При необходимости измерения больших постоянных токов для обнаружения перегрузок и защиты цепей, разработчики часто используют либо резисторы в качестве токовых шунтов, либо тороидальные сердечники с датчиками магнитного поля на основе эффекта Холла. Обоим методом присущи недостатки. К примеру, при измерении тока в 20 А с помощью резистора 10 мОм на резисторе будет рассеиваться мощность 4 Вт, которая будет потеряна в виде тепла. С другой стоны, датчик на эффекте Холла обеспечивает точное измерение тока и имеет высокий КПД, однако для простых систем контроля тока он слишком дорог.
Предлагается недорогая экономичная схема, которая может с успехом использоваться для контроля постоянного тока в случаях, не требующих очень высокой точности измерений. Своеобразным дополнительным бонусом этого решения является возможность использования дросселя входного фильтра DC/DC преобразователя в качестве датчика тока измерительной цепи. Работа схемы основана на том, что магнитная проницаемость ферритового сердечника уменьшается по мере приближения сердечника к насыщению (Рисунок 1). Форма и значения кривой, описывающей эту зависимость, определяются характеристиками материала сердечника и наличием в нем воздушного зазора.
 |
|
| Рисунок 1. | Кривая намагниченности (B-H) показывает, что увеличение тока в обмотке индуктивности приводит к увеличению напряженности магнитного поля H. Когда увеличение плотности магнитного потока B прекращается, это означает, что магнитный материал сердечника достиг насыщения. |
Магнитная проницаемость сердечника зависит от уровня магнитного потока в ферритовом материале, из которого он изготовлен, и который, в свою очередь, зависит от величины тока, протекающего через обмотку сердечника. Для измерения проницаемости сердечника в этой схеме используется простой LC-генератор. Измеряемый ток проходит через первичную обмотку трансформатора, содержащую один или несколько витков. Многовитковая вторичная обмотка служит индуктивностью L, определяющей резонансную частоту генератора.
 |
|
| Рисунок 2. | Изменение постоянного тока, протекающего через виток первичной обмотки, изменяет индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1, благодаря чему, в свою очередь, изменяется выходная частота генератора. |
Теоретически, для предлагаемой схемы подойдет любой LC-генератор, но на практике обмотка, используемая для измерения тока, имеет весьма низкий импеданс, демпфирующий колебательный контур. В некоторых схемах генераторов это вызывает проблемы с запуском и стабильностью. Из всех испытанных схем генераторов наилучшим оказался вариант, приведенный на Рисунке 2. К сожалению, имеется целый ряд факторов, влияющих на магнитную проницаемость сердечника, которая, в свою очередь, влияет на стабильность частоты генератора и ограничивает сферу применимости предложенного решения приложениями невысокой точности.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость частоты генератора от тока для трех тороидальных сердечников разных производителей, показывающая влияние характеристик сердечников на линейность по частоте и относительную чувствительность. |
Рисунок 3 иллюстрирует зависимость частоты генератора от тока первичной обмотки для ферритовых сердечников трех производителей при идентичных размерах сердечников и одинаковом количестве витков вторичной обмотки. Для лучшей линейности необходимо использовать сердечники из материалов с низким гистерезисом. В схеме могут использоваться сердечники практически любых размеров и из любых ферритовых материалов, но при этом потребуется не только оптимизация числа витков обмотки индуктивности контура генератора, но и оптимизация первичной обмотки. В случае, когда заданный ток вызывает насыщение сердечника еще до достижения уровня перегрузки, необходимо увеличить зазор в сердечнике, если, конечно, он в нем имеется. Для повышения качественных характеристик и линейности измерений можно использовать более совершенную схему с обратной связью [1].
Примечание редакции
По имеющимся сведениям, эта идея впервые была опубликована в журнале Electronics World + Wireless World, July 1993, Автор: Г. Мирский (G. Mirsky), Москва, Российская Федерация.
Ссылки
- Nell, Susanne, «Improved current monitor delivers proportional-voltage output», EDN, Jan 19, 2006, pg 84.
Купить BC548 на РадиоЛоцман.Цены
