ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАЗВЯЗКОЙ
DC SENSOR WITH ISOLATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах космических аппаратов.
Известен измерительный преобразователь постоянного тока (патент РФ №2234706), 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.
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 (патент SU №1291889), 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 ко второму выводу компенсационной обмотки, а второй вывод - ко второму выводу измерительного прибора.
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); элементы схемы (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 (патент SU №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 и помехоустойчивости.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике тока, содержащем измерительный шунт, первый вывод которого подключен к плюсовой шине питания, а второй к нагрузке, операционный усилитель (ОУ), четырехобмоточный трансформатор, первая обмотка которого через первый диод подключена к входу первого фильтра, выход которого является выходом устройства, вторая обмотка трансформатора через второй диод подключена к входу второго фильтра, положительный вывод питания ОУ подключен к первому выводу шунта, а отрицательный - к общей шине питания; введены два резистивных делителя напряжения с равными коэффициентами деления; первый делитель включен между первым выводом шунта и общей шиной, а второй - между вторым выводом шунта и общей шиной; инвертирующий вход ОУ подключен к выходу первого делителя, а неинвертирующий - к выходу второго делителя; положительный выход второго фильтра через введенный резистор подключен к неинвертирующему входу ОУ, а отрицательный - к инвертирующему входу ОУ; введен конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом ОУ; введен p-n-р-транзистор, эмиттер которого подключен к первому выводу шунта, база через резистор - к выходу ОУ, а коллектор - к входу введенного RC-фильтра; выход RC-фильтра подключен к шинам питания блокинг-генератора, собранному с использованием третьей и четвертой обмотки трансформатора и вновь введенных диода, двух резисторов, конденсатора и транзистора.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства (для упрощения фиг.1 на схеме не показаны: разрядные резисторы, параллельно соединенные с фильтрами (20, 22); базо-эмиттерный резистор транзистора (5).
Датчик постоянного тока с гальванической развязкой выхода устройства содержит: измерительный шунт (1), первый вывод которого подключен к плюсовой шине питания, а второй - к нагрузке (2); интегратор, собранный на операционном усилителе (3) и конденсаторе (4); регулирующий транзистор (5), база которого через резистор (6) соединена с выходом ОУ (3), а эмиттер - с плюсовым выводом питания ОУ и первым выводом шунта; минусовой вывод питания ОУ соединен с общей шиной; коллектор транзистора (5) подключен к входу RC-фильтра (7, 8); четырехобмоточный трансформатор (9) с обмотками (10-13); на элементах (9-11, 14-18) собран блокинг-генератор, шины питания которого подключены к выходу RC-фильтра (7, 8); в трансформаторе (9) обмотки (12 и 13) имеют одинаковый коэффициент трансформации; обмотка (13) через диод (19) подключена к фильтру (20), который является выходом устройства; обмотка (12) через диод (21) подключена к фильтру (22), положительный выход которого через резистор обратной связи (23) подключен к неинвертирующему входу «А» ОУ (3), отрицательный - к инвертирующему входу «В» ОУ (3); первый резистивный делитель напряжения, который собран на резисторах (24, 25) и включен между первым выводом шунта (1) и общей шиной; выход первого делителя (точка соединения 24 и 25) подключен к инвертирующему входу «В» ОУ (3); второй резистивный делитель, который собран на резисторах (26, 27) и включен между вторым выводом шунта (1) и общей шиной; выход второго делителя (точка соединения 26 и 27) подключен к неинвертирующему входу «А» ОУ (3); коэффициенты деления делителей должны быть обязательно одинаковы, но такими, чтобы не превысить допустимые входные синфазные напряжения конкретного ОУ (3).
Устройство работает следующим образом. При подаче питания начинает протекать ток через шунт (1) и нагрузку (2); на шунте (1) появляется падение напряжения:
ш
где U - падение напряжения на шунте (1);
ш
R - сопротивление шунта (1);
н
I - ток нагрузки (2).
При одинаковых сопротивлениях (24-27) коэффициенты деления первого и второго делителей будут равны двум, поэтому можно найти величину напряжения между неинвертирующим «А» и инвертирующим «В» входами ОУ (3):
A-В
пит
Из выражения [2] видно, что U не зависит от напряжения питания U.
За счет действия отрицательной обратной связи интегратор на ОУ (3) и каскад на транзисторе (5) будут подавать такое напряжение питания на блокинг-генератор, чтобы выпрямленное положительное напряжение, поступающее с фильтра (22) через резистор (23) в точку «А», компенсировало присутствующее в точке «А» относительно точки «В» отрицательное напряжение и становилось пренебрежимо малой величиной.
При изменении тока нагрузки будут одинаково меняться компенсирующее напряжение на фильтре (22) и напряжение на фильтре (20), 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 (3, 4) и RC-фильтра (7, 8).
ПИТ
Опытный образец при измерении тока от 0 до 0,5А 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 0,2% при U=8-30 В.
Опытный образец устройства был собран на микросхеме 140УД17А, транзисторах 2Т313Б и 2Т3117А, трансформаторе ТИЛ2 В, диодной сборке 2ДС627А, резисторах С2-29А, С2-33 и конденсаторах К10-17, К53-65.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.