ул.Симферопольская
дом 5, офис 9
Пн-Вс с 9:00 до 18:00
Корзина
Корзина пуста
Сделай сам своими рукамиО бюджетном решении технических, и не только, задач. Импульсный ток как измерить
Как измерить среднеквадратичное значение тока или напряжения?
В радиолюбительской практике иногда возникает необходимость измерить ток или напряжение, форма которых сильно отличается от синусоидальной. Подобные измерения могут потребоваться, например, когда нужно измерить мощность системного блока компьютера или другого устройства с импульсным источником питания.
Однако большинство бюджетных любительских тестеров могут с достаточной точностью измерять ток и напряжение только синусоидальной формы. Подробнее на https://oldoctober.com/ru/
Приборы позволяющие измерять токи и напряжения произвольной формы дороги, да и необходимость в подобных измерениях возникает крайне редко.
Между тем, прибор позволяющий производить такие измерения можно изготовить самому за каких-нибудь полчаса.
Самые интересные ролики на Youtube
Прибор для измерения напряжения произвольной формы.
Работа прибора основано на том, что световой поток лампы накаливания пропорционален силе протекающего через неё тока, а инертность нити накала лампы обеспечивает правильное считывание показаний с фотодатчика. https://oldoctober.com/ru/
Первый раз, я собрал такой прибор для измерения напряжения накала кинескопа, когда это напряжение начали получать от трансформатора строчной развёртки. В приборе использованы лампы СМН-6-20-1, хотя можно использовать любые другие с малыми токами.
Две шестивольтовые лампы включены последовательно, чтобы продлить их срок службы.
Технические данные миниатюрных ламп накаливания с малым током потребления приведены в конце статьи.
Фотодиод ФД-263 такой, как использовался в системах дистанционного управления телевизорами.
Измерительная головка на 20 - 100 µA.
Для калибровки прибора достаточно подключить его к источнику питания постоянного тока напряжением 6,3 Вольта и установить стрелку в середину шкалы, до совмещения с одной из рисок, при помощи резистора R1 .
Для удобства работы, измерительная головка встроена в корпус прибора. Однако, с таким же успехом, в качестве измерительной головки можно использовать мультиметр или стрелочный тестер.
Лампы и фотоприёмник заключены в трубку из алюминиевой фольги для увеличения светового потока.
Прибор для измерения силы тока произвольной формы.
Другой раз мне понадобился подобный прибор для измерения потребляемой мощности системных блоков компьютеров.
Форма тока, протекающего через входные цепи импульсного блока питания, так сильно отличается от синусоидальной, что при измерении тока обычными любительскими тестерами и мультиметрами, ошибка может достигать 180%.
На картинке осциллограмма тока протекающего во входных цепях импульсного источника питания.
Прибор работает по тому же принципу, что и предыдущий, только вместо напряжения измеряет ток.
Величину шунтирующего резистора R1 нужно подобрать в зависимости от измеряемого тока.
Я использовал для диапазона 20 – 170 Ватт – 4,7 Ом, а для 100 – 250 Ватт – 1,8 Ом (мощность резисторов 5 – 10 Ватт).
Фотоприёмник VD – фотодиод ФД-263.
Лампа EL1 и фотодиод VD1 впаяны в отрезок макетной платы и помещены в пластиковый светонепроницаемый контейнер чёрного цвета от фотоплёнки.
Переключатель S1 (КМ-1-1) - очень важная часть прибора. Чтобы обеспечить достаточную точность измерений, пропускать ток через шунтирующий резистор и лампу, следует только на то короткое время, в которое производится измерение.
Дело в том, что при длительном горении лампы, нагревается колба лампы, фотоприёмник да и сам корпус, что приводит к погрешности в измерениях.
Кроме всего, переключатель S1 защищает лампу от броска тока, который происходит в момент включения нагрузки. Пусковой ток импульсного блока питания ПК может превышать 60 Ампер.
Для замера напряжения на фотодиоде используется бюджетный цифровой мультиметр. Замеры нужно производить с точностью до 0,001 Вольта.
Прибор можно откалибровать по точкам, подключив к источнику постоянного тока. Для удобства можно построить номограммы, наподобие тех, что представлены ниже, а можно просто измерить переменный ток, а затем найти ему соответствие, используя источник постоянного тока.
По представленным номограммам видно в каком диапазоне напряжений возможно использовать указанный фотоприёмник, это примерно от 0,008 до 0,4 Вольта.
Калибровочная таблица для измерителя тока произвольной формы.
По этой таблице легко откалибровать прибор для измерения мощности. Контрольные точки выбраны через каждые 10 Ватт. Это ссылка, по которой можно скачать версию этой таблицы для печати в формате "doc".
| Мощность (W) | Ток (А) (U=220V) | Напряжение (V) при R балл. = …… Ом | Напряжение (V) при R балл. = …… Ом |
| 25 | 0,11 | ||
| 30 | 0,14 | ||
| 0,18 | |||
| 50 | 0,23 | ||
| 60 | 0,27 | ||
| 70 | 0,32 | ||
| 80 | 0,36 | ||
| 90 | 0,41 | ||
| 100 | 0,45 | ||
| 110 | 0,50 | ||
| 120 | 0,55 | ||
| 130 | 0,59 | ||
| 140 | 0,64 | ||
| 150 | 0,68 | ||
| 160 | |||
| 170 | 0,77 | ||
| 180 | 0,82 | ||
| 190 | 0,86 | ||
| 200 | 0,91 | ||
| 210 | 0,95 | ||
| 220 | |||
| 230 | 1,05 | ||
| 240 | 1,09 | ||
| 250 | 1,14 | ||
| 260 | 1,18 | ||
| 270 | 1,23 | ||
| 280 | 1,27 | ||
| 290 | 1,32 | ||
| 300 | 1,36 | ||
| 310 | 1,41 | ||
| 320 | 1,45 | ||
| 330 | 1,50 | ||
| 340 | 1,55 | ||
| 350 | 1,59 |
Таблица параметров миниатюрных ламп с малым током потребления.
| V | mA | Лм | Диаметр | Длина/Длина выводов | ||
| СМН 1,5-12 | 1,5 | 12 | 0,04 | 40 | 0.85 | 3.5/60 |
| СМН 6-20 | 20 | 0.25 | 600 | 3.2 | 9 | |
| СМН 6-20-1 | 6 | 20 | 0.25 | 600 | 3.2 | 7/27 |
| СМН 6,3-20 | 6 | 20 | 0.26 | 600 | 3.2 | 9 |
| СМН 6,3-20-2 | 6 | 20 | 0.26 | 600 | 3.2 | 7/27 |
| СМН 6,3-20-3 | 6 | 20 | 0.2 | - | 3.2 | 14 |
| СМН 12-5 | 12 | 5 | 0.002 | 500 | 3.2 | 8/37 |
В столбике "Длина", через дробь, обозначены длина колбы (в знаменателе) и длина выводов (в числителе) для ламп с гибкими выводами.
Недостатки конструкции.
Если при измерении напряжения высокой частоты, предложенный метод лишён существенных недостатков, то точность измерения тока низкой частоты напрямую зависит от инертности нити накала лампы.
Использование лампы с большим номинальным током приводит к ошибкам из-за быстрого нагрева содержимого светонепроницаемого контейнера, а с малым - к ошибкам вызванным недостаточной инертностью нити накала.
Если при измерении тока или напряжения низкой частоты требуется гарантированная погрешность менее 10%, то стоит подумать о более серьёзном приборе.
Близкие темы.
Как самому изготовить киловольтметр.
Подключение непривычных нагрузок и источнику бесперебойного питания (UPS).
Выбор источника бесперебойного питания (ИБП) исходя из мощности нагрузки.
7 Апрель, 2009 (10:29) в Измеренияoldoctober.com
Power Electronics • Просмотр темы
"Предполагается измерять ток потребления от аккумулятора." (al3xey)Наверняка предполагается еще, что бы удобно и недорого. И конечно же, по удобству инсталляции токовые клещи заметно превосходят шунты. На рынке встречается (по крайней мере упоминается) ряд токоизмерительных клещей постоянного и переменного тока, достаточно удобных для этой цели. Они имеют цифровую шкалу 3999 единиц и диапазоны измерения постоянного тока 40 и 200 (или 400) ампер, защиту по максимальному току 200-400 ампер (что полезно, если измерять ток стартера) и разрешение 10 mA на младшем диапазоне (что полезно при поиске цепей утечек). • Uni-T UT203 - 40A/400A±2.5% (Разрешение 10/100 мА) – 1300-1800 руб; • MASTECH MS2102 - 40A/400A±2.5% (Разрешение 10/100 мА) – 1700-2300 руб; • APPA A3D - 40A/400A±1.5% (Разрешение 10/100 мА) – 3300-3700 руб; В этот класс попадают также клещи АТК-2021, АТК-2047, APPA 30, EXTECH 380941, но с ценами от 4000 руб и выше (не говорю уже о брендах типа Fluke). Встречается много типов клещей, привлекательных по цене, но не имеющих младшего диапазона – сразу 400A, но у них и разрешение 100 мА (мечтайте осторожней, не дай бог сбудется).
При необходимости контроля формы тока можно использовать токовые клещи-приставки (клещи-адаптеры), не имеющие встроенного измерителя и цифрового дисплея, но имеющие аналоговый выход с чувствительностью 1/10/100 мВ/А на разных диапазонах. Этот сигнал можно измерять любым мультиметром, желательно со шкалой 3 ¾ разряда (3999 единиц). Если подключить выход приставки к осциллографу, можно как-то судить о форме тока. • АТА-2504 - 4A/40A/400A (Чувствительность 100/10/1 мВ/А) - 3300-3500 руб; • C.E.M. CP-07 - 40A/200A(Чувствительность 10/1 мВ/А) 1000-1300 руб; Кроме того для адаптера АТА-2504 декларируется полоса пропускания сигнала в 1 кГц (в отличие от типичной в 400 Гц), что может оказаться полезным при диагностике генератора.
P.S. Параметры и места обитания приборов можно нарыть в интернете по их типам (названиям).
valvol.ru
Как измерить большой ток с помощью самодельного шунта
Иногда, в радиолюбительской практике и не только, требуется измерить токи, величиной в несколько десятков ампер. Обычный мультиметр может измерять токи до 10 А, ито не всегда. Зачастую имеющийся под рукой прибор позволяет делать измерения до десятых долей ампера. Опытный радиолюбитель легко выйдет из положения, поэтому статья предназначена в первую очередь для новичков. Итак, будем разбираться, как измерить ток с помощью закона Ома.
Применение закона Ома
Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах, U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I - протекающий ток.
Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом. Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не важно - действующий ток одинаков на всех участках цепи. Так же параллельно шунту подключается вольтметр - по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой. У меня при почти полном торможении вала двигателя вольтметр показывал около 0,9 В. Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А - такой ток потребляет мотор.
Обратите внимание:При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит стрелочный вольтметр.
Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до 300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния. Рассчитать примерную мощность рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.
Самодельный шунт
Не всегда под рукой имеются проволочные резисторы таких мизерных сопротивлений, я бы даже сказал чаще их нет. Из положения можно выйти при помощи нихромовой проволоки от вышедших из строя нагревателей, в крайнем случае можно использовать обычный медный провод. Для определения сопротивления куска проволоки понадобится амперметр (прям замкнутый круг) и источник питания с нагрузкой. Амперметр может конечно быть рассчитан на меньшие токи, чем предполагается измерять шунтом.
Например, для измерения сопротивления своего шунта 0,035 Ом я использовал источник напряжения 12 В и галогеновую лампу 12 В 35 Вт. Предварительно оценив, что лампа потребляет 35Вт/12В=2,9А, я использовал амперметр на 5 А. Безусловно, когда мы знаем ток потребления нагрузкой, как в моем случае, амперметром можно и не пользоваться, однако будет большая погрешность в измерениях.
Для измерительного шунта отлично подходит сборный шунт от советского измерительного прибора. Данный шунт имеет несколько отводов и обладает способностью держать большие токи. Итак, подключаем шунт неизвестного сопротивления в разрыв между источником питания и нагрузкой (лампой). Аналогично, как при измерении тока, включаем параллельно шунту вольтметр. В ситуации с лампой вполне сойдет цифровой вольтметр. Закон Ома здесь применим с той лишь разницей, что теперь нам известен ток и напряжение, а сопротивление нет. Используя ту же формулу, подставляем известные значения: 2,9(ток потребления лампы)=0,1(напряжение на измеряемом шунте)/X(сопротивление неизвестно) - 2,9=0,1/X или данное уравнение можно записать иначе: X=0,1/2,9=0,034 Ома - сопротивление шунта.
Измерение переменного тока
Для измерения переменного тока так же применимы вышеописанные методы, с той лишь разницей, что нужно использовать вольтметр переменного напряжения, а в случае с измерением сопротивления шунта - амперметр переменного тока.
Для измерения в цепях с частотой 50 Гц вполне сойдут и цифровые вольтметры и амперметры (при наличии у них таких функций). При более высоких частотах цифровые приборы малопригодны, их показания могут сильно отличаться от реальности. Стрелочные измерительные приборы в этом случае куда более подходящие.
Смотрите так же другие статьи
yserogo.ru
5. ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ. 5.1 Способы измерения импульсов высокого напряжения
Транскрипт
1 5. ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ 5.1 Способы измерения импульсов высокого напряжения Измерение максимального значения импульсных напряжений Измерить максимальное значение импульсов можно с помощью шаровых разрядников. Однако прежде необходимо знать форму импульса напряжения. Процесс измерения шаровым промежутком очень трудоемкий по времени, и из-за относительно низкой надежности результатов его нельзя считать удовлетворительным. Можно использовать более дешевые амплитудные импульсные вольтметры. Для измерения не только максимального значения амплитуды импульса напряжения, но и контроля формы его, используются делители напряжения и осциллографы или современные аналого-цифровые преобразователи с высокой разрешающей способностью. Импульсный осциллограф должен в условиях помех регистрировать с высокой точностью однократные кратковременные процессы. Многие серийно выпускаемые широкополосные электронные осциллографы имеют требуемую скорость записи благодаря ускорению электронного луча напряжением более 20 кв. В последнее время появились трубки со скоростью записи 20 см/нс за счет усиления электронного луча при прохождении его через плату фотоэлектронного умножителя. При использовании осциллографов необходимо калибровать чувствительность отклоняющих систем по всей поверхности экрана. Специальные импульсные осциллографы не имеют усилителей вертикального отклонения, а их трубки обладают невысокой чувствительностью (от 50 до 150В/см). Поэтому такие осциллографы менее чувствительны к помехам. Аналого-цифровой преобразователь имеет следующий принцип работы. Исследуемый меняющийся во времени сигнал непрерывно тестируется, а сигнал опроса квантуется. В результате возникает ряд чисел, который воспроизводит аналоговый сигнал при выбранном интервале опроса: Т а 1/2f g, (5.1) 197
2 где f g наивысшая частота спектра измеряемого сигнала. Максимальная длительность регистрируемого сигнала Т R =NT a, где N число опросов, T a - интервал опроса. При N = можно охватить интервал, соответствующий ширине экрана осциллографа с хорошим разрешением во времени. Квантование амплитуды сигнала, от которого непосредственно зависит точность измерения, должно производиться минимум на 8 бит, или 2 8 =256 интервалов. Эти требования удовлетворяются в так называемых регистраторах переходных процессов или цифровых анализаторах. В цифровом анализаторе Tektronix типа 7912 AD преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется в специальной трубке, представляющей собой комбинацию электроннолучевой трубки и трубки, аналогичной телевизионному видикону. В таком устройстве электронный луч, проходящий через отклоняющие системы, записывает сначала измеряемый сигнал на мишени (диодной матрице), обратная сторона которой заряжается в тех местах, где прошел электронный луч. Затем с помощью считывающего луча сравнительно медленно получается цифровая информация о состоянии обратной стороны мишени, устанавливаются элементы матрицы, на которые воздействовал записывающий луч. Информация с адресами этих элементов поступает в полупроводниковое устройство памяти. Квантование осуществляется в горизонтальном и вертикальном направлениях с разрешением по 512 ступеням. Измеряемый сигнал может быть затем передан на экран осциллографа в аналоговом виде, либо передан на ЭВМ для дальнейшей обработки. Широкополосная отклоняющая система трубки имеет граничную частоту выше 1 ГГц, и поэтому полоса частот ограничивается полосой усилителя. Максимальная скорость записи 20 делений/нс [71] Измерение импульсных напряжений с помощью делителя Универсальный делитель напряжения трудно изготовить, так как к нему предъявляются высокие требования к частотным передаточным характеристикам, что обычно приводит к особой конструкции делителя. Как правило, во всех делителях общим является размещение рабочих элементов в цилиндре из изоляционного материала, заполненного маслом. Это обеспечивает изоляцию между элементами, теплоотвод и устраняет разряды по поверхности элементов, возникающие на стороне высокого потенциала при большой напряженности поля. Делитель напряжения представляет собой линейный пассивный четырехполюсник. Если на вход делителя подать синусоидальное 198
3 напряжение U 1 (t) = U 1m sin(t + 1 ), то спустя некоторое время после затухания переходных процессов на его выходе можно будет измерить напряжение U 2 (t) = U 2m sin( t + 2 ). При постоянных значениях U 1m и 1 выходные значения U 2m и 2 будут зависеть от частоты f = /2. Поскольку в делителях U 2m U 1m, то коэффициент деления U 1m / U 2m практически постоянный в определенном диапазоне частот. Если принять U 2m = exp(j 2 ) и U 1m = exp(j 1 ), то частотная характеристика определится как [71] U2m H(jω) H(jω) exp j 2( ω) 1( ω), (5.2) U1m где H(j)= H() амплитудная частотная характеристика. Если амплитудная характеристика при f 0 сначала остается постоянной, а при высоких частотах монотонно падает, то имеет смысл давать ее в виде полосы пропускания f В, так же, как и фазовую частотную характеристику. Полоса пропускания ограничивается частотой f В, при которой H() падает на 3дБ или в 1/ 2 раз. Частотная характеристика делителя высокого напряжения хорошо рассчитывается, однако не просто измеряется, так как масштабный коэффициент N очень большой (больше 1000). Поэтому измеряется передаточная функция G(t) или реакция на ступенчатое (прямоугольное) воздействие на вход схемы (рис. 5.1) Определение передаточных свойств необходимо для определения пригодности измерительной системы в конкретных условиях. Если известны частотная характеристика H(j) и реакция на прямоугольный импульс G(t), то можно рассчитать выходное напряжение U 2 (t) при любом несинусоидальном или периодическом входном напряжении U 1 (t). Обычно используют следующую методику: с помощью сравнения полосы пропускания f B и реальной части спектральной функции входного сигнала устанавливают, не выходят ли погрешности за допустимые пределы. Напряжение U 2 (t) можно определить из реакции на прямоугольный импульс G(t) с записанного в следующей форме интеграла Дюамеля U t du( ) d 2t U1( 0 )G( t ) G( t ) d. (5.3) При измерениях импульсных напряжений реакция на прямоугольный импульс G(t) должна удовлетворять жестким требованиям международных норм, чтобы погрешность измерений не оказалась 0 199
4 большой. При измерении срезанных на фронте импульсов можно записать U 1 (t) = St при 0 t t c ; где S = U 1m /t c крутизна напряжения. Выходное напряжение будет равно U 1 (t) = 0 при t 0 и t t c, (5.4) t t S U 2 ( t ) S G( )d g( )d. (5.5) N 0 Если это уравнение умножить на N и преобразовать правую часть, учтя, что U 1 (t)=st, то получим t 0 NU 2t St 1 g( )d. (5.6) 0 g(t) T 1 T 2 T 3 T 4 T = T 1 - T 2 + T 3 - T 4 U(t) U М T U 1 (t) U NU 2 (t) 0 t 0 t 0 t t 0 t C Рис Колебательная реакция на прямоугольный импульс (а) и ее влияние на искажения косоугольного импульса напряжения (б) [71] Следовательно, выходное напряжение в диапазоне 0 t t c, и погрешность в любой момент t зависит от нормированной реакции на прямоугольный импульс. Если t c на рис. 5.1 больше, чем время успокоения t 0, когда реакция достигнет установившегося значения, то погрешность оказывается постоянной. Таким образом, существует время реакции T tt 0 1 g( ) d 1 g( t ) dt (5.7)
5 g(t) T O U(t) U М U 1 (t) U de T T o de t 0 t de t 0 NU 2 (t) t C (t C + de ) а) б) Рис Реакция на прямоугольный импульс (а) и ее влияние на искажение импульса с косоугольным фронтом (б) [71] t Для системы, имеющей реакцию на прямоугольный импульс с четким запаздыванием на de (рис. 5.2), уравнение 5.5 при t t 0 можно записать U 1( t ) NU 2( t ) S 1 ST 0 0 g( t ) dt. (5.8) На рисунке 5.2,б показано изменение во времени напряжения U 1 (t), линейно нарастающего и срезанного в момент t 0, а также напряжения NU 2 (t), рассчитанного по формуле 5.5. Спустя время t 0 выходное напряжение U 2 (t) нарастает с той же крутизной S, что и входное напряжение, однако оно оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на T 0 =T+ de. Следовательно, амплитудную погрешность ΔU в момент времени t c + de легко выразить через общее время реакции Т 0 ΔU = ST = S(T 0 + de ). (5.9) Это значит, что при положительном значении Т измеряется заниженное значение выходного напряжения. Уравнение 5.8 показывает, что чистым временем запаздывания de, которое может быть вызвано как временем пробега импульса по кабелю, соединяющему делитель с осциллографом, так и временем пробега импульса по самому делителю, можно пренебречь при расчете ошибки. Обычно в ходе экспериментального определения реакции на прямоугольный импульс учитывается de. Если осциллограф связан 201
6 Рис Схема замещения емкостного делителя [71] только с выходом измерительной системы и время реакции определяется путем интегрирования сигнала от момента, когда он начинает отличаться от нуля, то определяется лишь время Т. Время нарастания Т нельзя путать со временем нарастания Т а, определяемым как интервал между точками передаточной функции, соответствующими 10% и 90% установившегося значения. Для хорошо задемпфированных систем существует приближенная связь Т а и полосы пропускания f B системы в виде Т а = 0,35/ f B. Передаточные характеристики емкостного делителя можно определить из схемы замещения, приведенной на рис Делитель состоит из большого числа последовательно соединенных конденсаторов С /. L / собственные индуктивности, R / сопротивления, обусловленные потерями в изоляции и металле обкладок для чисто емкостных делителей. / C p и / C е паразитные емкости. Формула для расчета реакции на прямоугольный импульс имеет вид chbk t shbk t C αt k e b g t 1 2e 1 k, (5.10) t 6 C C p k C p C где Cpk π A 1 e ;α R ;B 1 ; 2 2 C Ck π 2L C e α AB b k α k π A. LC B e Установившееся значение g(t) рассчитывается в нормированном виде через n, которое меньше 1 на величину С е /6(С+С р ) С е /6С. 202
7 Эффективная емкость делителя относительно земли С е зависит от места установки делителя. На нее влияют близко расположенные предметы (стены, приборы), экраны и провода высокого напряжения, от которых зависит распределение поля. Нужно стремиться сделать отношение С е /6С как можно меньшим, чтобы уменьшить это влияние. С е зависит и от высоты делителя, что следует учитывать при выборе Рис Расчетная реакция на прямоугольный импульс емкостного делителя напряжения, выполненного по схеме на рис.3: С р =0; R=0; L=4мкГН; С е =25пф; С=100пф [71] емкости С делителя. Реакция емкостного делителя на прямоугольный импульс имеет колебательный характер, так как каждое звено LC склонно к колебаниям, а R / 0 (рис. 5.4). При измерениях напряжений, не содержащих высокочастотных компонентов, эти колебания возбуждаются незначительно. Однако имеется возможность подавления колебаний с помощью сопротивлений R /, включенных между конденсаторами. В результате получают демпфированный емкостной делитель. Из уравнения 5.9 находят оптимальное демпферное сопротивление Рис Расчетная реакция на прямоугольный импульс демпфированного емкостного делителя напряжения со схемой замещения, показанной на рис.5.3 при С=150пф, С е =40пф, С р =1пф, L=2,5мкГн: 1 R=250, 2 R=750ом, 3 R=1000ом, 4 R=2000ом [71] R 4 L, (5.11) C e при котором не возникает колебаний. На рис. 5.5 представлены некоторые виды реакций на прямоугольный импульс демпфированных емкостных делителей. Если делитель выполнен малоиндуктивным, то требуемое для демпфирования сопротивление может быть небольшим ( Ом). При этом время реакции RC e /6 остается малым даже при очень большой высоте делителя. Деление напряжения в таких делителях осуществляется по сопротивлениям при высоких частотах и по емкостям при низких частотах. 203
8 У емкостного делителя коэффициент деления в широком диапазоне не зависит от частоты, поэтому он может быть использован для регистрации как быстрых, так и сравнительно медленных явлений. Однако при применении длинных линий в качестве передающих элементов возникают трудности. Даже Рис Соединение осциллографа и емкостного делителя напряжения: Z волновое сопротивление, С к емкость кабеля [72] сравнительно короткий коаксиальный кабель на высоких частотах нельзя рассматривать как сосредоточенную емкость, и следует учитывать волновые процессы в нем. В отличие от омического делителя, в котором за счет большого коэффициента деления сопротивление плеча низкого напряжения мало и кабель легко согласовать на концах у делителя и осциллографа, емкостной делитель нельзя нагрузить малым сопротивлением, равным Рис Компенсация емкости кабеля волновому сопротивлению при больших его длинах [72] кабеля (50-75 Ом). Обычно измеряемый сигнал подводится непосредственно к отклоняющим пластинам, и кабель разомкнут на концах (рис. 5.6). Для того чтобы отражения на этом конце кабеля не привели к возникновению колебаний, начальная часть кабеля должна быть включена через согласующее сопротивление. При очень высоких частотах кабель не нагружает делитель и коэффициент деления равен К = U 1 (t)/u 2 (t) = (C 1 + C 2 )/C 1. (5.12) При низких частотах влиянием Z можно пренебречь, емкость кабеля включена параллельно С 2 и К = (С 1 + С 2 + С К )/С 1. (5.13) При малых С 1 и С 2, а также при длинном измерительном кабеле необходимо принимать дополнительные меры для лучшего 204
9 согласования кабеля [72]. Если выбрать С 1 + С 2 = С 3 + С к, то коэффициент деления получится одинаковым как при высоких, так и при низких частотах (рис.5.7). Для регистрации наносекундных импульсов напряжения с амплитудой ~ 1МВ и выше применяются комбинированные делители напряжения, в которых в качестве высоковольтного плеча делителя используются линии, передающие импульс к нагрузке. На рис. 5.8 приведены конструктивные исполнения таких делителей [73]. На небольшом участке кабеля снимается оплетка и на изоляцию накладывается металлическая пластина 4, которая образует емкость С Д с жилой кабеля. Второй емкостью является собственная емкость пластин осциллографа С П. Коэффициент деления такого делителя определяется как К = (С Д + С П )/С Д. (5.14) Схема замещения делителя приведена на рис. 5.9, а, где R волновое сопротивление передающей линии, С = С П /К, L = L П + L В, L П индуктивность подводящих проводников, Рис Делители для измерения наносекундных импульсов: 1 изоляция линий, 2 высоковольтный проводник, 3 экранирующий проводник, 4 электрод делителя, 5 экранирующее кольцо, 6 барьер, r 1, r 2, r 3 омические сопротивления [24] L В собственная индуктивность вводов электронно-лучевой трубки. На пластинах осциллографа создаются затухающие синусоидальные колебания, обусловленные параметрами L и C схемы. 205
10 Амплитуда импульсов на вершине импульса пропорциональна величине Рис Схемы замещения делителей наносекундных импульсов [24] m=rc(l/r 1). Минимальная длительность фронта, регистрируемая таким делителем с погрешностью не более 10%, определяется по формуле [24] Рис Конструкция омического делителя, r 1, r 2 омические сопротивления [24] 9, 2C t, (5.15) k 1 101, 0, 8 где = 4 2 R 2 C 2 пf 2 0 /kk L, f 0 резонансная частота отклоняющей системы трубки, k L =L/L В. Делитель, в котором в качестве низковольтного плеча С 2 служит емкость, образованная металлической фольгой электрода 4 и цилиндром 3, приведен на рис. 5.8, б. Между ними прокладывается полиэтиленовая пленка. Емкость между стержнем 2 и фольгой 4 является емкостью высоковольтного плеча С 1. Для увеличения электрической прочности промежутка между стержнем 2 и фольгой 4 служит барьер 6 из изоляционного материала. Разновидностью этого делителя является конструкция на рис. 5.8, в. В ней используется экранирующее кольцо, с помощью которого можно регулировать амплитуду сигнала, подаваемого на осциллограф. Схема замещения таких делителей приведена на рис. 5.9, б. Для фронта импульса t ф 10-9 с и менее при R 1 C 2 t ф в схеме замещения можно пренебречь влиянием сопротивления R 1 (так как оно в начале шунтируется емкостью С 2 ). При С 2 С 1 для длительности фронта t ф на выходе делителя при идеальном импульсе на входе получим t ф 1,2RC 1. А спад напряжения на вершине импульса при t и t ф будет определятся за счет 206
11 разряда С 2 через R 1 как С 2 R 1 t и /. Эти формулы справедливы, когда время распространения электромагнитных волн по элементам С 1 и С 2 делителя много меньше длительности фронта регистрируемого импульса. На рис приведена конструкция омического делителя для регистрации высоковольтных наносекундных импульсов. Высоковольтное плечо состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений r 1 по 330 ом, низковольтное из двух параллельно соединенных сопротивлений r 2 по 20 ом. Ограничивающим по частоте фактором является емкость высоковольтного плеча относительно земли. Делитель измерял импульс с длиной фронта 6 нс с погрешностью 10 % [24]. Если омическое сопротивление высоковольтного плеча делителя заменить волновым сопротивлением передающей линии, то получим простейшую конструкцию делителя, показанную на рис В этой конструкции в качестве низковольтного плеча используются параллельно Рис Конструкция соединенные пленочные омического делителя [24] сопротивления, которые включаются в рассечку оболочки 3. Коэффициент деления может достигать 1/100 и менее [24]. Измерение напряжений с помощью делителей имеет следующие недостатки: наличие паразитной индуктивности у сопротивлений и конденсаторов, наличие паразитных емкостей между каждой из секций делителя и землей или заземленными объектами, возникновение колебаний в цепи делителя, обусловленных наличием емкости между высоковольтной клеммой делителя и землей и индуктивности проводов. Достоверность измерения амплитуды и формы мегавольтных импульсов может быть повышена при использовании двухступенчатых делителей напряжения. В первой ступени деления уровень напряжения снижается до кв. Во второй ступени с помощью емкостных либо резистивных делителей [71] напряжение снижается до уровня, приемлемого для регистрирующего устройства. Точность измерений увеличивается за счет повышения точности установления коэффициентов деления в ступенях, а также снижения уровня помех, влияющих на форму регистрируемого сигнала. Емкостные и индуктивные делители, которые обычно используются для измерений наносекундных импульсов, имеют выходное 207
12 напряжение на уровне сотен вольт. Конструирование широкополосных емкостных делителей с уровнем выходного напряжения кв представляет существенные трудности. Авторами [73] описана простая и удобная конструкция делителя первой Рис Блок-схема регистрации ступени для регистрации импульса [73] импульсов мегавольтного диапазона с фронтом 1 нс. На рис представлена блок-схема и конструктивное исполнение делителя напряжения. От ГИН поступают импульсы с амплитудой 2 MB с фронтом 1 нс по коаксиальной маслонаполненной линии Л 2-3 с волновым сопротивлением 20 Ом на двухпроводную линию Л по общему проводу 2. Линия Л 2-3 в ней представляет продолжение маслонаполненной линии, а линия Л 1-3 образована кабелем со снятой оплеткой и заземленным цилиндром 3. На выходе линия Л 1-3 нагружена этим же кабелем в оплетке, на выходе которого помещен низкоиндуктивный шунт R ш (R ш ρ к ). Сигнал с шунта передается кабелем (75 Ом) на вход осциллографа 6ЛОР. Кабель со снятой оплеткой фиксируется на цилиндре 3. Вследствие близких по значению диэлектрических проницаемостей масла и полиэтилена скорость распространения сигналов в линиях Л 2-3 и Л 1-3 одинакова и искажения связаны, в основном с неоднородностями на концах линий и затуханиями в кабеле, а также с неоднородностями измерительного тракта. Эти искажения либо устраняются выбором длин линий, либо учитываются с помощью известных соотношений. Из теории многопроводных линий при условии однородной среды в области малого скин слоя можно получить уравнения для напряжений на проводах 1 и 2 как в двух линиях с волновыми сопротивлениями в области связи 1 и 2, между которыми включена третья с волновым сопротивлением 1-2. Для падающей волны напряжения (без учета отражений от правых концов линий (рис. 5.12) получаем расчетную схему, показанную на рис. 5.13, где к и л волновые сопротивления кабеля и входной линии Л 2-3 вне области связи, U n выходное напряжение генератора. 208
13 Рис Схема для расчета коэффициента деления [73] При этом коэффициент деления делителя К д для входа кабеля к имеет вид К д = U n /U k = ( л )( s ) / (2 1-1 s ), (5.16) где s = k 1 / ( k + 1 ), 1-1 = 2 ( s ) / ( 2 + s ) эквивалентные сопротивления для схемы, отмеченные на рисунке двумя стрелками, U k напряжение на входе кабеля. Волновые сопротивления линий обратно пропорциональны погонным емкостям С 1, С 2 и С 1-2. При регистрации выходного сигнала напряжения амплитудой U = ±100 кв используются три ступени ослабления сигнала. На первой и второй применяются делители напряжения на связанных линиях (рис. 2.14) D 3 и D 4, уровень сигнала после которых составляет ~ 3,2 и ~ 0,4 кв соответственно. В третьей ступени сигнал с помощью резистивных ослабителей доводится до уровня, приемлемого для регистрации осциллографом [36]. 5.2 Измерение импульсных токов В настоящее время широкое распространение при измерении импульсных токов получили в основном два способа: использование низкоомных измерительных сопротивлений (токовых шунтов) и специального трансформатора тока (катушки Роговского). В обоих случаях получают напряжение, которое в большей или меньшей степени пропорционально изменению измеряемого тока во времени Измерение импульсных токов с помощью шунтов. Широко применяется способ регистрации импульсных токов, основанный на измерении падения напряжения на измерительном сопротивлении (шунте), включенном в разрядную цепь (рис. 5.1) 209
14 Измерительный сигнал U м (t) передается к осциллографу по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением Z. Кабель на конце имеет согласующее сопротивление. ЭО электроннолучевой осциллограф. Падение напряжения пропорционально Рис Схема измерения импульсных токов с помощью шунта [71] изменяющемуся во времени току, если сопротивление шунта является чисто активным в определенном диапазоне частот: U M (t) = i(t) R. В качестве сопротивления шунта используются материалы с высоким удельным сопротивлением (манганин, нихром, константан и др.). Материалы с большим удельным сопротивлением обладают более равномерным распределением тока по сечению. Они, обладая низким температурным коэффициентом сопротивления, обеспечивают практически независимость сопротивления шунта от температуры. Сопротивление R выбирается очень малым. Для высокочастотных процессов существенное влияние оказывает место соединения кабеля с шунтом. Измерительную петлю пронизывает магнитный поток, вызванный измеряемым током. При измерении быстроизменяющихся во времени токов необходимо считаться с изменением сопротивления шунта за счет поверхностного эффекта, влиянием способа и места подключения, собственной индуктивностью шунта и влиянием посторонних магнитных полей на контур подсоединения шунта. В общем виде напряжение шунта можно представить как U Ш (t)=i Ш (t)r Ш +dф/dt, где последнее слагаемое правой части представляет из себя индуктивную составляющую, обусловленную потокосцеплением с контуром (рис. 5.1) собственного магнитного поля токовой цепи шунта и посторонних магнитных полей, Рис Трубчатый шунт [71] создаваемых прилегающими к шунту участками токопровода, и собственной индуктивностью. Устранить влияние магнитного поля, вызванное током i(t), можно лишь в том случае, если съем напряжения U M производить в области, где полностью отсутствует поле. Это достигается 210
15 применением трубчатых цилиндрических шунтов, симметрично обтекаемых током (рис.5.2). Шунт представляет собой закороченный кабель, определенный участок оболочки которого заменен втулкой из сплава с высоким удельным сопротивлением. Диаметр шунта целесообразно брать больше. Для снижения собственной индуктивности шунта между точками А и В обратный токопровод выполняют в виде трубы из хорошо проводящего материала (рис. 5.3). При этом измерительная часть шунта экранируется от Рис Конструкция коаксиального шунта [71] внешних полей. Реакция шунта g(t) = U M (t)/(i 0 R), если амплитуда тока равна I 0, будет иметь вид [71] g 2 k π μσδ t 1 2 k 1 exp t. (5.17) k1 Полоса пропускания f B и время реакции Т определяются как 2 2 f B 2 1,46 μσδ ; T, (5.18) 2 μσδ 6 где электропроводность материала шунта, толщина трубы трубчатого шунта, магнитная проницаемость. Из рассмотрения измерительной цепи следует, что трубчатый шунт не дает индуктивную составляющую напряжения, а передаточные характеристики определяются прежде всего проникновением тока. Использование абсолютно немагнитных материалов (= 0 ) с возможно меньшей проводимостью является первым непременным условием получения хороших характеристик и широкой полосы пропускания, при этом большую роль играет толщина стенки шунта. Ее определение связано с максимальным допустимым нагревом за счет импульсного тока. При частотах выше 1ГГц длина трубки уже не может, как правило, считаться короткой по сравнению с 211 Рис Конструкция шунта с активным элементом в виде шайбы [71]
16 длиной волны. В этих случаях активный элемент шунта выполняется в виде шайбы, перпендикулярной оси токоведущей коаксиальной системы, в результате чего достигается очень хорошее высокочастотное согласование измерительного кабеля [71-73]. Конструкция такого шунта приведена на рис.5.4. где токоподвод 1 соединяется с шайбой 2, 3 изолятор, 4 провод с измерительным сигналом, 5 коаксиальный разъем. Такой шунт может использоваться для измерения очень высокочастотных токов с ограниченной длительностью, так как время нарастания реакции на прямоугольный импульс порядка 1 нс Измерение импульсных токов с помощью пояса Роговского. Импульсный ток вызывает образование вблизи проводников переменного электромагнитного поля. Магнитное поле индуктирует в витках катушки, охватывающей провод с током, напряжение U i (t), пропорционально производной тока di 1 (t)/dt (рис. 5.5). С помощью интегрирующей схемы, на которую подается сигнал с катушки, можно получить импульс напряжения, пропорциональный измеряемому току. Принцип действия пояса Роговского (трансформатора тока) основан на законе полного тока: c BdS 0i. (5.19) Линейный интеграл магнитной индукции В пропорционален полному току, заключенному внутри контура интегрирования по замкнутой кривой. Путь интегрирования может быть любым, однако он должен быть замкнутым и охватывать измеряемый ток. Индуктированное при изменении магнитного поля напряжение в катушке, навитой вокруг силовых линий, с числом витков n и площадью витка S равно [72]: U 1 Рис Схема пояса Роговского [72] 1(t ) Mdi (t ) / dt, (5.20) где М коэффициент взаимной индукции между проводником с током i 1 и катушкой. Получить напряжение U M (t), пропорциональное току i 1 (t), можно при помощи пассивной схемы, состоящей из LR или RC контура (рис. 6, а, б), если i 2 (t)< i 1 (t). При интегрировании 212
17 RL-цепочкой (рис. 5.6, а) катушка присоединяется к сопротивлению R. Если соблюдается условие L(R+R S ), где R S сопротивление катушки, то ток в RL-цепочке будет определяться индуктивным сопротивлением. В этом случае U M (t) RMi 1 (t)/l. (5.21) Рис Принципиальные схемы с интегрирующей RL-цепочкой (а) и RC-цепочкой (б) [72] При интегрировании RC-цепочкой (рис. 5.6, б) должно соблюдаться условие 1/ Н СR и В L<<R, тогда U M (t) MI 1 (t)/rc. (5.22) Быстро изменяющееся электромагнитное поле всегда связано с электрическим полем. Для ослабления нежелательных емкостных связей, катушка пояса экранируется. Экран должен иметь разрез, чтобы он не представлял короткозамкнутый виток. Для соединения катушки пояса с осциллографом желательно использовать коаксиальный кабель с двойной оплеткой. Внешняя оплетка припаивается к экрану катушки, и вместе с ним по всей длине кабеля они должны быть изолированы от остальных элементов измерительной цепи, чтобы не создавать токи в оболочке кабеля и заземленных петлях, связанных с оболочкой. Заземлять измерительную схему следует только в одной точке у осциллографа [72]. Контрольные вопросы. 1. Как можно измерить импульсные напряжения и токи? 2. Какие требования предъявляются делителям напряжения и токовым шунтам? 3. Поясните принцип работы пояса Роговского. 213
docplayer.ru
Как измеряют импульсные токи с помощью осциллографа
Люди, Как померить импульсные токи потребления микросхем, да и не только, с помощью осциллографа? Чтобы увидеть эти токи ? Что нужно? Шунт и дифференциальный пробник? Как померить можно ? 3 годов назад от Натэлла Нагаплова2 Ответы
В любом осциллографе есть свой тактовый генератор, при помощи которого и осуществляются замеры периодичных импульсов, синхронизуя его подстроечными ручками. Для каждого осциллографа своя инструкция. Без неё не разобраться, если раньше не работал с ним. 3 годов назад от Марат Нуриев Импульсные токи потребления микросхем? как это? Если речь про шим контроллеры и задающие генераторы на слаботочной стороне допустим блока питания то просто прислонив к выходу (или выходам) и массе а вот в высоковольтную сторону с шим контроллерами просто щупами лесть совершенно не стоит не погасив напряжение и токи. Гашение можно произвести за счет резистивного делителя с расчетом. 3 годов назад от Ксения ПологоваСвязанные вопросы
1 ответ
2 годов назад от gennadiy leonov1 ответ
7 годов назад от Leno4ka1 ответ
2 годов назад от Надеждаengangs.ru
Как измерить напряжение и ток в силовых преобразователях
Прежде чем дать развернутый ответ на вопрос, содержащийся в заголовке, давайте разберемся, зачем специалисту в области силовой преобразовательной техники уделять этой проблеме достаточно много внимания. Первая мысль, которая придет нам в голову при ответе на вопрос «зачем», — это мысль о необходимости визуального контроля параметров токов и напряжений, формируемых статическими преобразователями. Другими словами, человек, эксплуатирующий преобразовательную технику, не должен лишаться возможности оценить эти основные параметры в любой момент времени и принять после соответствующей ситуационной оценки решение, например, перевести прибор в другой режим работы или вообще отключить его. Самый простой вариант здесь — это установка на лицевую панель статического преобразователя измерительных приборов (стрелочных или цифровых) Вариант посложнее: оцифровка параметров напряжения и тока встроенным аналого-цифровым преобразователем и передача их в цифровом виде по стандартному протоколу на централизованное устройство контроля. Возможны и другие варианты, облегчающие контроль работоспособности приборов. В любом случае задачи эти тривиальны, а значит, любой инженер справится с ними без труда. Наш разговор не об этом.
Гораздо важнее вспомнить, что стабилизация и регулирование параметров статических преобразователей, внутренняя автоматизированная диагностика режимов его работы невозможна без элементов обратной связи, в составе которых обязательно присутствуют узлы, измеряющие напряжения и токи. Ранее мы уже говорили о том, что электрические схемы статических преобразователей содержат как сильноточные силовые цепи, так и сигнальные управляющие цепи, токи в которых могут отличаться на несколько порядков. Соответственно, необходимо обеспечить гальванические развязки между этими цепями, чтобы в максимальной степени исключить влияние силовых цепей на управляющие сигналы. Как обеспечить такие требования с помощью достаточно простых мер — об этом мы поговорим в текущей главе.
Практически невозможно представить современный силовой статический преобразователь электроэнергии, в котором не окажется ни одного датчика тока и напряжения. Более того, реализовать надежное и функциональное изделие силовой электроники без этих самых датчиков — задача практически невыполнимая. Датчики тока и напряжения просто необходимы: они отслеживают величину входного питающего напряжения, потребляемый ток, осуществляют формирование сигналов для узлов стабилизации выходных параметров, диагностируют различные аварийные режимы типа короткого замыкания, перегрузки, выхода параметров тока и напряжения за допустимые пределы.
Напомним, что классический способ измерения токов заключается во включении в измеряемую цепь резистора с небольшим активным сопротивлением, или, как его традиционно называют, — шунта. Такой способ годится для применения и в сигнальных цепях, и в силовых. Однако в том случае, если шунт является переходным элементом между силовой и сигнальной цепями, может возникнуть неприятная ситуация, связанная с затеканием силового тока в измерительные цепи, что приводит не только к возникновению дополнительной погрешности измерения, но может стать причиной аварийного выхода из строя преобразователя. На рис. 2.5.1 эта ситуация иллюстрируется наглядно.
Хорошо видно, что измерительное напряжение Um является итогом суммы силового тока /с и измерительного тока icc. Кроме того, в схеме обязательно присутствует паразитная индуктивность шунта Ьш, а также паразитная индуктивность подводящих проводов (на рисунке она не показана). Падение напряжения на этих паразитных элементах также
включается в измеренное напряжение Um9 формируя ошибку измерения. Названные недостатки прямого измерения токовых сигналов привели к тому, что этот способ при разработке мощной преобразовательной техники практически не используется.
Подавляющее число схем статических преобразователей ныне строится с применением бесконтактных датчиков тока (и напряжения), основанных на эффекте Холла. Эффект Холла был открыт в 1879 г., но из-за значительной температурной и электрической нестабильности его реальное использование стало возможным только сегодня, когда в состав измерительного тракта с датчиком Холла стали включать электронные схемы стабилизации.
На рис. 2.5.2 поясняется физический смысл действия эффекта Холла. Полупроводниковая пластина помещается в магнитное поле, создаваемое проводником с током. Магнитный поток В формирует силу Лоренца, действующую на подвижные заряды, находящиеся в пластине полупроводника, что ведет к изменению их числа на концах пластины. Taким образом, на концах пластины образуется разность потенциалов UH, величина которой пропорциональна величине протекающего тока. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла. Величина разности потенциалов может быть рассчитана из соотношения:
где К — константа Холла, зависящая от материала полупроводника; d — толщина пластины, ic — величина тока управления;
В — магнитная индукция.
Существует несколько типов датчиков тока, в основе которых заложено использование элемента Холла. Первый тип датчика называется датчиком прямого усиления. Принцип его действия показан на рис. 2.5.3.
Рис. 2.5.3. Датчик прямого усиления на основе элемента Холла
В основе датчика лежит кольцевой ферромагнитный магнитопровод, в зазоре которого установлен элемент Холла. Через окно магнитопровода проходит проводник с измеряемым током ip. Силовые линии магнитного поля с величиной индукции В замыкаются внутри магнитопровода. Ток управления датчиком /с генерируется встроенным токовым генератором с высокой стабильностью. Измеряемый сигнал UH усиливается электронной схемой и подается на выход датчика. С учетом всех констант, входящих в математическое выражение, описывающее физические процессы в датчике, величина выходного напряжения будет линейно зависеть от величины протекающего силового тока:
где z — константа датчика.
Датчики прямого усиления могут измерять как постоянные, так и переменные токи. Они сравнительно просты по схемам своего построения, выдерживают значительные токовые перегрузки и отличаются небольшим собственным потреблением тока. Немаловажным для серийного производства статических преобразователей также является их низкая стоимость. Разработчику следует запомнить, что датчики прямого усиления формируют выходной сигнал в виде напряжения.
В ряде случаев, однако, от датчика тока требуется формирование выходного токового сигнала, пропорционального измеряемому току. Для решения этих задач разработан другой тип датчика, называемый компенсационным. На рис. 2.5.4 показан принцип действия компенсационного датчика Холла.
Рис. 2.5.4. Датчик компенсационного типа на основе элемента Холла
Отличие его от датчика прямого усиления заключается в наличии дополнительной компенсационной обмотки, размещенной на кольцевом магнитопроводе. Сформированный датчиком Холла сигнал преобразуется в ток компенсации /5, который подается в обмотку компенсации. Магнитное поле, образуемое током компенсации, стремится свести к нулевому магнитный поток в магнитопроводе. По величине тока компенсации можно судить о величине измерительного тока в соответствии со следующей зависимостью:
где Np — число витков проводника с силовым током, проходящих через окно магнитопровода датчика;
Ns — число витков компенсационной обмотки.
Понятно, что число витков обоих обмоток — это конструктивный параметр, который задается при разработке датчика, и не может быть каким-то образом изменен при его использовании в качестве элемента силовой схемы преобразователя. То есть, их отношение — есть константа, а значит, выходной ток компенсационного датчика будет прямо пропорционален измеряемому току, то есть изменяться по линейному закону.
В чем преимущество датчиков компенсационного типа перед датчиками прямого усиления? Так как компенсационные датчики работают в режиме нулевой индукции магнитопровода, это позволяет исключить влияние нелинейности ферромагнетика и значительно повысить точность преобразования. К другим достоинствам компенсационных датчиков относятся: малый температурный дрейф, малое время отклика, широкий диапазон частот, возможность работы в режиме выдачи выходного сигнала тока и сигнала напряжения. К недостаткам компенсационных датчиков относят увеличенные габариты (по сравнению с датчиками прямого преобразования) и более высокую стоимость.
В подавляющем большинстве случаев технические параметры названных двух типов датчиков должны устроить разработчиков стандартной преобразовательной техники. Ну а если разработчика все же не удовлетворяют быстродействие, температурная стабильность датчика компенсационного типа? Тогда придется обратить внимание на модифицированные компенсационные датчики С-типа, позволяющие с высокой точностью измерить, кроме всего прочего, и дифференциальные силовые токи. Устройство компенсационных датчиков С-типа показано на рис. 2.5.5.
Измерительный узел датчика С-типа составляют два идентичных кольцевых магнитопровода с равным количеством витков компенса-
ционных обмоток, включенных последовательно. Генератор прямоугольных импульсов формирует двуполярный меандр, который подается на обмотку компенсации и складывается с компенсирующим током. Средняя точка компенсационных обмоток подключена к фильтру нижних частот, который сглаживает ток компенсации. Триггер меняет полярность выходного сигнала генератора при возникновении насыщения в магнитопроводах. Таким образом, гистерезисная кривая магнитопроводов становится симметричной с высокой степенью точности, а ток в одной из обмоток компенсации — строго пропорциональным измеряемому току в соответствии с выражением
(2.5.3) . Далее токовый выходной сигнал преобразуется с помощью конвертора «ток—напряжение» в выходной сигнал датчика.
Преимущество компенсационных датчиков С-типа по сравнению со стандартными компенсационными датчиками очевидно: если последние обеспечивают работу в частотном диапазоне до 150 кГц при типовой нелинейности 0,5…1,0 %, то датчики С-типа позволяют работать в диапазоне до 500 кГц при типовой нелинейности до 0,1 %.
И, наконец, при необходимости обеспечения очень жесткой температурной стабильности, помехозащищенности и линейности, можно применить компенсационные датчики IT-типа (рис. 2.5.6).
Как и в предыдущем случае, компенсация магнитного потока в магнитопроводах осуществляется с помощью обмоток компенсации. Однако в данном случае в схеме предусмотрен специальный узел детектора
нулевого потока, имеющий два магнитопровода. Эти магнитопроводы конструктивно установлены так, чтобы обеспечивать нулевой поток в главном (измерительном) магнитопроводе. Если в основном магнитопроводе поток отличен от нулевого, компенсационные магнитопроводы входят в насыщенное состояние несимметрично, что приводит к появлению двух асимметричных токов с разным гармоническим составом, причем один из магнитопроводов всегда будет находиться в менее насыщенном состоянии, чем второй. При суммировании двух токовых сигналов результирующий сигнал окажется насыщенным только гармониками измерительного тока. Компенсационныедатчики ГГ-типа позволяют обеспечить температурную стабильность порядка 0,00003 % на градус Цельсия и линейность около 0,001 %. Для сравнения, у компенсационныхдатчиков С-типа этот параметр составляет 0,01 % на градус Цельсия.
Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.
nauchebe.net
§ 10. Импульс тока и его измерение. : УЧЕНИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ : Юридическая библиотека
В физических экспериментах очень часто приходится встречаться с токами, не изменяющимися в течение более или менее длительного времени. Тогда стрелка измерителя тока устанавливается на определенном делении шкалы и мы наблюдаем ее постоянное, или стационарное, отклонение. Однако при многих измерениях приходится иметь дело с токами, длящимися весьма короткое время, например имеющими такой временной ход, какой изображен на рис. 38, а: за некоторое малое время t ток спадает от своего начального значения до нуля. Заштрихованная на рисунке площадь имеет значение «интеграла тока по времени» (jldt). Эта величина
получила краткое и очень удачное название «импульса тока» '). Этот термин построен по аналогии с «импульсом силы» (J^t dt) в механике. Простейший пример вычисления импульса тока показан на рис. 38, б: в течение времени t протекает постоянный ток /. Величина импульса тока в этом случае равна произведению тока на время, т. е. равна I -t, а единицей ее является ампер- секунда. Подобным же образом путем суммирования (рис. 38, в)
Время, сен
ej
Рис
38. Гри примера «ии геграла гокя по времени» или «импульса тока», измеряемого
в ампер-секундах.
можно выразить импульс тока в ампер-секундах и в случае произвольного временного хода тока. Это, однако, слишком сложно, и так поступают только на бумаге.
В действительности импульс тока представляет собой величину, которая очень легко поддается непосредственному измерению. Для измерения, импульса тока достаточно одного отсчета положения стрелки измерителя тока. Но в этом случае измеритель тока должен удовлетворять только следующим двум требованиям:
1. При постоянном токе стационарное отклонение стрелки должно быть пропорционально току. Это требование особенно хорошо выполняется в гальванометрах с вращающейся катушкой (§ 3).
2. Период колебаний стрелки должен быть велик по сравнению со временем протекания тока.
При соблюдении этих условий измеритель тока реагирует на импульс тока так называемым баллистическим отклонением: стрелка отклоняется, затем идет в обратную сторону^и возвращается к исходному положению.
Баллистическое отклонение таких гальванометров пропорционально импульсу тока. Причины этого можно найти в § 42
*) В подлиннике для этих величин приняты термины «Stromstosz» и «KrafIstosz», которые дословно следовало бы перевести как «толчок» или «удар» тока и силы. Мы изменили эту терминологию в соответствии с общепринятой, по крайней мере в механике, русской терминологией.— Прим. перев.
«Механики». Мы можем, следовательно, определить постоянное (для данного прибора) отношение
импульс тока
баллистическое отклонение
= В7;
его называют баллистической ценой деления гальванометра.
Для демонстрации воспользуемся импульсами тока прямоугольной формы (рис. 38, б), т. е. будем посылать известный ток через медленно колеблющийся гальванометр в течение различных,
но точно измеряемых коротких промежутков времени t. Для этого служит специальный выключатель, вмонтированный в часовой механизм секундомера (рис. 39) Ток замкнут только в течение того времени, пока секундомер идет.
Рис. 39. Секундомер, замыкающий гок только на время, пока его стрелка движется Это время может быть отсчитано по циферблату с точностью до '/=,„ сек. Он дает возможность легко получать импульсы тока определенной величины. Немногим менее удобный прибор для включения тока на определенное время можно изготовить самостоятельно с помощью граммофонного часового механизма.
Рис. 40. Калибровка баллистических отклонений гальванометра с большим собственным периодом колебаний в ампер- секундах.
Ток определенной величины / можно получить с помощью схемы, показанной на рис. 40. С помощью делителя напряжения (стр. 31) мы получаем, например, напряжение в 1/100 в. Это напряжение обусловливает ток через гальванометр и сопротивление в 106 ом. По закону Ома ток через гальванометр имеет значение 10 ~2 в/106о.м —10~8 а. С помощью этой установки мы наблюдаем отклонения указателя для различных значений произведения I-t. Мы повторяем затем эти же измерения с двумя большими токами. Во всех случаях мы можем изменять время прохождения тока от нескольких десятых секунды до 2 сек.
После этого для всех произведенных измерений мы вычисляем величину Bj, т. е. отношение импульса тока/•/к баллистическому отклонению а, и убеждаемся в том, что это отношение во всех
опытах имеет одно и то же численное значение, например,
В[= 6-Ю"9 а-се/с/деление шкалы. Этим мы доказали пропорциональность между баллистическим отклонением и импульсом тока для импульсов прямоугольной формы (рис. 38, в) и вместе с тем мы баллистически прокалибровали наш гальванометр. Этот результат можно непосредственно обобщить и на импульсы тока произвольной формы, так как,
согласно рис. 38, в, каждый такой импульс можно составить из прямоугольных импульсов.
Гальванометр, который мы таким образом баллистически проградуировали, мы можем теперь применить для измерения неизвестных импульсов тока. Для этой цели создадим, как показано на рис. 41, импровизированную электрическую машину трения. Вместо обычного сургуча и кошачьего меха мы воспользуемся рукой одного экспериментатора и волосами на голове другого. Однократное поглаживание рукой по голове дает баллистическое отклонение примерно в 16 делений шкалы нашего прибора, т. е. импульс тока при этом равен круглым счетом 10~7 а-сек.
bookzie.com
Карта сайта
г.Краснодар, ул.Симферопольская дом 5, офис 9
8 (989) 212 27 02 
8 (861) 260 24 40
