В статье рассматриваются ключевые особенности и технические характеристики датчиков тока и напряжения компании «ИДМ-ПЛЮС», построенные на интегральных микросхемах собственной разработки и производства.
Компания «ИДМ-ПЛЮС», г. Зеленоград, Москва
Датчики тока и напряжения на базе отечественных интегральных микросхем
Компания «ИДМ-ПЛЮС» специализируется на разработке и производстве микросхем, датчиков и устройств, построенных в том числе с применением отечественной элементной базы. Предприятие имеет собственный дизайн-центр проектирования специализированных интегральных микросхем, разработки которого активно внедряются в серийно выпускаемую продукцию. Так, например, разработанная в дизайн-центре микросхема датчика магнитного поля К5331НХ011 (полный аналог Honeywell SS495A) входит в состав датчиков тока серии ДТК и ДМПК, микросхема К5331НН015 – в состав датчиков тока серии ДТМ. В настоящее время разрабатывается микросхема трехосевого датчика магнитного поля К5331ЧП01 (аналог Infineon TLV493D-A1B6) для использования в интеллектуальных приборах учета электроэнергии, а также ряд микросхем с интегрированными чувствительными элементами для малогабаритных датчиков тока.
Одним из ключевых направлений деятельности «ИДМ-Плюс» является разработка и производство датчиков тока и напряжения, которым и будет посвящена данная статья.
Датчики тока и напряжения незаменимы в самых разных отраслях промышленности, где они обслуживают промышленные электроприводы, источники бесперебойного питания, станции управления погружными насосами, сварку, накопители энергии, системы контроля АКБ и многое другое.
Такое же большое значение управление и контроль электроэнергии имеют в транспортных системах. Датчики тока и напряжения обеспечивают контроль и защиту сигнала в силовых преобразователях и инверторах, которые регулируют мощность электродвигателя при движении, и во вспомогательных преобразователях (ПСН) для систем кондиционирования, отопления, освещения, электрических дверей, вентиляции и т. д.
Далее будут рассмотрены основные области применения заявленных типов датчиков, принципы их работы и технические характеристики.
Принцип работы датчика ДМПК (рис. 1) основан на преобразовании магнитного поля в выходное напряжение. Встроенный магнитопровод концентрирует магнитный поток, а микросхема датчика магнитного поля, расположенная в зазоре, преобразует магнитную индукцию в выходное напряжение, которое затем усиливается для получения требуемого размаха. Таким образом, выходное напряжение изменяется пропорционально силе протекающего тока в проводнике. Достоинства датчика такого типа: небольшие габаритные размеры, легкий вес, низкое энергопотребление и наличие гальванической развязки.
Рис. 1. Датчик ДМПК-100
При подаче напряжения питания Ucc и отсутствии тока в проводнике выходное напряжение ДМПК устанавливается равным Ucc/2. Если направление тока в проводнике совпадает с положительной полярностью датчика, выходное напряжение будет пропорционально увеличиваться с крутизной 22 мВ/А, 11 мВ/А, 7,3 мВ/А (в зависимости от типа датчика, при Ucc = 5 В). Поскольку датчик имеет потенциальный выход, ток потребления составляет не более 15 мА. При эксплуатации датчика в температурном диапазоне нужно учитывать его дополнительную, приведенную к верхнему значению диапазона погрешность ±2,5 %.
Датчики тока прямого усиления с концентратором (open loop) серии ДМПК позволяют измерять силу постоянного и переменного тока обоих направлений без разрыва цепи до 300 А. Датчики изготавливаются в металлических либо пластиковых корпусах, в которых предусмотрена возможность жесткого крепления на посадочное место винтами. Доступные типономиналы датчиков: ±100 А, ±200 А, ±300 А. Напряжение питания – 5,0 ± 0,5 В, выходной интерфейс – аналоговый ратиометрический. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±2 % в нормальных климатических условиях.
Датчики тока и напряжения серий ДТК и ДНК
Принцип работы таких датчиков похож на ДМПК, но имеет несколько ключевых особенностей. Во-первых, это наличие компенсационной обмотки, которая создает компенсирующий магнитный поток. Во-вторых, выходным сигналом датчика является ток, протекающий через нагрузочный резистор. Величина выходного тока в N раз меньше измеряемого тока в проводнике, коэффициент пропорциональности определяется числом витков в компенсирующей обмотке N. Таким образом, основные преимущества данного типа состоят в широком частотном диапазоне, низком температурном дрейфе характеристик, высокой точности. На аналогичном принципе построен датчик напряжения ДНК, который имеет встроенную первичную обмотку и подключается к измеряемой цепи через внешний ограничивающий резистор.
При подаче двухполярного напряжения питания ±15 В и отсутствии измеряемого тока в проводнике через нагрузочный резистор протекает начальный выходной ток в пределах ±0,25 мА. Потребление датчика в режиме покоя – не более 25 мА. С увеличением измеряемого тока положительной полярности пропорционально увеличивается и выходной ток (напряжение на нагрузочном резисторе). Номинал нагрузочного резистора выбирается потребителем с учетом входного размаха схемы обработки. Поскольку датчик имеет токовый выход, максимальный ток потребления зависит от исполнения ДТК. Также от исполнения зависит и основная, приведенная к верхнему значению диапазона погрешность датчика, которая не превышает ±1 %. При эксплуатации датчика в температурном диапазоне нужно учитывать величину температурного дрейфа начального выходного тока, которая составляет не более ±1 мА.
Основу линейки составляют датчики тока компенсационного типа (close loop) серии ДТК (рис. 2), позволяющие измерять силу постоянного и переменного (до 50 кГц) тока обоих направлений без разрыва цепи до 700 А. Датчики изготавливаются как в металлических, так и в пластиковых корпусах. Доступные типономиналы датчиков: ±50 А (аналог LEM LA 55-P/SP43), ±100 А, ±125 А (аналог LEM LA 125-P/SP15), ±150 А, ±400 А, ±700 А. Напряжение питания датчиков двухполярное ±15 В, выходной интерфейс – аналоговый токовый со значениями от ±25 до ±100 мА в зависимости от типа датчика. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±1 % в нормальных климатических условиях.
Рис. 2. Датчики серии ДТК: а – ДТК-50А; б – ДТК-125; в – ДТК-150М
При работе с датчиком напряжения необходимо рассчитать значение внешнего ограничивающего резистора как отношение максимального измеряемого напряжения к номинальному входному току 10 мА. По электрическим параметрам имеются отличия в основной, приведенной к верхнему значению диапазона погрешности датчика, которая не превышает ±1,5 %, начальном выходном токе ±0,37 мА и его температурном дрейфе, который составляет не более ±1,5 мА. Остальные аспекты применения ДНК такие же, как у ДТК.
Датчик напряжения ДНК (рис. 3), аналог LEM LV25-P/SP20, рассчитан на работу с входным резистором для достижения номинального входного тока 10 мА при максимальном измеряемом напряжении. ДНК позволяет измерять постоянное и переменное (до 25 кГц) напряжение обеих полярностей с максимальным значением 600 В. Выходной интерфейс – аналоговый токовый с максимальным значением 25 мА. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±1,5 % в нормальных климатических условиях.
Рис. 3. Внешний вид датчика ДНК
Принцип работы датчика серии ДТМ (рис. 4) основан на преобразовании магнитного поля в выходное напряжение, цифровой код либо ШИМ-сигнал (в зависимости от исполнения). Измеряемый ток в проводнике создает магнитный поток, а микросхема К5331НН015 и чувствительные элементы преобразуют магнитную индукцию в выходное напряжение (цифровой код), которое затем усиливается для получения требуемого размаха. Таким образом, выходное напряжение (цифровой код) изменяется пропорционально силе протекающего тока в проводнике. Достоинства датчика такого типа: небольшие габаритные размеры, легкий вес, низкое энергопотребление, гальваническая развязка, возможность установки на плату, наличие цифровых интерфейсов.
Рис. 4. Датчики серии ДТМ: а – ДТМ-10; б – ДТМ-200
При подаче напряжения питания Ucc и отсутствии тока в проводнике выходное напряжение ДТМ устанавливается равным Ucc/2 или 2048 емр (для цифрового выхода). Если направление тока в проводнике совпадает с положительной полярностью датчика, выходное напряжение будет пропорционально увеличиваться с крутизной 45 мВ/А или 35 емр/А (для ДТМ-50 при Ucc = 5 В). Поскольку датчик имеет потенциальный выход, ток потребления составляет не более 25 мА. При эксплуатации датчика нужно учитывать влияние внешних магнитных полей, напряженность которых не должна превышать 0,37 кА/м.
Датчики тока серии ДТМ, устанавливающиеся в разрыв цепи, позволяют измерять силу постоянного и переменного тока обоих направлений величиной до 200 А. Датчики имеют встроенную токовую шину с сопротивлением менее 3 мОм, изготавливаются в пластиковых корпусах, устанавливаются на плату с последующей распайкой выводов. Доступные типономиналы датчиков: ±5 А, ±10 А, ±35 А, ±50 А, ±70 А, ±200 А. Напряжение питания составляет 5,0 ± 0,5 В, выходной интерфейс – аналоговый ратиометрический. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±4 % в нормальных климатических условиях.
«ИДМ-ПЛЮС» как альтернатива зарубежным производителям датчиков тока и напряжения
За долгие годы работы с лучшими мировыми производителями датчиков тока и напряжения, такими как LEM, Honeywell, VAC, Mors Smit, предприятия – потребители датчиков привыкли к высочайшему уровню качества продукции, а также хорошему сервису и внятной ценовой политике. В 2020 году ООО «ИДМ-ПЛЮС» поставило перед собой амбициозную задачу разработать полные аналоги лучших мировых датчиков тока и напряжения, при этом обеспечив соответствующий технический уровень реализации продукции и сохранив конкурентную ценовую политику.
Сегодня предприятие завершает разработку аналогов датчиков тока LEM LTC 600-SF/SP3, LEM LTC 1000-SF/SP21, LEM HAX 500-S, 3E SC145R-1000, LEM HASS 400-S, LEM HAT 800-S и LEM HAT 1000-S.
Аналоги LEM LTC 600-SF/SP3, LEM LTC 1000-SF/SP21 (рис. 5а) – это датчики тока на номиналы 500 А и 1000 А, построенные по компенсирующей магнитный поток схеме, которая исключает температурный дрейф чувствительности элемента Холла, обеспечивает высокую точность и широкий частотный диапазон. Предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного тока без разрыва цепи.
Рис. 5. Внешний вид датчиков тока «ИДМ-ПЛЮС», аналогов продукции LEM: а – LTC 600-SF/SP3 и LTC 1000-SF/SP21; б – HAX 500-S
Аналог LEM HAX 500-S (рис. 5б) – это датчик тока на номинал 500 А, прямого усиления, с гальванической развязкой между силовой и измерительной цепями. Предназначен для измерения постоянного, переменного и импульсного тока без разрыва цепи.
Аналог 3E SC145R-1000 – это датчик тока на номинал 1000 А (рис. 6), построенный по компенсирующей магнитный поток схеме, которая исключает температурный дрейф чувствительности элемента Холла, обеспечивает высокую точность и широкий частотный диапазон. Датчик предназначен для измерения постоянного, переменного и импульсного тока без разрыва цепи.
Рис. 6. Внешний вид датчика тока – аналога 3E SC145R-1000
Аналог LEM HASS 400-S (рис. 7а) – датчик тока на номинал 400 А, прямого усиления, с гальванической развязкой между силовой и измерительной цепями. Предназначен для измерения постоянного, переменного и импульсного тока без разрыва цепи.
Рис. 7. Внешний вид новых датчиков тока – аналогов продукции LEM: а – HASS 400-S; б – HAT 800-S/HAT 100-S
Аналогами LEM HAT 800-S/HAT 1000-S (рис. 7б) являются датчики тока на номиналы 800 А и 1000 А, прямого усиления, с гальванической развязкой между силовой и измерительной цепями. Предназначены для измерения постоянного, переменного и импульсного тока без разрыва цепи.
Все датчики являются взаимозаменяемыми как по техническим характеристикам, так и по габаритным размерам.
Для более подробной информации о продукции вы можете отправить запрос на адрес электронной почты sales@idm-plus.ru или позвонить по телефону +7 (495) 018-12-31.
Заключение
Существующее разнообразие датчиков тока и напряжения позволяет устранить недостатки традиционных методов измерения токов и напряжений больших величин (отсутствие гальванической развязки, большие габаритные размеры, энергопотребление, необходимость дальнейшей обработки выходного сигнала), а также ускорить процесс разработки конечных приборов и устройств. Продукция ООО «ИДМ-ПЛЮС» подходит для большинства типовых применений. Компания постоянно расширяет номенклатуру датчиков, ее инженеры работают над улучшением характеристик и расширением сфер возможных применений датчиков, а также осуществляют техническую поддержку поставляемой продукции. При отсутствии в ассортименте компании датчиков с необходимыми техническими параметрами имеется возможность провести разработку и изготовление по техническому заданию.
Литература
1. Верхулевский К. Новинки компании Gaia Converter для модульных источников питания // Силовая электроника. 2020. № 3. URL: https://power-e.ru/power_supply/novinki-gaia-converter/ (дата обращения: 30.06.2022).
2. Кашканов А. Датчики и микроконтроллеры. Часть 3. Измеряем ток и напряжение // Habr : [сайт]. 2015. URL: https://habr.com/ru/post/260639/ (дата обращения: 30.06.2022).
Опубликовано_в журнале ИСУП № 3(99)_2022
Е.В. Стахин, исполнительный директор,
М.И. Власова, начальник отдела маркетинга и рекламы,
компания «ИДМ-ПЛЮС», г. Зеленоград, Москва,
тел.: +7 (495) 018-1231,
e-mail: sales@idm-plus.ru,
сайт: idm-plus.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")