный резистор 44); конденсаторах К10-17, К53-65.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.