9. Čidla napětí a proudu Čas ke studiu: 15 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu Výklad Pro měření a snímání fyzikálních veličin se používají zařízení označovaná jako čidla, snímače, převodníky atd. Pod tímto pojmem se rozumí zařízení převádějící snímanou veličinu na elektrický signál. Součástí čidel jsou i elektronické obvody pro zpracování signálu. Čidlo tedy informaci snímá, zpracovává a vyhodnocuje pro další použití. Kromě toho musí čidlo zajistit i galvanické oddělení snímaného signálu. Pro galvanické oddělení se používají optoizolátory, nebo transformátory. 9. 1. Čidla s optoizolátory Použití optoelektrických vazebních členů můžeme rozdělit do dvou skupin. V prvním případě je to použití pro přenos analogových signálů a ve druhém pro přenos impulzních signálů. Přenos impulzních signálů je bez větších problémů, protože přenášená informace je zakódována ve frekvenci, nebo šířce impulzu, ale přenos analogových signálů naráží na značné problémy. Prvním problémem je nelinearita přenosové funkce elektrického vazebního členu, kterou je možno aproximovat vztahem D n F = F 0( ) D0 kde F je proud fotodiody, D proud luminiscenční diody, F0 a D0 jsou příslušné klidové proudy a n je činitel nelinearity optočlenu. Druhým problémem je značná teplotní závislost elektrických parametrů optočlenu. Z výše uvedených poznatků plyne, že čidlo s jedním vazebním členem nezajistí nejvyšší parametry při přenosu analogových signálů. Je možné jej použít tam, kde půjde o přenos poměrně malých střídavých signálů. Čidlo s přenosem analogového signálu Příklad zapojení takového čidla je na obr. 40. V tomto zapojení slouží optočlen UF2 pro přenos měřeného signálu a optočlen UF1 pro nastavení a teplotní stabilizaci pracovního bodu. Při nulovém vstupním signálu jsou obě diody optočlenů protékány stejným proudem, takže i úbytky napětí na emitorových odporech fototranzistorů jsou stejné. Tato napětí jsou vyhodnocena rozdílovým zesilovačem a na výstupu bude tedy napětí nulové. Při nenulovém vstupním signálu dojde ke změně proudu optočlenu UF2 a tím i ke změně napětí na odporu R9 a na výstupu čidla se objeví napětí úměrné vstupnímu. Při změně okolní teploty se změní parametry obou čidel stejně, takže výstupní napětí zůstane beze změny. 40
Obr. 40 Čidlo proudu s optočleny Čidlo s přenosem impulzního signálu Na obr. 41 je blokové schéma čidla s frekvenční modulací, kde je jako vazebního členu opět použito optočlenu. Použití optočlenu pro přenos impulzního signálu je vhodnější, protože nositelem informace není amplituda ale frekvence nebo délka pulzu. Napětí U 1 vstupuje do zesilovače a pak do sumátoru, kde se sčítá s referenčním napětím, kterým se nastavuje klidová pracovní frekvence převodníku U-f. Signál z převodníku je výkonově zesílen pro buzení optočlenu. Galvanicky oddělený signál je upraven tvarovacím obvodem a převodníkem f-u je získán zpět analogový signál. Od tohoto signálu je třeba odečíst referenční napětí, abychom oddělili ss napětí klidového pracovního bodu. Oba převodníky U-f, f-u musí mít shodné převodní charakteristiky. Proto jsou oba zapojeny s obvodem fázového závěsu. Z prvního obvodu je využit pouze napětím řízený oscilátor (U-f) a druhý obvod pracuje jako frekvenční demodulátor. Obr. 41 Čidlo s frekvenční modulací 41
9. 2. Čidla s magnetickou vazbou Protože ve výkonové elektronice potřebujeme snímat proudy a napětí neharmonických střídavých i stejnosměrných průběhů, odpadá možnost použití měřicího transformátoru, který je pro tyto účely nevhodný. V současné době se velmi často používají čidla s Hallovým generátorem. Podstatou Hallova generátoru je polovodičová destička, na které po vložení do magnetického pole B vzniká průchodem proudu i k elektrické pole kolmé na směr proudu i na směr magnetické indukce - obr. 42. Obr. 42 Hallův generátor Napětí na svorkách Hallova generátoru je dáno rovnicí B i U H = RH h kde R H je Hallova konstanta závislá na materiálu destičky a také na teplotě. Výhodou tohoto čidla je malá spotřeba a rychlá odezva. Nevýhodou je závislost na teplotě. V současnosti se Hallovy generátory využívají v čidlech pracujících na kompenzačním principu. Jedním z nejznámějších výrobců těchto typů čidel je švýcarská firma LEM. Měřený proud p vytváří v magnetickém obvodu primární magnetický tok. Na Halově generátoru, který je umístěn ve vzduchové mezeře, vzniká napětí úměrné toku a předává je do zesilovače. Zesilovač pracující jako zdroj proudu napájí kompenzační vinutí magnetického obvodu s N závity. Proud tohoto kompenzačního vinutí vytváří sekundární magnetický tok orientovaný proti toku primárnímu dokud jej nevykompenzuje. V tomto okamžiku jsou primární a sekundární toky shodné, takže pro proudy, které je vytváří musí platit P m = N Tento proud je tedy zmenšenou kopií proudu primárního a můžeme jej měřit buď přímo (měřicím přístrojem) nebo jako úbytek napětí na měřicím odporu Rm. U Rm Rm = N Signál z Halova generátoru není úplně lineární a jeho amplituda je závislá na teplotě. Protože však v tomto případě používáme Halův generátor jen jako čidlo nulového magnetického toku, nemají uvedené nevýhody vliv na zkreslení výstupního signálu. k P 42
Na stejném principu pracují i napěťová čidla LEM, která na rozdíl od čidel proudových mají větší počet primárních závitů. Obr. 43 Princip čidla s magnetickou kompenzací Typické parametry proudových čidel LEM pro proudy 5 až 1000 A Napájecí napětí Měřicí rozsah Přesnost Kmitočtový rozsah zolační napětí ± 15 V 0 až 1,5 - násobek jmenovité hodnoty 0,5 % z jmenovité hodnoty 0 až 150 khz (-1dB) 3 kv Tyto parametry předurčují čidla LEM k měření a regulaci proudu v obvodech výkonové elektroniky. Pro konkrétní aplikaci je možné nalézt v katalozích celou řadu různých typů čidel. Na následujících obrázcích jsou uvedena zapojení nejčastěji používaných čidel v našich laboratořích. Na obr. 44 je zapojení čidla proudu a na obr. 45 zapojení čidla napětí. Obr. 44 Typické zapojení čidla proudu 43
Obr. 45 Typické zapojení čidla napětí Zadání 1) Změřte a graficky vyneste převodní charakteristiky předložených čidel a zhodnoťte linearitu 2) Změřte kmitočtové charakteristiky čidel a určete použitelný kmitočtový rozsah 3) Navrhněte vhodné typy a zapojení čidel proudu a napětí LEM pro měření proudu a napětí v meziobvodu napěťového střídače. Střídač je napájen ze sítě 3 x 400 V, vstupní usměrňovač je šestipulzní řízený můstek, a maximální proud v meziobvodu je 85 A. Převod proudového čidla má být 10A/1V a napěťového 100V/1V. 44