Эта схема расширяет возможности устройства, описанного ранее [1]. В оригинальной версии использовался трансформатор тока, вторичная обмотка которого служила частью колебательного контура генератора. В нормальных условиях постоянный ток, протекающий через одновитковую первичную обмотку трансформатора, шунтировал контур генератора, подавляя колебания. Хотя схема проектировалась как детектор прерывания питания, при добавлении нескольких компонентов принцип ее работы становится пригодным для применения в измерительных приложениях. Эта переработанная схема вырабатывает точное выходное напряжение, пропорциональное постоянному току, протекающему через первичную обмотку токоизмерительного трансформатора T1 (Рисунок 1). Кроме того, схема может использоваться в качестве датчика переменного тока.
 |
|
| Рисунок 1. | Для измерения в изолированной схеме в датчике тока используются генератор переменной частоты (Q1) и микросхема ФАПЧ (IC1). |
В конструкции сохранена оригинальная концепция генератора с колебательным контуром, а для реализации новых функций добавлена схема ФАПЧ и одна дополнительная вторичная обмотка трансформатора, образующая резонансный контур LC-генератора. Микросхема 74HC4046 (IC1), содержащая схему ФАПЧ, измеряет частоту LC-генератора, собранного на транзисторе Q1 и связанных с ним компонентах, и сравнивает ее с фиксированной частотой внутреннего ГУН (генератора, управляемого напряжением). Выход фазового компаратора ФАПЧ управляет источником тока, состоящим из транзисторов Q2 и Q3, который, в свою очередь, подает ток в дополнительную обмотку токоизмерительного трансформатора.
В качестве тороидальных сердечников трансформатора можно использовать B64290L 632×87 20×10×7 мм из материала N87 компании Epcos, Fonox Type T20 из материала H60 компании Pramet, VAC T60006L2020-W409-52 компании Vacuumschmelze и изделия других производителей. В зависимости от марки используемого ферритового материала будут несколько различаться характеристики схемы, но она будет работать практически с любым тороидальным сердечником. (Эту схему трудно смоделировать с помощью PSpice или других симуляторов; для получения точных результатов нужна сложная модель, точно отображающая нелинейное поведение сердечника при различных уровнях тока).
Дополнительная обмотка индуцирует магнитный поток в сердечнике, уменьшая его проницаемость и индуктивность и повышая частоту LC-генератора. Когда частота генератора совпадает с опорной частотой ГУН, схема достигает равновесного состояния. Увеличение или уменьшение тока через компенсационную обмотку уравновешивает любой дополнительный магнитный поток, создаваемый постоянным током, протекающим через измерительную обмотку.
В пределах полосы удержания частоты ФАПЧ ток, протекающий через компенсационную обмотку, имеет ту же форму, что и флуктуации измеряемого тока. Соотношение витков 1:250, которое также представляет соотношение токов в трансформаторе Т1, определяет ток вторичной обмотки 10 мА при токе первичной обмотки 2.5 А. Если коэффициент усиления схемы ФАПЧ достаточен, а ферритовый сердечник в рабочей области не входит в насыщение, обратная связь схемы поддерживает магнитный поток сердечника на постоянном уровне и, таким образом, сводит к минимуму влияние нелинейностей материала сердечника.
Измерения напряжений на резисторе R5 показывают, что выходное напряжение схемы прямо пропорционально компенсационному току, а сопротивление резистора R5 масштабирует выходное напряжение. Если сопротивление R5 равно 100 Ом, выходное напряжение 1 В соответствует току первичной обмотки 2.5 А. Сначала нужно при нулевом токе одновитковой первичной обмотки откалибровать диапазон измерений, установив требуемую рабочую точку с помощью потенциометра R11. Падение напряжения 2 В на резисторе R5 обеспечивает диапазон измерений от +5 до –5 А. Чтобы обеспечить другие диапазоны измерений, можно изменить соотношение витков трансформатора T1 или изменить компенсационный ток, используя резисторы R5 и R11 с другими сопротивлениями. Для питания схемы следует использовать хорошо стабилизированный источник. Микросхему 74HC4046 можно заменить программной эмуляцией ФАПЧ, используя свободные вычислительные ресурсы микроконтроллера.
