Измеритель тока сети

В предлагаемом измерителе тока отсутствуют проблемы гальванической развязки измерительной части от сети, т. к. датчиком служит трансформатор тока, в качестве которого может быть использован практически любой сетевой трансформатор мощностью от единиц до 10 – 15 Вт. Первичная обмотка – пропущенный через отверстие трансформатора хорошо изолированный один из сетевых проводов или несколько витков изолированного провода, включенного в разрыв измерительной цепи, вторичная – любая его вторичная обмотка. Прибор имеет линейную шкалу, обладает высокой чувствительностью и достаточно широким динамическим диапазоном.

Предел измерения тока – 500 мА, но его несложно изменить для измерений от сотен миллиампер до десятков ампер.

Особенность схемы измерителя – использование широко распространенного операционного усилителя LM358, способного работать при синфазном входном напряжении равном  отрицательному напряжению питания и даже чуть ниже его. Выходное напряжение при малых токах нагрузки также практически равно отрицательному напряжению питания. ОУ питается от однополярного источника напряжением 5 В. Неинвертирующий вход относительно общего провода имеет нулевое смещение, поэтому ОУ усиливает только положительные полуволны входного сигнала, нагрузкой которого является резистор R1. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений R4 к R3 (K=1+R4/R3), при указанных значениях около 5. Сумма сопротивлений R5 и R6 определяет ток через микроамперметр PA1, а значит и градуировку его шкалы. Диод VD1 служит для защиты микроамперметра от значительных перегрузок.

Резистор нагрузки R1 подбирается таким, чтобы при максимальном измеряемом токе на активной нагрузке, падение напряжения на нем было примерно таким, как на осциллограмме:

В зависимости от значения измеряемого тока и коэффициента трансформации TV1, его сопротивление может быть от десятых долей до сотен Ом. Коэффициент трансформации определяется отношением количества витков первичной обмотки к количеству витков используемой вторичной обмотки. Зная их можно ориентировочно определить значение сопротивления R1:

R1=N1/N2*Imax*Umax,

где N1 и N2 – количество витков соответственно первичной и вторичной обмотки трансформатора, Imax–среднее значение максимального измеряемого тока, Umax – среднее значение напряжения на R1 при данном значении тока – для данной схемы принято 0,15 В.

Входной сигнал указанного уровня является оптимальным для данной схемы. На входное напряжение накладывается (прибавляется или вычитается) напряжение смещения ОУ, что может вносить заметную погрешность при измеряемых значениях, соответствующих началу шкалы PA1. Для данного ОУ типовое напряжение смещения составляет несколько мВ. Учтен также импульсный характер потребляемого от сети тока большинством современной аппаратуры. Поэтому максимально возможная амплитуда выходного сигнала ОУ выбрана с 3 – 4-хкратным запасом. По этой же причине, действительное значение тока, используемое для определения потребляемой мощности, может заметно отличаться от измеренного (занижение показаний на 15 – 25%).

Допустимое паспортное значение входного сигнала LM358 должно быть не более, чем на 0,3 В ниже отрицательного напряжения питания. Реально, при разнице от 0,5 В и выше ОУ перестает нормально функционировать – появляется искаженный сигнал на выходе. Диод Шоттки VD1 служит для ограничения отрицательных полуволн входного сигнала на допустимом уровне.

Микросхема LM358 содержит 2 ОУ, в схеме используется один из них. Конденсатор C1 – керамический, емкость не критична, диод VD1 можно заменить на 1N5818 или подобный, VD2 – кремниевый импульсный. Печатная плата рассчитана на установку чип резисторов типоразмера 1206, но возможно применение и обычных. В качестве измерительного прибора можно использовать микроамперметр с подходящей шкалой и током полного отклонения стрелки до 1 мА.

К источнику питания измерителя особых требований не предъявляется. Потребляемый устройством ток – единицы мА. Увеличение напряжения питания не влияет на показания. Его повышение, вплоть до 30 В, расширяет динамический диапазон измерителя, например, если для индикации используется цифровой прибор. В этом случае следует измерять напряжение на выходе ОУ, подключив цифровой вольтметр к выходу ОУ через подстраиваемый делитель напряжения с дополнительным сглаживающим конденсатором. Выходное напряжение ОУ следует повышать не увеличением входного, а повышением коэффициента усиления (увеличением сопротивления R4).

Если предполагается иметь несколько переключаемых пределов измерения, в качестве измерительного трансформатора TV1 лучше использовать тороидальный. Коммутацию пределов следует производить как показано на схеме:

При хорошей изоляции частей измерителя и отсутствии требований гальванической развязки от сети, его можно запитать по указанной схеме:

Конденсаторы C1, C2 на рабочее напряжение не ниже 300 В. Если нагрев элементов из-за лишнего рассеивания мощности не критичен, их можно заменить 1-ваттными резисторами по 22 кОм, исключив резисторы R1 и R2.

Осторожно! Детали измерителя при таком питании находятся под напряжением сети!

Регулировку прибора необходимо производить, измеряя ток, значением на 10 – 20% ниже предельного, потребляемый активной нагрузкой (лампочка накаливания, сетевой паяльник и т. п.). Последовательно в цепь нужно включить образцовый амперметр переменного тока или измерительный резистор, например 1 Ом. В последнем случае, ток через цепь определяют, замеряя падение напряжения на этом резисторе: I=U/R. Подстроечным резистором R6 нужно установить необходимое показание PA1.

Ниже приведены рисунки платы измерителя с расположением элементов и только печати:

Для изготовления платы по "лазерно-утюжной" технологии, нижний рисунок надо распечать в зеркальном отображении, установив необходимый масштаб в соответствующей программе (MS Photo Editor, 32%). Размеры печатной платы 54*23.

Монтаж элементов измерителя производится со стороны печати. Два отверстия просверлены только под выводы микроамперметра, к ним плата привинчивается гайками.

И в заключение еще о некоторых особенностях прибора.

Чтобы трансформатор тока был действительно трансформатором тока, необходимо обеспечить условие короткого замыкания вторичной обмотки, т. е., сопротивление нагрузочного резистора R1 должно быть относительно небольшим, или, то же самое, падение напряжения на нем должно быть минимальным.

Количество витков первичной обмотки трансформатора следует выбирать в зависимости от величины измеряемого тока – чем меньше ток, тем больше количество витков. При измерении токов от единиц миллиампер удобно использовать в качестве первичной обмотки вторичную обмотку примененного трансформатора, а его сетевую обмотку использовать в качестве вторичной. Речь идет о сетевых трансформаторах мощностью в несколько ватт. Допустимо использование неисправных трансформаторов с обрывом (но не с короткозамкнутыми витками) одной из обмоток.

Напряжение питания 5 В выбрано для измерителя лишь по причине доступности такого источника при встраивании прибора, например, в оборудование рабочего стола. Лучше использовать источник от 9 до 30 В. Даже при активной нагрузке в измерительной цепи импульсное напряжение на выходе измерителя примерно в 3 раза выше среднего. Поэтому, если вместо PA1 используется цифровой вольтметр с пределом измерения напряжения постоянного тока 2 В и учитывая импульсный характер потребляемого современной аппаратурой тока, напряжение питания измерителя должно быть не меньше 24 В.

Архив материалов статьи (статья одним файлом, схемы в формате sPlan 5.0, чертежи платы в формате Layout30)

Р. Хафизов

ноябрь 2010 г.