Способы определения электрического тока

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Методы измерения тока

С помощью каких способов можно измерить ток в цепи

Ток является очень важным параметром в электронике или электротехнике. В электронных устройствах ток может иметь пропускную способность от нескольких наноампер до сотен ампер. Этот диапазон может быть намного шире в области электротехники, обычно до нескольких тысяч ампер, особенно в электрических сетях. Существуют разные методы измерения тока внутри цепи или проводника. В этой статье мы обсудим, как измерить ток с использованием различных методов измерения тока с их преимуществами, недостатками и приложениями.

Измерение тока с использованием датчика Холла

Эффект Холла был обнаружен американским физиком Эдвином Гербертом Холлом и может использоваться для определения тока. Он обычно используется для обнаружения магнитного поля и может быть полезен во многих приложениях, таких как спидометры, дверная сигнализация, бесколлекторные двигатели и т.п.

Датчик Холла выдает выходное напряжение в зависимости от магнитного поля. Соотношение выходного напряжения пропорционально магнитному полю. В процессе измерения ток определяется путем измерения магнитного поля. Выходное напряжение очень низкое и его необходимо увеличить до полезного значения с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления и очень низким уровнем шума. Помимо схемы усилителя датчик Холла требует дополнительных схем, так как это линейный преобразователь.

• Может использоваться на более высокой частоте
• Может использоваться как в устройствах переменного, так и постоянного тока
• Бесконтактный метод
• Может использоваться в суровых условиях
• Высокая надежность

• Датчик дрейфует и требует компенсации
• Дополнительная схема требует для надежного выходного сигнала
• Дороже, чем метод на основе шунта

Датчики с эффектом Холла используются в токоизмерительных клещах, а также во многих промышленных и автомобильных системах измерения тока. Многие типы линейных датчиков на эффекте Холла могут измерять ток от нескольких миллиампер до тысяч ампер.

Метод определения тока с помощью датчика потока

Насыщаемый индуктор является основным компонентом метода обнаружения с помощью датчика потока (Fluxgate). Из-за этого датчик Fluxgate называется датчиком тока насыщаемой индуктивности. Сердечник индуктора, который используется для датчика потока, работает в области насыщения. Уровень насыщения этого индуктора высокочувствителен, и любая внутренняя или внешняя плотность потока изменяет уровень насыщения индуктора. Проницаемость сердечника прямо пропорциональна уровню насыщения, поэтому индуктивность также изменяется. Это изменение значения индуктивности анализируется датчиком потока для измерения тока. Если ток высокий, индуктивность становится меньше, если ток низкий, индуктивность становится высокой.

Датчик Холла работает аналогично датчику потока, но между ними есть одно отличие. Разница в основном материале. Датчик потока использует насыщаемый индуктор, а датчик эффекта Холла использует воздушный сердечник.

На изображении выше показана базовая конструкция датчика потока. В нем есть две катушки первичной и вторичной обмотки вокруг насыщаемого сердечника индуктора. Изменения в потоке тока могут изменить проницаемость сердечника, что приведет к изменению индуктивности через другую катушку.

• Можно измерять ток в широком диапазоне частот
• Имеет большую точность
• Низкое смещение

• Высокое вторичное энергопотребление
• Увеличивается фактор риска повышения шума напряжения или тока в первичном проводнике
• Подходит только для постоянного или низкочастотного переменного тока

Датчики потока используются в инверторах солнечной энергии для измерения тока. Кроме этого, измерение переменного и постоянного тока с обратной связью может быть легко выполнено с помощью таких датчиков. Этот датчик тока также может быть использован для измерения тока утечки, обнаружения перегрузки по току и т. д.

Метод измерения тока с помощью катушки Роговского

Катушка Роговского названа в честь немецкого физика Вальтера Роговского. Катушка Роговского выполнена с использованием спиральной катушки с воздушным сердечником и намотана на целевой проводник для измерения тока.

На изображении выше показана катушка Роговского с дополнительной схемой. Дополнительная схема является интегральной цепью. Катушка Роговского обеспечивает выходное напряжение в зависимости от скорости изменения тока в проводнике. Для создания выходного напряжения, пропорционального току, требуется дополнительная схема интегратора.

• Это хороший метод для обнаружения быстрого высокочастотного изменения тока
• Безопасная работа с точки зрения обращения с вторичной обмоткой
• Недорогое решение
• Гибкость в использовании благодаря конструкции с разомкнутым контуром
• Температурная компенсация не сложна

• Подходит только для переменного тока
• Имеет более низкую чувствительность, чем трансформатор тока

Катушка Роговского имеет широкий спектр применения. Например, измерение тока в больших силовых модулях, особенно на полевых МОП-транзисторах или мощных транзисторах IGBT. Катушка Роговского обеспечивает гибкость измерения. Поскольку отклик катушки Роговского очень быстр по переходным процессам или высокочастотным синусоидальным волнам, это хороший выбор для измерения высокочастотных переходных процессов в линиях электропередачи. В приложениях распределения мощности или в интеллектуальной электросети катушка Роговского обеспечивает превосходную гибкость для измерений тока.

Измерение тока с помощью трансформатора тока

Трансформатор тока или ТТ используется для измерения тока по вторичному напряжению, которое пропорционально току во вторичной катушке. Это промышленный трансформатор, который преобразует большое значение напряжения или тока в намного меньшее значение в своей вторичной катушке. Измерение производится через вторичный выход.

На изображении выше показана конструкция такого трансформатора. Это идеальный трансформатор тока с первичным и вторичным соотношением 1:N. N зависит от технических характеристик трансформатора.

• Большая пропускная способность, больше, чем у других рассмотренных методов
• Не требует дополнительных схем

• Требуется техническое обслуживание
• Из-за намагниченности возникает гистерезис
• Высокий первичный ток насыщает материалы ферритового сердечника

Основное применение метода измерения тока на основе ТТ – в энергосистеме из-за очень высокой способности измерения тока. Некоторые токовые клещи также используют трансформатор тока для измерения переменного тока.

Измерение тока с помощью шунтирующего резистора

Это наиболее используемый метод в современной электронике. Этот метод основана на законе Ома. Здесь последовательно подключенный в цепь резистор с малым сопротивлением используется для измерения тока. Когда ток протекает через резистор, он создает разницу напряжения на резисторе.

Давайте рассмотрим пример. Предположим, что ток 1А протекает через резистор на 1 Ом. Согласно закону Ома, напряжение эквивалентно току, умноженному на сопротивление. Следовательно, когда ток 1A протекает через резистор с сопротивлением 1 Ом, он создает напряжение 1В на резисторе. Мощность резистора является критическим фактором, который необходимо учитывать. Тем не менее, на рынке также есть резисторы очень малого значения, сопротивление которых находится в диапазоне миллиом. В таком случае разница напряжения на резисторе также очень мала. Но усилитель с высоким коэффициентом усиления необходим для увеличения амплитуды напряжения, и, наконец, ток измеряется с использованием обратного расчета.

Альтернативный подход для этого типа метода измерения тока заключается в использовании трассировки печатной платы в качестве шунтирующего резистора. Поскольку медные дорожки на печатной плате имеют очень небольшое сопротивление, можно использовать часть дорожки для измерения тока. Однако при таком альтернативном подходе несколько зависимостей также являются огромной проблемой для получения точного результата. Основным фактором является температурный дрейф. В зависимости от температуры, сопротивление трассировки изменяется, что приводит к ошибке. Нужно компенсировать эту ошибку в приложении.

• Очень экономичное решение
• Может работать с переменным и постоянным током
• Дополнительное оборудование не требуется

• Не подходит для работы с большим током из-за рассеивания тепла
• Измерение с помощью шунта обеспечивает ненужное снижение эффективности системы из-за потери энергии на резисторе
• Тепловой дрейф обеспечивает ошибку в высокотемпературном приложении

Применение шунтирующего резистора в первую очередь – цифровой амперметр. Это точный и более дешевый метод, кроме датчика Холла. Шунтирующий резистор также может обеспечивать путь с низким сопротивлением.

Как выбрать метод измерения тока

Выбор правильного метода для измерения тока не является сложной задачей. Для выбора правильного метода необходимо учитывать несколько вопросов, таких как:

• Какая требуется точность
• Предполагается измерение постоянного или переменного тока (или обоих)
• Сколько потребляется энергии
• Какой диапазон тока и полоса пропускания
• Стоимость

Помимо них, также необходимо учитывать приемлемую чувствительность и подавление помех. Поскольку все факторы не могут быть соблюдены одновременно, приходится идти на некоторые компромиссы в зависимости от приоритета требования приложения.

Источник

Как измерить силу переменного или постоянного тока.

Многие помнят из школьной физики закон Ома: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

СИЛА ТОКА является количественной характеристикой электрического тока- это физическая величина, равная количеству электричества, протекающего через сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах.

Для электропроводки в квартире сила тока играет огромную роль, потому что исходя из максимально возможного значения для отдельной линии, идущей от электрощита зависит сечение проводника и величина максимального тока автоматического выключателя, защищающего электрический кабель от повреждений в случае возникновения короткого замыкания или токов перегрузки.

Поэтому, если не правильно выбрано сечение и автоматический выключатель- его будет просто выбивать, а заменить его на более мощный просто не получится.

Например, самые распространенные провода и кабеля в электропроводке сечением 1.5 квадратных миллиметра- из меди или 2.5- из алюминия. Они рассчитаны на максимальный ток 16 Ампер или подключение мощности не более 3 с половиной киловатт. Если Вы подключите мощные электропотребители превышающие эти пределы, то просто заменить автомат на 25 А нельзя- не выдержит электропроводка и придется от щита перекладывать медный кабель сечением 2. 5 кв. мм, который рассчитан на максимальный ток 25 А.

Единицы измерения мощности электрического тока.

Кроме Амперов, Мы часто сталкиваемся с понятием мощности электрического тока. Эта величина показывает работу тока, совершенную в единицу времени.

Мощность равняется отношению совершенной работы ко времени, в течение которого она была совершена. Мощность измеряется в Ваттах и обозначается буквой Р. Высчитывается по формуле P = А х B, т. е. для того что бы узнать мощность- необходимо величину напряжения электросети умножить на потребляемый ток, подключенными к ней электроприборами, бытовой техникой, освещением и т. д.

На электропотребителях часто на табличках или в паспорте только указывается потребляемая мощность, зная которую легко можно высчитать ток. Например, потребляемая мощность телевизором 110 Ватт. Что бы узнать величину потребляемого тока- делим мощность на напряжение 220 Вольт и получаем 0. 5 А.
Но учтите, что это максимальная величина, в реальности она может быть меньше т. к. телевизор на низкой яркости и при других условиях будет меньше расходовать электроэнергии.

Приборы для измерения электрического тока.

Для того что бы узнать реальный расход электроэнергии с учетом работы в разных режимах для электроприборов, бытовой техники и т. п. — нам понадобятся электроизмерительные приборы:

1. Амперметр— хорошо всем знакомый с практических уроков физики в школе (рисунок 1). Но в быту и профессионалами они не используются из-за непрактичности.
2. Мультиметр— это электронное устройство выполняет многоразличных замеров, в том числе и силы тока (рисунок 2). Очень широко распространен, как среди электриков так и в быту. Как с его помощью измерять силу тока Я уже рассказывал в этой статье.
3. Тестер— то же самое практически, что и мультиметр, но без использования электронники со стрелкой, которая указывает величину измерения по делениям на экране. Сегодня редко можно встретить, но они широко использовались в советское время.
4. Измерительные клещи электрика (рисунок 3), именно ими Я пользуюсь в своей работе, потому что они не требуют разрыва проводника для измерения, нет необходимости лезть под напряжение и отключать нагрузку. Ими измерять одно удовольствие- быстро и легко.

Как правильно измерять силу тока.

Для того что бы измерить силу для потребителей постоянного тока, необходимо один зажим от амперметра, тестера или мультиметра присоединить к плюсовой клемме аккумулятора или проводу от блока питания или трансформатора, а второй зажим- к проводу идущему к потребителю и после включения режима измерения постоянного тока с запасом по верхнему максимальному пределу- делать замеры.

Будьте аккуратны при размыкании работающей цепи возникает дуга, величина которой возрастает вместе с силой тока.

Для того что бы измерить ток для потребителей подключаемых напрямую в розетку или к электрическому кабелю от домашней электросети, измерительное устройство переводится в режим измерения переменного тока с запасом по верхнему пределу. Далее тестер или мультиметр включаются в разрыв фазного провода. Что такое фаза читаем в этой статье.

Все работы необходимо проводить только после снятия напряжения.

После того как все готово, включаем и проверяем силу тока. Только следите, что бы Вы не касались оголенных контактов или проводов.

Согласитесь, что выше описанные методы очень не удобны и да же опасны!

Я уже давно в своей профессиональной деятельности электрика пользуюсь для измерения силы тока токоизмерительными клещами (на картинке справа). Они не редко идут в одном корпусе с мультиметром.

Мерить ими просто- включаем и переводим в режим измерения переменного тока, затем разводим находящиеся сверху усы и пропускаем во внутрь фазный провод, после этого следим что бы они плотно прилегли к друг другу и производим измерения.

Как видите- быстро, просто и можно измерять силу тока под напряжением данным способом, только будьте аккуратны не закоротите в электрощите случайно соседние провода.

Только помните, что для правильного замера- нужно делать обхват только одного фазного провода, а если обхватить цельный кабель, в котором вместе идут фаза и ноль- измерения провести будет не возможно!

Источник