Силові пристрої автоматики, які застосовуються в регульованих електроприводах постійного і змінного струму (керовані випрямлячі, автономні інвертори і т п), для вирішення завдань регулювання і захисту повинні мати постійний моніторинг струму, що протікає по силових електричних ланцюгах Особливо наочно проявляється необхідність у струмовимірювальних резисторах в електроприводах з векторним керуванням, заснованим на постійне стеження за значеннями струму і напруги в силових ланцюгах Крім цього вони необхідні системам нагріву, контролю ланцюгів живлення і захисту силових пристроїв від струмових перевантажень і коротких замикань Названі силові пристрої мають інтегроване конструктивну побудову, тому й датчики струму повинні органічно вписуватися в конструкцію пристроїв

Існує велика кількість методів вимірювання струму, але тільки три з них знайшли широке застосування в промисловості Це резистивний метод, трансформаторні датчики і датчики струму на ефекті Холла Резистивний метод – найпростіший і економічний, але має суттєві недоліки, серед яких – великі втрати потужності на резистори і відсутність гальванічної розвязки вимірювальної та вимірюваної ланцюгів Крім того, дротяні резистори мають значної індуктивністю, що не дозволяє використовувати їх в схемах вимірювання імпульсних і високочастотних струмів Застосування потужних безиндукціонность товстоплівкових резисторів зводить економічний ефект даного методу до нуля Використання трансформаторів струму – набагато більш дороге рішення, до того ж можливе тільки при вимірюванні змінного струму в обмеженою смузі частот Датчики струму на ефекті Холла займають проміжне положення по ціні між розглянутими вище типами Їх основні переваги – відсутність втрат провідності і можливість вимірювання як постійного, так і змінного струму Крім того елемент Холла ізольований від кола струму, що забезпечує гальванічну розвязку Необхідність зовнішнього харчування не можна назвати істотним недоліком, тому що в переважній більшості випадків датчик не є кінцевим пристроєм і після нього все одно знаходяться інші компоненти схеми, також вимагають електроживлення

Розглянемо використання струмовимірювальних резисторів (шунтів) в якості датчика струму Приклад типу Струмовимірювальні резистора і його монтаж на охолоджувачі показаний на рис Е75 Це високоточні (0,1 .. 1%), низькоомні (до 0,1 мОм), безиндуктивного, потужні (до 200 Вт), малогабаритні елементи Використання струмовимірювальних резисторів висуває дві проблеми Перша повязана з великою потужністю, що виділяється на резисторах, (наприклад на резистори в 1 мОм при струмі 100 А виділяється 10 Вт) Друга полягає в електричній ізоляції між силовий струмового ланцюгом і Струмовимірювальні схемою, що вирішується виконанням їх на керамічних підкладках, забезпечують ізоляцію до 4 кВ і високу теплопровідність, застосуванням лінійних оптронов, високочутливих малошумящих операційних підсилювачів і компараторів Струмовимірювальні резистори виготовляються на струму від сотень міліампер до сотень ампер

Б схему вимірювання струму

Рис 175 Тип токо з міряльного резистора (а) і його монтаж на охолоджувачі (б)

Мала індуктивність Струмовимірювальні резистора досягається виготовленням його у вигляді смуг ніхрому або манганина З резистора знімається потенціал значенням 0 .. 100 мВ (стандартне значення 75 мВ), посилюється і надходить у Струмовимірювальні схему

Реле струму Оскільки струм – фізична величина, що здійснює роботу в різних пристроях, то за його значеннями необхідно здійснювати контроль – прямий або непрямий Прямий контроль здійснюється безпосереднім виміром струму і перетворенням в аналогову або цифрову форму Приклад схемного рішення реле струму наведено на рис 176

Рис 176 Схема реле струму

Інформацію про значення струму в силовому ланцюзі постійного струму знімають з шунта RS – I / ·, = I /їх Вона надходить на інвертується вхід вимірювального органу DAI, який працює в режимі компаратора Граничне значення струму, при якому електричний ланцюг, де він тече, повинна бути відключена, носить назва уставки Уставка, при якій повинен спрацювати компаратор, визначається параметрами ланцюжка RI-R2 Резистор R2 здійснює ступеневу зміна уставки, резистор RI – плавне її зміну Коли напруга UT перевищить напругу уставки Попь на виході DA 1 зявиться негативна напруга Воно перезаряджати конденсатор С Коли напруга на ньому по модулю стане більше негативної напруги уставки [/оп2 Другого підсилювача DA2, на його виході зявиться Пвих Ця уставка визначається резисторами R5 і R6 та / /0бР Св для релейного режиму DA2 Вихідна напруга реле струму використовується для керування силовою ланцюгом, в якій виконується контроль її струму або для інших комутацій Стан перевантаження индицируется світлодіодом VD3 – «Перевантаження»

Датчики Холла на відміну від механічних та оптичних датчиків практично нечутливі до механічних впливів і зміни параметрів навколишнього середовища Прикладом датчика Холла може служити схема з елементом Холла і лінійним підсилювачем, рис 177 Елемент Холла спільно з транзисторами VT 1 і 172 складають схему, що вимірює ЕРС Холла, яка посилюється транзистором VT3, включеного за схемою емітерногоповторювача і утворює вихідну напругу івих Транзистором VT4 і LC-ланцюжок в його базі створюють зміщення для отримання лінійності вихідної напруги Діоди в ланцюзі харчування елемента Холла захищають його від неправильної полярності цієї напруги

Рис 177 Датчик з елементом Холла і лінійним підсилювачем

Датчики Холла мають релейну або лінійну залежність вихідної напруги від індукції магнітного униполярного або біполярного поля, рис 178 Вони характеризуються двома основними параметрами – чутливістю і лінійністю в заданому діапазоні робочих температур Чутливість датчика Холла залежить від напруги живлення Наприклад у датчика типорозміру А3515 при напрузі живлення + 5 В вона дорівнює 5,0 мВ / Гаусс, а при напрузі +5,5 В – 5,5 мВ / Гаусс

Рис 178 . Характеристики холлівської інтегральної схеми лінійного (а) і релейного (б) типів

Для використання лінійної частини вихідної характеристики датчика і усунення впливу зовнішніх впливів (температури, дисбалансу градієнтів опору, геометричну неоднорідність, пєзорезистивного ефекти і т п) використовується динамічна квадратурная компенсація зсуву Така схема наведена на рис 179

Рис 179 Схема реле струму з токочувствітельним датчиком

Значення ЕРС Холла пропорційна індукції магнітного поля в зазорі сердечника, створюваного протікає по силового дроту струмом Залежно від значення струму силовий дріт охоплює сердечник або проходить в ньому Сформований токочувствітельним датчиком сигнал проходить через фільтр низьких частот для повного відновлення Схемотехніка динамічної квадратурної компенсації дозволяє практично повністю усунути вплив зовнішніх дестабілізуючих факторів, а також домогтися високої стабільності вихідної напруги Підсилювач корисного сигналу фіксує його прирощення і по команді блоку програмованої логіці компенсує це прирощення в крайовому каскаді вихідної напруги Мікросхема має окремий вхід зразкового напруги масштабування UREF, за допомогою якого можна задати будь-яке значення рівня нуля і коефіцієнта перетворення При цьому схема забезпечує глибину придушення перешкод по напрузі харчування близько 60 дБ Крім цього, схема реалізує режим електронного відключення по входу SLEEP При подачі на цей вхід логічного нуля мікросхема переходить в режим зниженого енергоспоживання (менше 25 мкА), а вихід датчика переходить в третій стан з високим імпедансом У розглянутій схемою реле струму вбудована температурна компенсація процесу вимірювання струму, оскільки токочувствітельний датчик нагрівається вихровими струмами Залежно від заданого температурного коефіцієнта коригується вихідна напруга реле струму UGит

Токочувствітельний датчик може бути побудований на основі елемента Холла, який розташовують в зазорі сердечника з електротехнічної сталі або фериту Напруженість поля, що створюється джерелом струму, повинна відповідати діапазону вимірювання датчика При вимірюванні струму від декількох десятків до тисяч ампер датчик Холла може перебувати поблизу провідника, без використання додаткового муздрамтеатру При виборі цього положення необхідно враховувати, що найбільша чутливість досягається при перетині лініями магнітного поля площині датчика під прямим кутом У розглянутому випадку будь-який зовнішній джерело магнітного поля буде впливати на показання датчика струму Підвищити чутливість і знизити зовнішні впливи дозволяє тороїдальний магнітопровід з зазором, в якому встановлена ​​мікросхема, рис 180 При цьому все поле зосереджено в зазорі і зовнішній вплив практично відсутній

Рис 180 Токочувствітельний датчик з прямим струмопроводом

Конструкція, показана на рис 180, не дозволяє вимірювати малі значення струмів Це повязано з обмеженням чутливості датчика Холла по вихідному шуму, Так, при використанні мікросхеми А1323 дозвіл по магнітної індукції, обмежене шумами в смузі 10 кГц, становить 10 Гаусс, або близько 1,5 А Існує два виходи: або використовувати датчик Холла з лінійним некомпенсованим підсилювачем, або застосувати багатовитковому конструкцію (рис

181)

Рис 181 Токочувствітельний датчик

з багатовитковим струмопроводом

‘·

У першому випадку, як було показано вище, чутливість зросте до 0,06 мВ / Гаусс, або близько 10 мА Для забезпечення такої чутливості в многово-кової конструкції буде потрібно намотати більше 150 витків, що призводить до різкого збільшення індуктивності і може виявитися неприйнятним Тому в кожному конкретному випадку доводиться йти на компроміс між дозволом датчика і смугою частот

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р