RU2724166C1 - Current sensor - Google Patents
Current sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724166C1 RU2724166C1 RU2019123636A RU2019123636A RU2724166C1 RU 2724166 C1 RU2724166 C1 RU 2724166C1 RU 2019123636 A RU2019123636 A RU 2019123636A RU 2019123636 A RU2019123636 A RU 2019123636A RU 2724166 C1 RU2724166 C1 RU 2724166C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inverting input
- output
- transformers
- current
- secondary windings
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/14—Indicating direction of current; Indicating polarity of voltage
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области силовой электроники и измерительной техники, а именно к области датчиков тока, и может быть использовано при построении систем измерения постоянного, переменного и импульсного токов, в частности, в качестве датчиков тока в устройствах контроля и защиты электроэнергетических объектов как в наземных условиях, так и на борту летательных аппаратов.The invention relates to the field of power electronics and measuring equipment, in particular to the field of current sensors, and can be used in the construction of systems for measuring direct, alternating and pulsed currents, in particular, as current sensors in devices for monitoring and protecting electric power objects as in ground conditions and aboard aircraft.
Известны датчики тока: см. Патент RU 2114439. Устройство для измерения тока; А.С. SU 1265628. Датчик постоянного и переменного тока; А.С. SU 1511696. Датчик постоянного и переменного тока; А.С. SU 1673998. Датчик постоянного и переменного тока. Общими недостатками указанных датчиков являются значительная величина пульсации выходного напряжения, что снижает точность показаний, а следовательно значительно сужает диапазон их возможного использования, и относительно невысокий диапазон рабочих частот.Current sensors are known: see Patent RU 2114439. Device for measuring current; A.S. SU 1265628. Sensor of direct and alternating current; A.S. SU 1511696. Sensor of direct and alternating current; A.S. SU 1673998. Sensor of direct and alternating current. Common disadvantages of these sensors are a significant amount of ripple of the output voltage, which reduces the accuracy of the readings, and therefore significantly narrows the range of their possible use, and the relatively low range of operating frequencies.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип датчик тока, содержащий первый и второй трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены согласно, а в качестве общей первичной обмотки используется шина с измеряемым током, компаратор, выполненный на операционном усилителе (ОУ), выход которого подключен к началу вторичной обмотки первого трансформатора, преобразователь тока в напряжение, выполненный на ОУ, инвертирующий вход которого подключен к концу вторичной обмотки второго трансформатора, неинвертирующий вход заземлен, а выход через резистор соединен с инвертирующим входом ОУ, резистор, один вывод которого подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, а другой вывод заземлен (см. United States Patent Number 5,008,612, Date of Patent Apr. 16, 1991. CURRENT SENSOR).The closest in technical essence to the present invention is a current sensor adopted as a prototype, containing the first and second transformers, the secondary windings of which are connected according to, and a bus with a measured current is used as a common primary winding, a comparator made on an operational amplifier (OA), output which is connected to the beginning of the secondary winding of the first transformer, a current-to-voltage converter made on the op amp, the inverting input of which is connected to the end of the secondary winding of the second transformer, the non-inverting input is grounded, and the output through a resistor is connected to the inverting input of the op-amp, a resistor, one output of which is connected to the common point of the secondary windings of the first and second transformers, and the other terminal is grounded (see United States Patent Number 5,008,612, Date of Patent Apr. 16, 1991. CURRENT SENSOR).
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в снижении пульсаций выходного напряжения, обеспечении автоматического запуска схемы при включении, а так же нормальное функционирование датчика в широком частотном и температурном диапазонах. Указанные задачи решаются за счет того, что датчик тока, содержащий первый и второй трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены согласно, а в качестве общей первичной обмотки используется шина с измеряемым током, компаратор, выполненный на операционном усилителе (ОУ), выход которого подключен к началу вторичной обмотки первого трансформатора, преобразователь тока в напряжение, выполненный на ОУ, инвертирующий вход которого подключен к концу вторичной обмотки второго трансформатора, неинвертирующий вход заземлен, а выход через резистор соединен с инвертирующим входом ОУ, резистор, один вывод которого подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, а другой вывод заземлен, дополнительно содержит первый и второй дифференциальные усилители (ДУ), выходы каждого из которых через резисторы соединены с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого заземлен, неинвертирующий вход первого ДУ подключен к общей точке двух резисторов, являющихся делителем напряжения, второй конец одного из резисторов заземлен, а второй конец другого резистора подключен к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, между выходом первого ДУ и его инвертирующим входом, а также между его инвертирующим входом и выходом компаратора включены резисторы, неинвертирукющий вход второго ДУ подключен через резистор к общей точке вторичных обмоток первого и второго трансформаторов, между инвертирующим входом второго ДУ и его выходом, а также между его инвертирующим входом и концом вторичной обмотки второго трансформатора включены резисторы, пусковой конденсатор, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго ДУ, а другой вывод заземлен.The tasks to which the claimed invention is directed are to reduce the ripple of the output voltage, ensure that the circuit automatically starts when it is turned on, as well as the normal functioning of the sensor in a wide frequency and temperature ranges. These problems are solved due to the fact that the current sensor contains the first and second transformers, the secondary windings of which are connected according to, and the bus with the measured current is used as a common primary winding, a comparator made on an operational amplifier (OA), the output of which is connected to the beginning the secondary winding of the first transformer, the current-to-voltage converter made on the op-amp, the inverting input of which is connected to the end of the second winding of the second transformer, the non-inverting input is grounded, and the output through the resistor is connected to the inverting input of the op-amp, a resistor, one output of which is connected to a common point of the secondary windings the first and second transformers, and the other terminal is grounded, additionally contains the first and second differential amplifiers (ДУ), the outputs of each of which are connected through resistors to the inverting input of the comparator, the non-inverting input of which is grounded, the non-inverting input of the first remote control is connected to the common point of two resistors, which are a voltage divider, the second end of one of the resistors is grounded, and the second end of the other resistor is connected to a common point of the secondary windings of the first and second transformers, resistors are included between the output of the first remote control and its inverting input, as well as between its inverting input and the output of the comparator, the non-inverting input of the second The remote control is connected through a resistor to the common point of the secondary windings of the first and second transformers, between the inverting input of the second remote control and its output, as well as between its inverting input and the end of the secondary winding of the second transformer, resistors are included, a starting capacitor, one output of which is connected to the non-inverting input of the second remote control and the other terminal is grounded.
При этом вторичные обмотки первого и второго трансформаторов выполнены с одинаковым числом витков N, а сердечники первого и второго трансформаторов выполнены из магнитомягкого материала.In this case, the secondary windings of the first and second transformers are made with the same number of turns N, and the cores of the first and second transformers are made of soft magnetic material.
Техническим результатом использования данного изобретения является снижение пульсаций выходного напряжения и организация автоматического запуска схемы при включении, что обеспечивается наличием цепи вывода сердечников из состояния насыщения при включении питания. Частотный диапазон предлагаемого изобретения существенно превышает рабочий диапазон датчиков, выпускаемых такими фирмами как LEM, Honeywell и Allegro, полоса пропускания которых находится в районе 200 кГц. Температурный диапазон работы предлагаемого изобретения также шире по сравнению с выпускаемыми датчиками, нижний предел которых часто ограничен величиной -40°С.The technical result of the use of this invention is to reduce the ripple of the output voltage and the organization of automatic start of the circuit when turned on, which is provided by the presence of the output circuit of the cores from the state of saturation at power up. The frequency range of the invention significantly exceeds the operating range of sensors manufactured by firms such as LEM, Honeywell and Allegro, whose bandwidth is in the region of 200 kHz. The temperature range of the present invention is also wider in comparison with manufactured sensors, the lower limit of which is often limited to -40 ° C.
Технический результат обеспечивается тем, что, в отличие от прототипа, режим автоколебаний, создаваемый компаратором совместно с первым дифференциальным усилителем, поддерживается не по разнице токов намагничивания путем их непрерывного контроля, а по разнице напряжений на обмотках, что позволяет снизить импульсы токов намагничивания, а следовательно, и пульсации выходного напряжения. Причина возникновения пульсаций выходного напряжения заключается в следующем. К моменту окончания полупериода работы трансформатора, когда рабочая точка, характеризующая магнитное состояние сердечника трансформатора, приближается по петле Гистерезиса к точке насыщения, сердечник готов к насыщению. Далее, если позволить рабочей точке переместиться в зону насыщения, где (dΦ/dt)=0, ток намагничивания возрастет до значительной величины. Резкое изменение возросшего тока (di/dt) приводит к возникновению броска ЭДС трансформатора е=-L(di/dt), а следовательно, и к пульсации выходного напряжения. Для снижения пульсации надо по существу предотвратить насыщение сердечника трансформатора. Контроль напряжения на обмотках трансформатора позволяет фактически предотвратить насыщение сердечника трансформатора и существенно снизить пульсации выходного напряжения.The technical result is ensured by the fact that, unlike the prototype, the self-oscillation mode created by the comparator in conjunction with the first differential amplifier is supported not by the difference in magnetization currents through their continuous monitoring, but by the difference in voltage across the windings, which reduces the momentum of the magnetization currents, and therefore , and ripple of the output voltage. The cause of the output voltage ripple is as follows. By the end of the half-life of the transformer, when the operating point characterizing the magnetic state of the transformer core approaches the saturation point along the Hysteresis loop, the core is ready for saturation. Further, if we allow the operating point to move to the saturation zone, where (dΦ / dt) = 0, the magnetization current will increase to a significant value. A sharp change in the increased current (di / dt) leads to a surge in the EMF of the transformer e = -L (di / dt), and therefore to ripple of the output voltage. To reduce ripple, it is essential to prevent saturation of the core of the transformer. Monitoring the voltage on the transformer windings can actually prevent saturation of the transformer core and significantly reduce the output voltage ripple.
Схема, построенная на компараторе и первом ДУ, является, по сути, мультивибратором, состояние выхода которого зависит от распределения напряжения между вторичными обмотками трансформаторов. Пульсации выходного напряжения возникают как следствие процесса перемагничивания сердечников, их амплитуда прямо пропорциональна ширине петли гистерезиса (коэрцитивной силе) сердечника. Поэтому магнитопроводы сердечников первого и второго трансформаторов выполнены из магнитомягкого материала. Пусковой конденсатор служит для запуска автоколебаний при подаче питания на схему вне зависимости от магнитного состояния сердечников только в начальный момент пуска. Частотный диапазон предлагаемого изобретения ограничивается по существу лишь частотным диапазоном входящих в его состав операционных усилителей, который характеризуется десятками и сотнями МГц. Схема не содержит частотно зависимых узлов и элементов, работа которых повлияла бы на точность показаний датчика при измерении переменного тока на повышенных частотах. Значительно шире и температурный диапазон работы заявляемого изобретения, характеристики материала сердечника и полупроводниковых компонентов позволяют использовать датчик тока в широком диапазоне температур (-60°С-+125°С).The circuit built on the comparator and the first remote control is, in fact, a multivibrator, the output state of which depends on the voltage distribution between the secondary windings of the transformers. Output voltage ripples occur as a result of the core remagnetization process, their amplitude is directly proportional to the width of the hysteresis loop (coercive force) of the core. Therefore, the magnetic cores of the cores of the first and second transformers are made of soft magnetic material. The starting capacitor serves to start self-oscillations when power is applied to the circuit, regardless of the magnetic state of the cores, only at the initial moment of start-up. The frequency range of the invention is essentially limited only to the frequency range of its operational amplifiers, which is characterized by tens and hundreds of MHz. The circuit does not contain frequency-dependent nodes and elements whose operation would affect the accuracy of the sensor readings when measuring alternating current at higher frequencies. The wider temperature range of the claimed invention, the characteristics of the core material and semiconductor components allow the use of a current sensor in a wide temperature range (-60 ° С- + 125 ° С).
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого датчика тока. Схема содержит источник измеряемого тока 1, протекающего по первичным обмоткам трансформаторов 2 и 3 (шина с измеряемым током), компаратор 4, преобразователь тока в напряжение 5 с резистором обратной связи 18 и заземленным неинвертирующим входом, дифференциальные усилители 6 и 7, резистор 8, один вывод которого соединен с общей точкой включенных последовательно согласно вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3, а другой вывод заземлен, пусковой конденсатор 19, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу ДУ 7, а другой вывод заземлен, выходы ДУ 6 и 7 через резисторы 9 и 10 соединены с инвертирующим входом компаратора 4, неинвертирующий вход которого заземлен, между инвертирующими входами и выходами ДУ 6 и 7 включены резисторы обратной связи 12 и 17, инвертирующий вход ДУ 6 через резистор 11 соединен с началом вторичной обмотки трансформатора 2, неинвертирующий вход ДУ 6 соединен через резистор 14 с землей, а через резистор 13 с концом второичной обмотки трансформатора 2. Неинвертирующий вход ДУ 7 через резистор 15 соединен с началом вторичной обмотки трансформатора 3, а его инвертирующий вход через резистор 16 соединен с концом той же обмотки.In FIG. 1 presents an electrical diagram of the inventive current sensor. The circuit contains a source of measured current 1 flowing through the primary windings of
Схема датчика тока работает следующим образом. Операционные усилители, на которых построены компаратор 4, преобразователь тока в напряжение 5 и ДУ 6 и 7 питаются от источника двуполярного напряжения. Компаратор 4 служит для создания на последовательно включенных вторичных обмотках трансформаторов 2 и 3 прямоугольных импульсов двуполярного напряжения. Под действием этого напряжения происходит процесс перемагничивания сердечников в соответствии с характеристиками материала, из которого они выполнены.The current sensor circuit operates as follows. The operational amplifiers on which the
Благодаря наличию резистора 8 напряжение между вторичными обмотками трансформаторов распределяется не одинаково. В начальный момент времени большее напряжение приложено к вторичной обмотке трансформатора 2. В связи с этим скорость его перемагничивания выше, чем у второго сердечника. В этот момент работает цепь положительной обратной связи, включающая в себя компаратор 4 и ДУ 6, поддерживая компаратор 4 в исходном состоянии. В результате сердечник трансформатора 2 достигает точки насыщения значительно раньше, при этом сердечник трансформатора 3 остается ненасыщенным. Как только сердечник трансформатора 2 приблизится к точке насыщения напряжение вторичной обмотки становится равным нулю. Все выходное напряжение компаратора 4 будет приложено к вторичной обмотке трансформатора 3. В этот момент в работу вступает цепь отрицательной обратной связи, включающая ДУ 7, в результате чего скачком изменяется полярность напряжения на выходе компаратора 4. Начинается процесс перемагничивания сердечников в противоположную сторону. Заметим, что положительная и отрицательная обратные связи, построенные на ДУ 6 и 7, характеризуются подключением их инвертирующих входов к разноименным концам вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3. Далее все процессы повторяются. Таким образом, сердечник трансформатора 3 никогда не успевает дойти до насыщения. В результате этого обеспечивается передача тока первичной шины, проходящей через окна сердечников трансформаторов 2 и 3, во вторичную обмотку трансформатора 3 с коэффициентом трансформации 1/N.Due to the presence of a
Преобразователь тока в напряжение 5 служит для преобразования тока вторичной обмотки трансформатора 3 в выходное напряжение.The current to
По мнению авторов предлагаемое изобретение может быть использовано как в наземной, так и в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.According to the authors, the present invention can be used both in ground and in aerospace engineering for its intended purpose, and the combination of its essential features is necessary and sufficient to achieve the claimed technical result.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123636A RU2724166C1 (en) | 2019-07-26 | 2019-07-26 | Current sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123636A RU2724166C1 (en) | 2019-07-26 | 2019-07-26 | Current sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2724166C1 true RU2724166C1 (en) | 2020-06-22 |
Family
ID=71135868
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019123636A RU2724166C1 (en) | 2019-07-26 | 2019-07-26 | Current sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2724166C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU886132A1 (en) * | 1980-03-04 | 1981-11-30 | Опытное производственно-техническое предприятие "Энерготехпром" | Device for protecting thyristorized converter |
EP0261707A1 (en) * | 1986-08-22 | 1988-03-30 | Holec Systemen En Componenten B.V. | Measuring circuit for continuous, accurate measurement of direct and alternating current |
JPH02168167A (en) * | 1988-08-24 | 1990-06-28 | Unisearch Syst Ltd | Current sensor |
US5345169A (en) * | 1991-02-15 | 1994-09-06 | Liaisons Electroniques-Mecaniques Lem S.A. | Current measuring device |
RU2321002C1 (en) * | 2006-07-17 | 2008-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Технос" | Current transducer |
-
2019
- 2019-07-26 RU RU2019123636A patent/RU2724166C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU886132A1 (en) * | 1980-03-04 | 1981-11-30 | Опытное производственно-техническое предприятие "Энерготехпром" | Device for protecting thyristorized converter |
EP0261707A1 (en) * | 1986-08-22 | 1988-03-30 | Holec Systemen En Componenten B.V. | Measuring circuit for continuous, accurate measurement of direct and alternating current |
JPH02168167A (en) * | 1988-08-24 | 1990-06-28 | Unisearch Syst Ltd | Current sensor |
US5008612A (en) * | 1988-08-24 | 1991-04-16 | Unisearch Systems Limited | Current sensor |
US5345169A (en) * | 1991-02-15 | 1994-09-06 | Liaisons Electroniques-Mecaniques Lem S.A. | Current measuring device |
RU2321002C1 (en) * | 2006-07-17 | 2008-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Технос" | Current transducer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3121609B1 (en) | Direct-current residual-current detecting device | |
Radun | An alternative low-cost current-sensing scheme for high-current power electronics circuits | |
RU2431851C1 (en) | Perfected current pickup | |
US4371832A (en) | DC Ground fault detector wherein fault is sensed by noting imbalance of magnetic flux in a magnetic core | |
CN108459193B (en) | Alternating current measuring device | |
RU2724166C1 (en) | Current sensor | |
EP3105602B1 (en) | Sensor and method for electric current measurement | |
EP0124967A1 (en) | D.C. current transformer circuits | |
US6218825B1 (en) | Current sensor with self-oscillating generator circuit | |
Wang et al. | Split core closed loop Hall effect current sensors and applications | |
CN113514689A (en) | Device and method for measuring electrically insulated, AC/DC sensitive differential current | |
JPH02287266A (en) | Dc current measuring apparatus | |
JP2015068725A (en) | Current detector and substation facility including the same | |
US3258687A (en) | Wide range linear fluxgate magnetometer | |
US11656251B2 (en) | Radiation hardened magnetic current sensor | |
RU2593380C1 (en) | Device for offset from magnetisation current rush during connection under voltage for transformer differential protection | |
US3333192A (en) | Second harmonic magnetic modulator measuring system | |
RU2575140C1 (en) | Differential current measurement device | |
JP2014202512A (en) | Current detection device | |
RU2645840C1 (en) | Device for measuring strength of constant magnetic field based on flux-gate transmitter | |
Yang et al. | Design and realization of a current sensor for impulse current waveform measurement | |
RU2071061C1 (en) | Electricity meter | |
Román Lumbreras et al. | Low Consumption Flux-Gate Transducer | |
RU168456U1 (en) | DC voltage stabilization device | |
SU726615A1 (en) | Ac sensor |