Трансформатор импеданса сигнализирует о неисправном предохранителе

На Рисунке 1 показана схема, обнаруживающая размыкание миниатюрного автоматического выключателя или предохранителя с большой отключающей способностью в высоконадежном источнике питания телекоммуникационного оборудования. Схема вырабатывает сигнал тревоги, когда импеданс электромагнитного датчика изменяется из-за отказа. Традиционные схемы обнаружения неисправностей контролируют разность напряжений, возникающую на сгоревшем предохранителе, ток утечки, протекающий через защищаемую цепь, или замыкание вспомогательного (беспотенциального) контакта предохранителем исполнительного устройства. Все три метода имеют недостатки. Схемы, контролирующие разность напряжений, могут вносить неприемлемые задержки до 30 минут, поскольку напряжение на шине поддерживается аккумуляторами системы. Датчики тока утечки рассчитаны на наличие нагрузки, которая при определенных условиях может отсутствовать. Добавление вспомогательных цепей поддержки миниатюрных автоматических выключателей или специальных индикаторных предохранителей с высокой разрывной способностью и необходимых для них разъемов может значительно увеличить стоимость системы.

Рисунок 1.	Эта схема датчика работает от одного источника питания 5 В.

Конденсатор C₄ и индуктивность L₂ вторичной обмотки трансформатора T₁ образуют колебательный контур с резонансной частотой примерно 42 кГц – частотой, которая сводит к минимуму образование шумов в звуковом, радиочастотном и псофометрическом частотных диапазонах помех. Операционный усилитель IC₁ и связанные с ним компоненты образуют усилитель с положительной обратной связью по переменному току с коэффициентом усиления 20. При нормальной работе исправный предохранитель или замкнутый автоматический выключатель обеспечивают низкоимпедансный путь через одновитковую первичную обмотку (обмотку считывания) трансформатора Т₁. При этом для точки соединения элементов C₂, C₄ и R₅ трансформатор представляет собой низкоимпедансную нагрузку, которая снижает петлевое усиление схемы на IC₁ до величины, недостаточной для поддержания колебаний.

Рисунок 2.	На монтажной схеме системы показана первичная обмотка трансформатора T1. Низковольтные устройства отключения LVD1 и LVD2 изолируют батарею 48 В или нагрузку потребителя для проведения технического обслуживания.

При возникновении неисправности ток через первичную обмотку трансформатора T₁ прерывается, и импеданс его вторичной обмотки увеличивается, прекращая шунтировать контур и позволяя генератору на усилителе IC₁ работать на частоте 42 кГц, определяемой номиналами элементов L₂ и C₄. В условиях отказа благодаря соотношению числа витков обмоток трансформатора T₁ широкополосный шум проводимости, проникающий в шину питания, составляет менее 10 мВ. Конденсатор C₃ передает сигнал генератора на вход усилителя IC₂ с коэффициентом усиления, равным 3, выход которого, в свою очередь, подключен к пиковому детектору, образованному элементами D₃ и C₅. Выходное напряжение детектора открывает транзистор Q₁, который насыщается и обеспечивает низкий логический уровень для включения внешней сигнализации. На Рисунке 2 показано типичное применение трансформатора импедансов для обнаружения отказа схемы резервного аккумуляторного питания.

Чтобы спроектировать трансформатор T₁, нужно рассчитать требуемые импедансы и отношение числа витков обмоток. Формула (1) описывает основное соотношение трансформатора:

(1)

где

Z₁ – импеданс первичной обмотки,
Z₂ – импеданс вторичной обмотки,
N₁ – количество витков первичной обмотки,
N₂ – количество витков вторичной обмотки.

При нормальной работе, когда через первичную обмотку протекает ток, импеданс вторичной обмотки представляет собой сумму низкого сопротивления первичной обмотки и реактивного сопротивления утечки трансформатора T₁. При отсутствии тока в первичной обмотке количество витков вторичной обмотки и значение индуктивности на виток A_L тороидального сердечника определяются индуктивностью L₂ и количеством витков вторичной обмотки согласно формуле 2:

(2)

где N₂ – число витков на тороидальном сердечнике.

Производители ферритовых сердечников обычно публикуют данные о величине индуктивности одного витка, что упрощает изменение конструкции трансформатора T₁, но если эти данные недоступны, для расчета индуктивности можно использовать формулу (3).

(3)

где

µ_e – эффективная магнитная проницаемость, равная магнитной постоянной (4π×10^–7 Гн/м);
L – длина пути;
A – площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах.

Следует выбирать сердечник с высоким значением магнитной проницаемости, чтобы гарантировать, что различие между разомкнутой и замкнутой цепью первичной обмотки вызывает большое относительное изменение импеданса вторичной обмотки. Кроме того, материал сердечника должен обеспечивать отсутствие насыщения при максимальном токе первичной обмотки.

Обратите внимание, что размеры окна сердечника должны обеспечивать достаточный зазор для кабеля аккумулятора (первичная обмотка) и вторичной обмотки. В данном приложении используется тороидальный ферритовый сердечник Philips 3C85 с вторичной обмоткой, состоящей из пяти витков изолированного медного провода сечением 0.2 мм². (Однако этот сердечник больше не выпускается). Заменой может служит ферритовый сердечник типа 3C90 компании Ferroxcube. Конструкция трансформатора показана на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Первичная обмотка (кабель аккумулятора) проходит через центр трансформатора Т1.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD8606