Датчики напряжения с гальванической развязкой

Рассматриваемые датчики напряжения могут применяться в преобразователях напряжения, источниках питания и других устройствах, где требуются измерения постоянных и переменных напряжений, в том числе и с гальванической развязкой от первичной сети. Достоинствами датчиков являются их простота, дешевизна и эффективность.

Рисунок 1.	Схемы включения трансформатора ZMPT107-1 при измерении переменных напряжений.

Известны малогабаритные трансформаторы, например, серии ZMPT107, позволяющие очень просто измерять переменное напряжение. Параметры одного из них приведены в Таблице 1. Схемы включения при измерении переменных напряжений показаны на Рисунке 1.

Таблица 1.	Электрические параметры измерительного трансформатора ZMPT107-1
Параметр Значение Номинальный входной ток 2 мА Номинальный выходной ток 2 мА Соотношение витков 1000:1000 Сдвиг фаз ≤45’ (50 Ом) Диапазон линейности 0…3 мА (50 Ом) Линейность 0.2% Класс точности 0.2 Напряжение изоляции 3000 В Назначение Измерения напряжения и мощности Материал изоляции Эпоксидный состав Способ монтажа На печатную плату Диапазон рабочих температур –40 °C – +85 °C

Рисунок 2.	Схема включения с твердотельным реле.

Для измерения постоянных напряжений предлагается схема включения с твердотельным реле (Рисунок 2) или транзисторным оптроном (Рисунок 3). Схемой управления формируется импульс включения твердотельного реле или оптрона. Во время действия управляющего импульса с помощью микроконтроллера производится измерение напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т, соответствующее измеряемому напряжению.

Рисунок 3.	Схема включения с транзисторным оптроном, смоделированная в Multisim.

Твердотельные реле дают довольно большую задержку включения/выключения (обычно несколько сотен микросекунд или единиц миллисекунд), поэтому более целесообразно в качестве коммутирующих элементов использовать транзисторные оптроны, обладающие более высоким быстродействием, однако меньшим максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер. Для ограничения напряжения на оптроне в схему добавляется еще один резистор. Такая схема, смоделированная в программе Multisim, представлена на Рисунке 3. В этой схеме при входном напряжении 300 В напряжение на оптроне U2 составляет 50 В.

Рисунок 4.	Осциллограммы сигнала управления и выходного сигнала смоделированной схемы при напряжении 300 В.

Форма сигнала на вторичной обмотке трансформатора при напряжении 300 В показана на Рисунке 4, а при напряжении 150 В – на Рисунке 5. Во втором случае напряжение на вторичной обмотке в два раза меньше.

Рисунок 5.	Осциллограммы сигнала управления и выходного сигнала смоделированной схемы при напряжении 150 В.

Точность измерений можно повысить, если учитывать падение напряжения на трансформаторе (падением напряжения на коммутирующем элементе при токе порядка 2 мА можно пренебречь).

Как известно, трансформатор тока может быть представлен схемой замещения, упрощенный вид которой показан на Рисунке 6 [1].

Рисунок 6.	Схема замещения трансформатора тока.

В рассматриваемом трансформаторе коэффициент трансформации К = 1000:1000 = 1, активные сопротивления обмоток R_1T = R'_2T = 100 Ом, индуктивности первичной и вторичной обмоток L₁ = L₂ = 40 Гн (измеренные значения!) R₂ = 51 Ом – сопротивление нагрузки. Индуктивностями рассеивания L_1T, L'_2T можно пренебречь (отстроиться при измерениях). Тогда входное сопротивление трансформатора в схеме замещения можно рассчитать как

Это эквивалентное сопротивление можно учитывать при расчете входного напряжения:

Если учитывать влияние сопротивления R₃ (см. Рисунок 3), после несложных преобразований получаем:

Здесь

U₂ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора во время действия импульса включения,
I – измеренное микроконтроллером значение тока,
R₁ – входное сопротивление.

---

Литература

1. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 1. Трансформаторы. Учебное пособие для вузов. – Москва: МГАУ. 2002. – 167с.

---

Материалы по теме

1. Datasheet Qingxian Zeming Langxi ZMPT107-1
2. Datasheet Toshiba TLP521-1