Датчик тока: что такое, схема подключения, сборка своими руками

Схема датчика тока на основе датчика холла

При проведении измерений в автомобильной электрике часто приходится снимать осциллограммы величин тока. Другими словами, не просто измерять, а подробно изучать. Классически для таких целей используются токовые трансформаторы или резисторы. Однако последние имеют частотные ограничения и влияют на изучаемую схему. Токовой датчик, основанный на регуляторе Холла, призван решить эту проблему.

Все бы хорошо, но стоят такие датчики недешево. Если же суметь собрать такой вариант своими руками, то можно неплохо сэкономить. Чтобы суметь изготовить модель собственного производства, можно использовать несколько эффективных схем.

Схема на микросхеме 711

ACS 711 – тот самый чип, благодаря которому удастся изготовить токовый датчик или ТД на основе ДХ (датчика Холла). ЧД такого датчика будет равен почти 100 кГц, что будет вполне эффективно для проведения измерений.

Микросхема этого типа имеет выход, который интегрируется с усилителем. Последний, в свою очередь, за счет своей оперативности способен увеличивать возможности схемы вплоть до 1 А/В.

Что касается питания, то напряжение на усилитель поступает за счет применения внутреннего источника 2-полярного типа. Это может быть вариант NSD10 либо какой-нибудь другой. Сама микросхема питается уже посредством стабилизатора, имеющего выход с напряжением 3,3 В.

Проверенный «бюджетный» вариант

Вот, что надо предпринять для изготовления такого варианта:

• в ферритовом кольце пропилить канавку по толщине корпуса;
• на эпоксидный клей посадить МС;
• сделать определенное количество витков на кольце (кол-во витков будет зависеть от конкретного напряжения);
• в итоге получится бесконтактный вариант реле, функционирующий на электромагнитной основе.

Ферритовое кольцо в роли датчика

Точность срабатывания такого ДТ и регулярность достаточно высокая. Единственным недостатком схемы можно назвать кол-во витков, определяемых чисто эмпирически. На самом деле расчетов конкретного типа нигде и нет. Приходится определять число витков для конкретного сердечника.

Готовый ДТ MLX91206

Кумулятивная схема, где используется тончайший слой ферромагнитоструктуры или ИМС.

Последний выступает в качестве коммутатора магнитполя, обеспечивая тем самым, высокое усиление и наладку эквивалентности шумосигнала.

Более актуален этот вариант ДТ для измерения постоянно-переменного напряжения до 90 кгц с изоляцией омического свойства, что характеризуется незначительными внедряемыми потерями и малым временем отклика.

Схема включения датчика тока MLX91206

Кроме того, из преимуществ можно выделить простоту сборки и маленькие размеры фюзеляжа.

ДТ MLX91206 – это регулятор, который пока удовлетворяет спрос в автопромышленности. Помимо этого, ДТ этого типа применяется в других источниках питания: для защиты от перегрузки, в двигательных системах и т.д.

Чаще всего ДТ на микросхеме MLX91206 применяется в гибридных автомобильных системах, как автоинверторы.

Интересно и то, что датчик этот оснащен качественной защитной системой от перенапряжения, что позволяет использовать его в качестве отдельного регулятора, интегрированного к кабелю.

Принцип функционирования датчика подобного типа основан на преобразовании магнитполя, возникаемого от токов, проходящих сквозь проводник. Схема не имеет верхнего ограничения измеряемого уровня напряжения, так как выход и его параметры в данном случае зависят от проводникового размера и непосредственной дистанции от ДТ.

Что касается отличий этого типа ДТ от аналогичных:

1. Скорость аналогового выхода, которая выше (этому способствует ЦАП 12 бит).
2. Наличие программируемого переключателя.
3. Надежная защита от переплюсовки и перенапряжения.
4. Выход ШИМ с разрешением АЦП 12 бит.
5. Большущая полоса пропускания, параметры которой равны 90 кГц и многое другое.

Одним словом, ДТ этого типа является компактным и эффективным датчиком, изготовленным по технологии Триасис Холл. Технология подобного типа считается классической и традиционной, она чувствительна к плотности потока, который приложен четко параллельно поверхности.

Уникальное решение для измерения больших величин тока

Измерения, которые удается провести с помощью готового датчика, изготовленного по технологии Триасис Холл, делятся на измерения небольшого напряжения до 2 А, тока средн. величины до 30 А и токов до 600 А (больших).

Рассмотрим подробнее возможности этих измерений.

• Малые токи измеряются с помощью датчика за счет повышения параметров магнитполя через катушку вокруг ДТ. В данном случае чувствительность измерения будет обусловлена габаритами катушки и кол-вами витков.
• Токи в диапазоне до 30 А или средние токи измеряются с учетом допустимости напряжения и общей рассеиваемости мощности дорожки. Последние обязаны быть довольно толстыми и широкими, иначе непрерывной обработки среднего тока достичь не удастся.
• Наконец, измерение больших токов – это использование медных и толстых дорожек, способных приводить напряжение на обратной стороне печатной платы.

Дт на эффекте холла: общий взгляд

Что такое эффект Холла? Как известно, это явление основано на том, что если поместить в магнитное поле какой-либо полупроводник прямоугольного типа, и пропустить сквозь него напряжение, то на краях материала обязательно возникнет электрическая сила, направленная перпендикулярно магнитному полю.

Именно по этой причине магнитный датчик принято называть ДХ в честь ученого Холла, которому удалось первым раскрыть этот самый эффект.

Что дает этот самый эффект в автомобильной электрике? Все просто. Когда к ДХ подносится напряжение, то на краях пластины (она бывает расположена внутри ДХ) возникает разность потенциалов, и дается значение, пропорциональное СМП (силе магнитного поля).

Таким образом, в автомобильной сфере удалось использовать бесконтактные элементы, значительно лучше показавшие себя на практике, чем детали, оснащенные контактными группами. Последние приходилось регулярно чистить, ремонтировать, менять.

Бесконтактные ДХ успешно контролируют, например, скорость вращения валов, широко используются в системах зажигания, применимы в тахометрах и АБС.

Для измерений силы тока в различных электрических цепях с помощью микросхемы АС712 это удается сделать. Эффект Холла в данном случае оказывает неоспоримую помощь. Таким образом, удается изготавливать датчик или регулятор электрического тока на ДХ.

Подобные датчики позволят измерять силу не только постоянного, но и переменного тока, получать значения в млА.

Как измерить ток утечки с помощью датчика тока

Как правило, модуль с микросхемой АС712 функционирует строго от 5В, зато позволяет измерять максимальный уровень тока до 5 А. При этом напряжение должно быть выставлено в пределах значений от 2 квт.

Вообще, ДТ применяются повсеместно в электротехнике для создания коммуникаций обратной связи. В зависимости от конкретного места функционирования, ДТ классифицируются на несколько видов. Известны резистивные ДТ, токово-трансформаторные, ну и конечно, ДТ на эффекте Холла.

Нас интересуют ДТ на эффекте Холла. Они еще называются открытыми регуляторами или приборами с выходным сигналом по напряжению. Предназначение их: бесконтактным способом измерять переменный, постоянный и импульсный ток в диапазонах от плюс/минус 57 до плюс/минус 950 Ампер при в.о. 3 млс.

Датчик тока в схеме электромобиля

Выходное напряжение ДТ бывает четко соизмерно вычисляемым параметрам тока. 0-е значение напряжения равняется половинной величине тока питания. Тем самым, диапазон выхода тока составляет 0,25-0,75 В.

• Настройку чувствительности ДТ легко провести методом трансформации числа витков тестируемого проводника по кругу магнитопровода регулятора.
• Корпус ДТ обязан быть устроен из прочного РВТ пластика.
• РВТ пластик – это пластиковый материал, получаемый посредством однородного сваривания.

Что касается жестких выводов корпуса ДТ, то их бывает 3. Предназначены они для пайки на плату.

Цепь выхода ДТ – пара комплектарно-биополярных транзисторов. Другими словами, это не что иное, как полупроводниковый прибор, в котором сформировано два перехода, а перенос заряда осуществляется носителями 2-х полярностей или иначе – электронами и квазичастицами.

ДТ на эффекте Холла бывают также оригинального и неоригинального производства. Первые выделяются привлекательным дизайном, надежны и способны давать высочайшую точность показаний. А вот ДТ неоригинального производства таких параметров не имеют, хотя тоже способны предоставить свои преимущества. К ним относится разборный корпус и низкая стоимость.

Внимание. Если ДТ легко разбирается путем вывинчивания 4-х винтиков, то перед вами не оригинальный прибор.

Разборка корпуса оригинального ДТ обязательно приведет к неудаче, так как они изготовлены в закрытом варианте. Конечно, можно постараться и добраться до внутренностей, однако это обязательно приводит к поломкам. Корпус таких приборов запаян со всех сторон, по всем стыкам.

Для сравнения внутренностей заводского ДТ и последующего собирания самодельной схемы рекомендуется воспользоваться, как и было написано выше, неоригинальным устройством. Например, пусть это будет китайский ДСТ-500. Он легко разбирается, схема срисовывается на ура, так как она простая, не содержит сложных заковырок.

Что касается функционирования, то она одинакова во всех типах ДТ:

• силовой проводник под напряжением идет через магнитопровод;
• образуется циклотронное поле;
• ток идет по выравнивающей обмотке магнитопровода, чтобы стабилизировать поле;
• компенсируемое напряжение должно быть ровно пропорционально напряжению в сил. проводнике.

Помимо этого, для компенсирования магнитпровода датчика, требуется измерять величинные и знаковые значения ДТ. Для этих целей в магнитопроводе следует прорезать отверстие, через которое, собственно говоря, и вставляется датчик Холла. Сигнал прибора будет форсироваться, снабжать мощностный эндотрон, выход которого интегрирован со стабилизирующей обмоткой.

Данным образом, основной целью подобной схемы станет пропуск такой доли напряжения сквозь обмотку, которая бы воздействовала на магнитное поле так, чтобы в разрыве магнитопровода значение приближалось к 0.

В целой зоне измеряемого напряжения при этом сохранится ювелирная точность КПД соизмеримости. Для измерения точного напряжения компенс. обмотки используется низкоомный резистор-прецизион. Величина падения тока на таком резисторе будет равна значению напряжения в силовой цепи.

ДТ подобного типа можно легко изготовить своими силами. Потребность в таких регуляторах постоянно растет, стоят они, как и говорилось, недешево.

Датчик Холла в конкретном случае желательно использовать специфический, бескорпусный. Установить его можно на узкую полоску тонкого фольго-стеклотекстолита. Под ним должно быть предусмотрено посадочное углубление, где он будет посажен на эпоксидный клей очень плотно.

Внимание. Толщина полоски текстолита в 0,8 мм будет считаться нормальной, так как зайдет в зазор без излишнего трения о стенки и без эффекта болтания.

ДТ — эталонная установка для вычисления напряжения высоковольтажного пульсара питания. Например, ток, потребляемый стартером или генератором. И с помощью датчика Холла осуществить это удается, используя всего лишь одну микросхему.

Напоследок интересное видео про датчик тока на основе датчика холла

Использование датчика тока ACS712. Часть 2 — Подключение датчика к микроконтроллеру и работа с ним — ACS712

Часть 1 — Теория

Подключение датчика тока к микроконтроллеру

Ознакомившись с основами теории, мы можем переходить к вопросу считывания, преобразования и визуализации данных. Другими словами мы спроектируем простой измеритель постоянного тока.

Аналоговый выход датчика подключается к одному из каналов АЦП микроконтроллера. Все необходимые преобразования и вычисления реализуются в программе микроконтроллера. Для отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор.

Экспериментальная схема

Для экспериментов с датчиком тока необходимо собрать конструкцию согласно схеме, приведенной на Рисунке 8. Автор использовал для этого макетную плату и модуль на базе микроконтроллера (Рисунок 9).

Модуль датчика тока ACS712-05B можно приобрести готовый (на eBay он продается совсем недорого), или изготовить самостоятельно. Емкость конденсатора фильтра выбрана равной 1 нФ, по питанию установлен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ.

Для индикации включения питания припаян светодиод с гасящим резистором.

Питание и выходной сигнал датчика подведены на разъем с одной стороны платы модуля, 2-контактный разъем для измерения протекающего тока расположен с противоположной стороны.

Рисунок 8.	Схема подключения модуля датчика ACS712 и ЖК индикатора к микроконтроллеру.

Рисунок 9.	Макетная и отладочная платы для проведения экспериментов.

Для экспериментов по измерению тока регулируемый источник постоянного напряжения подключим к токоизмерительным выводам датчика через последовательный резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Выход датчика подключен к порту RA0/AN0 (вывод 17) микроконтроллера. Двухстрочный символьный ЖК индикатор подключен к порту B микроконтроллера и работает в 4-битном режиме.

Микроконтроллер питается напряжением +5 В, это же напряжение используется в качестве опорного для АЦП. Необходимые вычисления и преобразования реализуются в программе микроконтроллера.

Математические выражения, используемые в процессе преобразования, приведены ниже.

Чувствительность датчика тока Sens = 0.185 В/А. При питании Vcc = 5 В и опорном напряжении Vref = 5 В расчетные соотношения будут следующими:

Выходной код АЦП

где

Следовательно

В итоге, формула для вычисления тока получается следующей:

Важное замечание. Представленные выше соотношения основаны на предположении, что напряжение питания и опорное напряжение для АЦП равны 5 В. Однако последнее выражение, связывающее ток I и выходной код АЦП Count, сохраняет силу даже при флуктуациях напряжения источника питания. Об этом шла речь в теоретической части описания.

Из последнего выражения видно, что разрешение датчика по току составляет 26.4 мА, чему соответствуют 513 отсчетов АЦП, что на один отсчет превышает ожидаемый результат.

Таким образом, мы можем заключить, что данная реализация не позволяет измерять малые токи.

Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя. Пример такой схемы показан на Рисунке 10.

Рисунок 10.	Схема модуля датчика ACS712 для измерения малых токов.

Программа микроконтроллера

Программа микроконтроллера PIC16F1847 написана на языке Си и скомпилирована в среде mikroC Pro (mikroElektronika). Результаты измерений отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе с точностью до двух десятичных знаков.

Выход

При нулевом входном токе выходное напряжение датчика ACS712 в идеальном случае должно быть строго Vcc/2, т.е. с АЦП должно быть считано число 512. Дрейф выходного напряжения датчика на 4.

9 мВ вызывает смещение результата преобразования на 1 младший разряд АЦП (Рисунок 11). (Для Vref = 5.0 В, разрешение 10-битного АЦП будет 5/1024= 4.9 мВ), что соответствует 26 мА входного тока.

Заметим, что для уменьшения влияния флуктуаций желательно производить несколько измерений, и затем усреднять их результаты.

Рисунок 11.	Смещение 20 мА при нулевом токе через датчик ACS712.

Если выходное напряжение регулируемого источника питания установить равным 1 В, через резистор должен протекать ток порядка 370 мА. Измеренное значение тока в эксперименте – 390 мА, что превышает правильный результат на одну единицу младшего разряда АЦП (Рисунок 12).

Рисунок 12.	Показания индикатора при измерении тока 370 мА.

При напряжении 2 В индикатор покажет 760 мА.

На этом мы завершим обсуждение датчика тока ACS712. Однако мы не коснулись еще одного вопроса. Как с помощью этого датчика измерять переменный ток? Имейте ввиду, что датчик обеспечивает мгновенный отклик, соответствующий току, протекающему через измерительные выводы.

Если ток течет в положительном направлении (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4), чувствительность датчика положительная, и выходное напряжение больше Vcc/2. Если же ток меняет направление, чувствительность будет отрицательной, и выходное напряжение датчика опустится ниже уровня Vcc/2.

Это означает, что при измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера и файл для прошивки — скачать

Подключение датчиков с токовым выходом к вторичным приборам

Получившие наибольшее распространение в сфере автоматизации производства датчики с унифицированным токовым выходом 4-20, 0-50 или 0-20 мА могут иметь различные схемы подключения к вторичным приборам.

Современные датчики, имеющие низкое энергопотребление и токовый выход 4-20 мА, чаще всего подключают по двухпроводной схеме.

То есть к такому датчику подключается всего один кабель с двумя жилами, по которым этот датчик запитывается, и по этим же двум жилам осуществляется передача выходного сигнала 4-20 мА.

Как правило, датчики с выходом 4-20 мА и двухпроводной схемой подключения имеют пассивный выход и им для работы необходим внешний источник питания.

Этот источник питания может быть встроен непосредственно во вторичный прибор (в его вход) и при подключении датчика к такому прибору в сигнальной цепи сразу появляется ток.

О приборах, которые имеют встроенный во вход источник питания для датчика, говорят, что это приборы с активным входом.

Большинство современных вторичных приборов и контроллеров имеет встроенные источники питания для работы с датчиками с пассивными выходами.

Если же вторичный прибор имеет пассивный вход — по сути, просто резистор, с которого измерительная схема прибора «считывает» падение напряжения, пропорциональное протекающему в цепи току, то для работы датчика необходим дополнительный внешний блок питания. Внешний блок питания в этом случае включается последовательно с датчиком и вторичным прибором в разрыв токовой петли.

Вторичные приборы обычно проектируются и выпускаются с таким расчетом, чтобы к ним можно было подключить как двухпроводные датчики 4-20 мА, так и датчики 0-5, 0-20 или 4-20 мА, подключаемые по трехпроводной схеме. Для подключения двухпроводного датчика к входу вторичного прибора с тремя входными клеммами (+U, вход и общий) задействуют клеммы «+U» и «вход», клемма «общий» остается свободной.

Так как датчики, как уже было сказано выше, могут иметь не только выход 4-20 мА, а, например, 0-5 или 0-20 мА или их невозможно подключить по двухпроводной схеме из-за большого собственного энергопотребления (более 3 мА), то применяют трехпроводную схему подключения.

В этом случае цепи питания датчика и цепи выходного сигнала разделены. Датчики имеющие трехпроводную схему подключения обычно имеют активный выход.

То есть, если подать на датчик с активным выходом напряжение питания и между его выходными клеммами «выход» и «общий» подключить нагрузочное сопротивление, то в выходной цепи побежит ток, пропорциональный величине измеряемого параметра.

Вторичные приборы обычно имеют достаточно маломощный встроенный блок питания для запитки датчиков.

Максимальный выходной ток встроенных блоков питания обычно находиться в пределах 22-50 мА, чего не всегда достаточно для питания датчиков имеющих большое энергопотребление: электромагнитных расходомеров, инфракрасных газоанализаторов и т.п.

В этом случае для питания трехпроводного датчика приходиться использовать внешний, более мощный блок питания, обеспечивающий необходимую мощность. Встроенный во вторичный прибор источник питания при этом не используется.

Подобная схема включения трехпроводных датчиков обычно используется и в том случае, когда напряжение встроенного в прибор источника питания не соответствует тому напряжению питания, которое допускается подавать на этот датчик. Например, встроенный источник питания имеет выходное напряжение 24В, а датчик разрешается питать напряжением от 10 до 16В.

Некоторые вторичные приборы могут иметь несколько входных каналов и достаточно мощный блок питания для запитки внешних датчиков.

Необходимо помнить, что суммарная потребляемая мощность всех подключенных к такому многоканальному прибору датчиков должна быть меньше мощности встроенного источника питания, предназначенного для их питания.

Кроме того, изучая технические характеристики прибора необходимо четко различать назначение встроенных в него блоков (источников) питания.

Один встроенный источник используется для питания непосредственно самого вторичного прибора — для работы дисплея и индикаторов, выходных реле, электронной схемы прибора и т.п. Этот источник питания может иметь достаточно большую мощность. Второй встроенный источник используется для запитки исключительно входных цепей — подключенных к входам датчиков.

Перед подключением датчика к вторичному прибору следует внимательно изучить руководства по эксплуатации на данное оборудование, определить типы входов и выходов (активный/пассивный), проверить соответствие потребляемой датчиком мощности и мощности источника питания (встроенного или внешнего) и только после этого производить подключение.

Реальные обозначения входных и выходных клемм датчиков и приборов могут отличаться от тех, что приведены выше. Так клеммы «Вх (+)» и «Вх (-)» могут иметь обозначение +J и -J, +4-20 и -4-20, +In и -In и т.п. Клемма «+U пит» может быть обозначена как +V, Supply, +24V и т.п., клемма «Выход» — Out, Sign, Jout, 4-20 mA и т.п., клемма «общий» — GND, -24V, 0V и т.п.

, но смысла это не меняет.

Датчики с токовым выходом имеющие четырехпроводную схему подключения имеют аналогичную схему подключения, что и двухпроводные датчики с той лишь разницей, что питание четырепроводных датчиков осуществляется по отдельной паре проводов. Кроме того, четырехпроводные датчики могут иметь как активный, так и пассивный выход, что необходимо учитывать при выборе схемы подключения.

Датчики тока, напряжения и мощности отечественного производства

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами.

Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи.

Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома.

При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы.

Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Слева — измерение малых токов; справа — измерение больших токов

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей.

Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется.

Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания.

Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки.

Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Меры безопасности

При работе с подобным оборудованием следует придерживаться общих правил безопасности по эксплуатации электроизмерительных приборов, несмотря на то, что использование токоизмерительных клещей — процедура безопасная. Запрещается превышать величину выбранного диапазона электротока и менять диапазон в процессе замера. Нельзя также держаться незащищенными руками за оголенные щупы, которые не защищены диэлектриком.

Лампа — пример устройства, работающего при переменном токе от 220 В

Перед началом пользоваться любым прибором следует тщательно изучить пособие по эксплуатации и все инструкции. Это помогает не только не подвергать себя опасности, но и продлить срок службы устройства.

Это очень важно, поскольку в пособии описывается настройка прибора, режимы его работы, принципы его безопасного использования. Более того, в таких мануалах рассказывается, в течение какого срока и каким образом нужно делать калибровку устройства.

Делается она в специализированных центрах, а нужна для повышения точности измеряемых параметров.

Вам это будет интересно Проверка симистора

  Электрик v7.0 — программа для проектирования и расчета

Токоизмерительный прибор с защитными ручками для высоковольтных сетей

Таким образом, токоизмерительные клещи для постоянного тока — это удобный и практичный инструмент для определения силы электротока без размыкания проводов, как это делается в случае с амперметром или мультиметром. С его помощью можно в любой момент измерить электроток в автомобиле и его проводке, дома и на объектах прокладки, монтажа или обслуживания электрической сети.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Приставка для измерения емкости

Используя данную приставку к цифровому мультиметру, можно измерять емкости конденсаторов в диапазоне 2 пФ…200 мкФ. Она собрана на двух микросхемах, одна из которых — интегральный таймер.

Принцип ее работы основан на периодической зарядке измеряемого конденсатора до фиксированного напряжения и последующей его разрядке через эталонный резистор.

На микросхеме DA2 собран генератор прямоугольных импульсов, частоту которых устанавливают выбором одного из токозадающих резисторов R1-R8 и конденсаторов СЗ, С4 переключателем SA1; с помощью секции SA1.3 переключают эталонные резисторы R12-R15.

Амплитуду импульсов генератора на микросхеме DA2 поддерживает интегральный стабилизатор напряжения на DA1.

Работает приставка следующим образом. После подключения проверяемого конденсатора Cх к гнездам XS3 в момент появления импульса напряжения на выходе DA2 происходит его быстрая зарядка через диод VD2.

Во время паузы конденсатор разряжается через эталонное сопротивление, и при этом формируется импульс, длительность которого пропорциональна емкости конденсатора Сх.

Эти импульсы поступают на интегрирующую цепочку R11C5, на выходе которой образуется напряжение, пропорциональное длительности этих импульсов и, соответственно, емкости измеряемого конденсатора. К выходу этой цепи и подключают мультиметр в режиме измерения напряжения на пределе 200 мВ.

Генератор вырабатывает импульсы с частотой следования примерно 25 кГц (положение 1 переключателя SA1, поддиапазон 20 пф); 2,5 кГц (положение 2, 200 пФ); 250 Гц (положение 3, 2000 пФ) и 25 Гц (положения 4-8, поддиапазоны 0,02-200 мкФ). Для повышения экономичности напряжение питания на приставку подается через кнопку SB1 только на время измерения.

Это позволяет питать устройство от автономного источника, например, батарей «Крона», «Корунд», «Ника» 7Д-0,125. Максимальный ток, потребляемый приставкой при измерении емкости полярных конденсаторов на поддиапазоне 200 мкФ, составляет 25…30 мА. На поддиапазоне 20 мкФ он уменьшается примерно в полтора раза, а на остальных составляет 10…12 мА.

Диод VD1 предохраняет приставку от подачи напряжения обратной полярности.

Детали в устройстве можно заменить: DA2 — М1006ВИ1, диоды — любые импульсные, полярные конденсаторы С1, С2 — групп К50, К52, К53, СЗ — К73, С4-КМ, К10-17. Подстроечные резисторы — СПЗ-19 или аналогичные, постоянные — МЛТ, С2-33.

Кнопка SB1 с самовозвратом (без фиксации) любого типа, например КМ, переключатель — ПГ2 или аналогичный на три направления и не менее восьми положений.

Гнезда разъемов Х1, Х2, Х4, Х5 — любые, подходящие к соединительным шнурам, в качестве разъема XS3 была использована половина панельки для микросхемы.

Налаживание приставки проводят совместно с мультиметром, с которым предполагается ее использовать. Потребуются эталонные конденсаторы, емкость которых предварительно измерена с точностью не хуже 1…2 %. Для каждого поддиапазона нужен такой конденсатор с емкостью, соответствующей предельному значению или несколько меньшей.

После проверки правильности монтажа и работоспособности приставки ее налаживание начинают с поддиапазона 20 пФ. Для этого подключают эталонный конденсатор и подстроенным резистором R1 добиваются показаний мультиметра (на пределе измерения 200 мВ), соответствующих емкости конденсатора.

Аналогичную процедуру проводят на поддиапазоне 200 пф, но на этот раз с помощью резистора R3. Так же калибруют приставку на следующем поддиапазоне 2000 пФ резистором R5, а на поддиапазоне 0,02 мкФ — резистором R7.

Если изменения сопротивления подстроенных резисторов для получения калибровки не хватает, придется изменить сопротивление соответствующего постоянного резистора (R2, R4, R6, R8). После калибровки на указанных пределах измерения движки подстроечных резисторов перемещать уже нельзя.

На поддиапазонах с пределами от 0,2 мкФ до 200 мкФ калибровка приставки осуществляется подбором резисторов R12-R15 соответственно, их размещают непосредственно на переключателе SA1. При этом резисторы R12-R15, возможно, придется составить, по крайней мере, из двух последовательно включенных.

Если настройку проводить тщательно с применением конденсаторов, емкость которых измерена с указанной выше точностью, то погрешность измерения приставки совместно с хорошим мультиметром составит не более 5%, за исключением первого и восьмого поддиапазонов.

На первом поддиапазоне при измерении конденсаторов емкостью менее 5 пФ погрешность возрастает до 20…30% из-за влияния емкости монтажа и диода VD2, но эта погрешность может быть легко учтена.

На последнем поддиапазоне из-за влияния выходного сопротивления микросхемы DA2 погрешность также возрастает до 20…30 %, но и она поддается учету.

Схема драйвера для светодиодной лампы на 220В

Неотъемлемой частью любой качественной лампы или светильника на светодиодах является драйвер.

Применительно к освещению, под понятием «драйвер» следует понимать электронную схему, которая преобразует входное напряжение в стабилизированный ток заданной величины.

Функциональность драйвера определяется шириной диапазона входных напряжений, возможностью регулировки выходных параметров, восприимчивостью к перепадам в питающей сети и эффективностью.

От перечисленных функций зависят качественные показатели светильника или лампы в целом, срок службы и стоимость. Все источники питания (ИП) для светодиодов условно разделяют на преобразователи линейного и импульсного типа. Линейные ИП могут иметь узел стабилизации по току или напряжению.

Часто схемы такого типа радиолюбители конструируют своими руками на микросхеме LM317. Такое устройство легко собирается и имеет малую себестоимость. Но, ввиду очень низкого КПД и явного ограничения по мощности подключаемых светодиодов, перспективы развития линейных преобразователей ограничены.

Импульсные драйверы могут иметь КПД более 90% и высокую степень защиты от сетевых помех. Их мощность потребления в десятки раз меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. Благодаря этому они могут изготавливаться в герметичном корпусе и не боятся перегрева.

Первые импульсные стабилизаторы имели сложное устройство без защиты от холостого хода. Затем они модернизировались и, в связи с бурным развитием светодиодных технологий, появились специализированные микросхемы с частотной и широтно-импульсной модуляцией.

Схема питания светодиодов на основе конденсаторного делителя

К сожалению, в конструкции дешёвых светодиодных ламп на 220В из Китая не предусмотрен ни линейный, ни импульсный стабилизатор. Мотивируясь исключительно низкой ценой готового изделия, китайская промышленность смогла максимально упростить схему питания. Называть её драйвером не корректно, так как здесь отсутствует какая-либо стабилизация.

Из рисунка видно, что электрическая схема лампы рассчитана на работу от сети 220В. Переменное напряжение понижается RC-цепочкой и поступает на диодный мост. Затем выпрямленное напряжение частично сглаживается конденсатором и через токоограничивающий резистор поступает на светодиоды.

Данная схема не имеет гальванической развязки, то есть все элементы постоянно находятся под высоким потенциалом.

В результате частые просадки сетевого напряжения приводит к мерцанию светодиодной лампы.

И наоборот, завышенное напряжение сети вызывает необратимый процесс старения конденсатора с потерей ёмкости, а, иногда, становится причиной его разрыва.

Стоит отметить, что еще одной, серьезной отрицательной стороной данной схемы является ускоренный процесс деградации светодиодов вследствие нестабильного тока питания.

Схема драйвера на CPC9909

Современные импульсные драйверы для светодиодных ламп имеют несложную схему, поэтому ее можно легко смастерить даже своими руками.

Сегодня, для построения драйверов, производится ряд интегральных микросхем, специально предназначенных для управления мощными светодиодами.

Чтобы упростить задачу любителям электронных схем, разработчики интегральных драйверов для светодиодов в документации приводят типичные схемы включения и расчеты компонентов обвязки.

Общие сведения

Американская компания Ixys наладила выпуск микросхемы CPC9909, предназначенной для управления светодиодными сборками и светодиодами высокой яркости. Драйвер на основе CPC9909 имеет небольшие габариты и не требует больших денежных вложений. ИМС CPC9909 изготавливается в планарном исполнении с 8 выводами (SOIC-8) и имеет встроенный стабилизатор напряжения.

Благодаря наличию стабилизатора рабочий диапазон входного напряжения составляет 12-550В от источника постоянного тока. Минимальное падение напряжения на светодиодах – 10% от напряжения питания.

Поэтому CPC9909 идеальна для подключения высоковольтных светодиодов.

ИМС прекрасно работает в температурном диапазоне от -55 до +85°C, а значит, пригодна для конструирования светодиодных ламп и светильников для наружного освещения.

Назначение выводов

Стоит отметить, что с помощью CPC9909 можно не только включать и выключать мощный светодиод, но и управлять его свечением. Чтобы узнать обо всех возможностях ИМС, рассмотрим назначение ее выводов.

1. VIN. Предназначен для подачи напряжения питания.
2. CS. Предназначен для подключения внешнего датчика тока (резистора), с помощью которого задаётся максимальный ток светодиода.
3. GND. Общий вывод драйвера.
4. GATE. Выход микросхемы. Подает на затвор силового транзистора модулированный сигнал.
5. PWMD. Низкочастотный диммирующий вход.
6. VDD. Выход для регулирования напряжения питания. В большинстве случаев подключается через конденсатор к общему проводу.
7. LD. Предназначен для задания аналогового диммирования.
8. RT. Предназначен для подключения время задающего резистора.

Схема и ее принцип работы

Типичное включение CPC9909 с питанием от сети 220В показано на рисунке. Схема способна управлять одним или несколькими мощными светодиодами или светодиодами типа High Brightness. Схему можно легко собрать своими руками даже в домашних условиях.

Готовый драйвер не нуждается в наладке с учетом грамотного выбора внешних элементов и соблюдением правил их монтажа. Драйвер для светодиодной лампы на 220В на базе CPC9909 работает по методу частотно-импульсной модуляции. Это означает, что время паузы является постоянной величиной (time-off=const).

Переменное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается емкостным фильтром C1, C2. Затем оно поступает на вход VIN микросхемы и запускает процесс формирования импульсов тока на выходе GATE. Выходной ток микросхемы управляет силовым транзистором Q1.

В момент открытого состояния транзистора (время импульса «time-on») ток нагрузки протекает по цепи: «+диодного моста» – LED – L – Q1 – RS – «-диодного моста». За это время катушка индуктивности накапливает энергию, чтобы отдать её в нагрузку во время паузы.

Когда транзистор закрывается, энергия дросселя обеспечивает ток нагрузки в цепи: L – D1 – LED – L. Процесс носит циклический характер, в результате чего ток через светодиод имеет пилообразную форму. Наибольшее и наименьшее значение пилы зависит от индуктивности дросселя и рабочей частоты.

Частота импульсов определяется величиной сопротивления RT. Амплитуда импульсов зависит от сопротивления резистора RS. Стабилизация тока светодиода происходит путем сравнения внутреннего опорного напряжения ИМС с падением напряжения на RS. Предохранитель и терморезистор защищают схему от возможных аварийных режимов.

Расчет внешних элементов

Частотозадающий резистор

• Длительность паузы выставляют внешним резистором RT и определяют по упрощенной формуле:
• tпаузы=RT/66000+0,8 (мкс).
• В свою очередь время паузы связано с коэффициентом заполнения и частотой:
• tпаузы=(1-D)/f (с), где D – коэффициент заполнения, который представляет собой отношение времени импульса к периоду.

Рекомендованный производителем диапазон рабочих частот составляет 30-120 кГц. Таким образом, сопротивление RT можно найти так: RT=(tпаузы-0,8)*66000, где значение tпаузы подставляют в микросекундах.

Датчик тока

1. Номинал сопротивления RS задает амплитудное значение тока через светодиод и рассчитывается по формуле: RS=UCS/(ILED+0.

   5*IL пульс), где UCS – калиброванное опорное напряжение, равное 0,25В;

2. ILED – ток через светодиод;
3. IL пульс – величина пульсаций тока нагрузки, которая не должна превышать 30%, то есть 0,3*ILED.

После преобразования формула примет вид: RS=0,25/1.15*ILED (Ом).

Мощность, рассеиваемая датчиком тока, определяется формулой: PS=RS*ILED*D (Вт).

К монтажу принимают резистор с запасом по мощности 1,5-2 раза.

Дроссель

Как известно, ток дросселя не может измениться скачком, нарастая за время импульса и убывая во время паузы. Задача радиолюбителя в том, чтобы подобрать катушку с индуктивностью, обеспечивающей компромисс между качеством выходного сигнала и её габаритами. Для этого вспомним об уровне пульсаций, который не должен превышать 30%. Тогда потребуется индуктивность номиналом:

L=(USLED*tпаузы)/ IL пульс, где ULED – падение напряжения на светодиоде (-ах), взятое из графика ВАХ.

Фильтр питания

В цепи питания установлены два конденсатора: С1 – для сглаживания выпрямленного напряжения и С2 – для компенсации частотных помех.

Так как CPC9909 работает в широком диапазоне входного напряжения, то в большой ёмкости электролитического С1 нет нужды. Достаточно будет 22 мкФ, но можно и больше.

Емкость металлопленочного С2 для схемы такого типа стандартная – 0,1 мкФ. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не менее 400В.

Однако, производитель микросхемы настаивает на монтаже конденсаторов С1 и С2 с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), чтобы избежать негативного влияния высокочастотных помех, возникающих при переключении драйвера.

Выпрямитель

Диодный мост выбирают, исходя из максимального прямого тока и обратного напряжения. Для эксплуатации в сети 220В его обратное напряжение должно быть не менее 600В. Расчетная величина прямого тока напрямую зависит от тока нагрузки и определяется как: IAC=(π*ILED)/2√2, А.

Полученное значение необходимо умножить на два для повышения надежности схемы.

Выбор остальных элементов схемы

Конденсатор C3, установленный в цепи питания микросхемы должен быть ёмкостью 0,1 мкФ с низким значением ESR, аналогично C1 и C2. Незадействованные выводы PWMD и LD также через C3 соединяются с общим проводом.

Транзистор Q1 и диод D1 работают в импульсном режиме. Поэтому выбор следует делать с учетом их частотных свойств.

Только элементы с малым временем восстановления смогут сдержать негативное влияние переходных процессов в момент переключения на частоте около 100 кГц.

Максимальный ток через Q1 и D1 равен амплитудному значению тока светодиода с учетом выбранного коэффициента заполнения: IQ1=ID1= D*ILED, А.

Напряжение, прикладываемое к Q1 и D1, носит импульсный характер, но не более, чем выпрямленное напряжение с учетом емкостного фильтра, то есть 280В. Выбор силовых элементов Q1 и D1 следует производить с запасом, умножая расчетные данные на два.

Предохранитель (fuse) защищает схему от аварийного короткого замыкания и должен длительно выдерживать максимальный ток нагрузки, в том числе импульсные помехи.

IFUSE=5*IAC, А.

Установка терморезистора RTH нужна для ограничения пускового тока драйвера, когда фильтрующий конденсатор разряжен. Своим сопротивлением RTH должен защитить диоды мостового выпрямителя от пробоя в начальные секунды работы.

RTH=(√2*220)/5*IAC, Ом.

Другие варианты включения CPC9909

Плавный пуск и аналоговое диммирование

При желании CPC9909 может обеспечить мягкое включение светодиода, когда его яркость будет постепенно нарастать. Плавный пуск реализуется при помощи двух постоянных резисторов, подключенных к выводу LD, как показано на рисунке. Данное решение позволяет продлить срок службы светодиода.

Также вывод LD позволяет реализовывать функцию аналогового диммирования. Для этого резистор 2,2 кОм заменяют переменным резистором 5,1 кОм, тем самым плавно изменяя потенциал на выводе LD.

Импульсное димирование

Управлять свечением светодиода можно путем подачи импульсов прямоугольной формы на вывод PWMD (pulse width modulation dimming). Для этого задействуют микроконтроллер или генератор импульсов с обязательным разделением через оптопару.

Кроме рассмотренного варианта драйвера для светодиодных ламп, существуют аналогичные схемные решения от других производителей: HV9910, HV9961, PT4115, NE555, RCD-24 и пр. Каждая из них имеет свои сильные и слабые места, но в целом, они успешно справляются с возложенной нагрузкой при сборке своими руками.