Как сделать трансформатор тока

36

Как сделать трансформатор тока

Изготавливаем качественный трансформатор

Автор: Evgenij
Опубликовано 25.08.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»

Дорогой Кот! Хочу поздравить тебя с твоим 9 Днем рождения.

Желаю всего-всего самого хорошего, а также много настоящего Вискаса и колбаски высшего сорта.

Несмотря на огромное количество разработок в области радиоэлектроники, остаются темы, которые всегда останутся актуальными для радиолюбителей. Одна из них – питание для своих конструкций. В данной статье пойдет речь об изготовлении качественного трансформатора в домашних условиях из подручных материалов.

В 21 веке происходит интенсивное развитие техники. Разрабатываются новые радиоэлементы, конструируются приборы различного назначения, бытовая и измерительная техника. ЭВМ совершают гигантский рывок в производительности. Но как известно энергия, которой все они питаются, поступает в наши дома в виде высокого переменного напряжения сети 230 В [1], которое в исходном виде непригодно для питания большинства радиоэлектронной аппаратуры. Чтобы бытовую сеть можно было использовать требуется преобразовать данное напряжение, в большинстве случаев, в более низкое. Делать это можно различными способами, но классический способ, который уже известен почти 140 лет, это использование трансформаторов.

Изобретение трансформатора – событие революционного характера. Но ему содействовали ряд других открытий. Поскольку трансформатор работает на основе взаимопревращения электрического тока в магнитное поле и наоборот, то все открытия, произошедшие в этой области, можно характеризовать как шаги к изобретению трансформатора.

Первым свидетельством возникновения магнитного поля (МП) при протекании электрического тока был опыт датского профессора Ганса Христиана Эрстеда. В 1820 году он демонстрировал студентам тепловое действие тока. Однако случайно недалеко стояла магнитная стрелка. При замыкании цепи стрелка становилась перпендикулярно проводнику, по которому течет ток. При изменении направления тока, стрелка разворачивалась на 180 0 .

Рисунок 1. Опыт Эрстеда, а — разомкнутая цепь, б — замкнутая цепь [2].

Следует отметить, что в то время единственными источниками тока являлись различные химические источники тока (в быту «батарейки»). Поэтому задача получения электричества стояла весьма актуально. Опыт Эрстеда показал, что вокруг проводника возникает МП. Но логично предположить, что возможен и обратный процесс. Именно ему посвятил большую часть жизни английский ученый Майкл Фарадей.

Фарадей искал способ превратить энергию МП в электрический ток. Он помещал постоянный магнит в соленойд (катушку). При этом ток не регистрировался. В 1831 году было обнаружено, что если перемещать постоянный магнит по соленойду (катушке), то возникает ток. Фарадей ввел понятие магнитный поток и пришел к заключению, что именно изменение магнитного потока приводит к возникновению тока в катушке.

Рисунок 2. Опыт Фарадея по взамопревращению МП в электрический ток [3].

Следует отметить, что Фарадей использовал не только постоянные магниты в качестве источника МП, но и катушки с протекающим током. Т.е. Фарадей сделал прообраз трансформатора, однако он не был предназначен для преобразования напряжения.

Первый прообраз трансформатора был изготовлен Генрихом Даниэлем Румкорфом в 1851 году. Это были 2 обмотки – низковольтная и высоковольтная, намотанные на железном стержне. Принцип действия прост: с помощью размыкателя включается и выключается ток через первичную обмотку. За счет изменения магнитного потока происходит наведение ЭДС в высоковольтной обмотке.

Официальной датой рождения трансформатора является 30 ноября 1876 года. Именно в этот день был получен первый патент на изобретение трансформатора Павлом Николаевичем Яблочковым. Через 10 лет появились первые промышленные образцы в Англии, и, в связи с мировой электрификацией, трансформаторы подвергались модернизации и начали массово производиться.

Сегодня трансформаторы применяются почти во всей РЭА со стационарным питанием. Существует много классификаций, но главный критерий, в нашем случае, – это классификация по частоте работы. Дело в том, что, как было уже сказано выше, трансформатор может работать только при изменении магнитного потока. Это достигается использованием переменного тока. Однако скорость изменения направления тока может быть весьма различной. Следует выделить 2 основных типа трансформаторов:

1)Низкочастотные (частота работы обычно 50, 60 и 400 Гц)

2)Высокочастотные (частота работы обычно от 10000 до 100000 Гц)

Их отличие в материале используемого сердечника. В высокочастотных используется различные виды ферритов или пермаллой, в низкочастотых – железо или трансформаторная сталь.

В современном мире идет тендеция на замену низкочастотных трансформаторов на высокочастотные. Однако все же доля первых остается достаточно велика. Основные преимущества НЧ трансформаторов – надежность и простота изготовления. В них не используются радиодетали, не нужно изготавливать печатную плату и настраивать. Тут, если хорошо изолировать обмотки, то все заработает сразу, а надежность позволить работать изделию сутками. Данная статья будет ориентирована на изготовление НЧ трансформатора питания и целью ее будет показать, что в домашних условия можно изготовить маломощный трансформатор заводского качества и даже лучше.

Вся история началась с того, что, будучи админом локальной компьютерной сети и постоянно сражаясь с зависаниями коммутаторов, я обнаружил, что их внешние блоки питания иногда достаточно сильно нагреваются. Один раз даже попался блок со «сгоревшей первичной обмоткой транса». В кавычках потому, что оказалось, что виноват термопредохранитель, установленный по первичной обмотке трансформатора.

Рисунок 4. Разобранный отремонтированный блок питания.

Вместо него была установлена перемычка. После этого он пролежал у меня без дела года полтора. Вспомнив про этот блок и прочитав достаточно много информации, я пришел к выводу, что причина повышенного нагрева и выхода транса из строя стало заниженное число витков в первичной обмотке. Собственно, с тех пор стало любопытно, насколько сильно будет нагреваться трансформатор, и каков будет его КПД, если его изготовить самостоятельно, с использованием рекомендуемых параметров.

Для того, чтобы не перегружать статью расчетами и формулами, мною был создан файл, в котором имеется методичка, взятая с [5]. Сделано это для того, чтобы в случае недоступности сайта методичка всегда была под рукой. Кроме того, в файле приведены расчеты моего будущего трансформатора.

Поскольку трансформатор изготавливался на имеющемся сердечнике, то следует измерять его габаритные параметры и определить максимальную мощность, которую можно с него снять. Для этого следует извлечь трансформатор из блока, измерять толщину пакета и выбить одну пластину. Следует отметить, что трансформаторная сталь чувствительна к ударам, поэтому не рекомендуется использовать для выбивания металлические предметы типа отвертки. Я для этих целей использовал вырезанный по размерам кусочек стеклотекстолита.

Рисунок 5. Общий вид трансформатора (А) и его разборка (Б).

После того, как пластина извлечена, приступают к измерению остальных параметров.

Таблица 1. Габаритные параметры сердечника.

Когда параметры известны, можно определить произведение сечений центрального керна и окна сердечника:

Теперь смотрим пример расчета нового трансформатора в файле. Сначала следует определить, подойдет ли данный сердечник по габаритам. Для этого вычисляем габаритную мощность, которую хотим получить в пунктах 1-3, в пункте 4 находим требуемую габаритную мощность сердечника, используя в качестве неизвестных рекомендуемые величины из таблицы 2. Чуть выше примера приведена сама формула с пояснением всех величин. Теперь, если габаритная мощность нашего сердечника больше необходимой, то он подойдет.

Затем выполняем расчет числа витков, диаметры проводов и коэффициента заполнения окна. Если он меньше 0,3, то все обмотки должны поместиться. Если расчетного диаметра провода нет в наличии, то можно взять более толстый или взять более тонкий, но несколько штук. Полученные расчетные данные:

Таблица 2. Намоточные данные

Число витков первичной обмотки

Число витков вторичной обмотки

Диаметр первичной обмотки по меди

Диаметр вторичной обмотки по меди

Теперь приступим к собственно изготовлению трансформатора. Прежде всего, следует изготовить каркас. В качестве материалов используют разные материалы, но лучше всего использовать стеклотекстолит. В этом случае получается сборный каркас, который, если рассчитан и изготовлен точно, не нужно клеить. Для расчета параметров каркаса воспользуемся программой Power Trans. Программа позволяет рассчитать трансформатор и также каркас для заданного сердечника. Расчетом витков самой программы лучше не пользоваться, т.к. она дает завышенное число витков. Не забываем также, что размеры сердечника в миллиметрах, а обозначения не совпадают.

Рисунок 6. Скриншот программы PowerTrans.

Нажимаем на «Каркас катушки» и получаем разметку каркаса.

Тут следует сделать следующие замечания:

1)При печати формат 1 к 1 не получиться, т.е. разметку на материале продеться делать вручную.

2)Особое внимание к деталям замка, в частности, на третью часть каркаса нижнего ряда. Там есть горизонтальные выступы по центру и сверху, которые программа выдала одинаковые. Это ошибка! Верхние выступы должны быть на 1 — 2 мм больше по краям, иначе каркас придется клеить, что я и делал… Тоже самое и для первой части нижнего ряда.

3)Перед тем как детали изготавливать, полезно их начертить на бумаге и сделать бумажный макет каркаса.

Убедившись в правильности разметки, ее переносят на стеклотекстолит и вырезают. Поскольку у меня нет инструментов наподобие бормашины, то я поступал следующим образом. Я брал кусок размеченного текстолита и просто процарапывал много раз канцелярским ножом с двух сторон, а потом обламывал по линии царапины. Затем полученные куски дорабатываются. В случае щечек в центре по периметру прямоугольника высверливаются много отверстий мелким сверлом, и центр выкусывается кусачиками. При этом следует ставить сверло таким образом, чтобы на линии разметки был его край, а не центр, в противном случае размеры будут уже другими. Оставшиеся неровности стачиваются напильником. Детали керна изготавливаются путем стачивания прямоугольных заготовок до совпадения с чертежом.

После изготовления всех деталей они собираются в каркас.

Рисунок 8. Схема сборки деталей в каркас [6].

Если при изготовлении деталей забыли оставить выступы замка более длинными, то ничего страшного. В этом случае можно каркас собрать, оцентрировать, выровнять и склеить, например, суперклеем. Тут следует проклеивать каркас с внешней стороны, иначе избыток клея будет выступать снизу и мешать намотке.

Отдельно следует сказать о выводах для обмоток. Для этого на концах щечек следует сделать отверстия и приклеить туда кусочки проволоки, например, клеем ЭДП (изначально я хотел просто запрессовать проволоку в отверстия, но идея оказалась не очень хорошей – при испытаниях трансформатора вывод вырвался, едва не порвав обмотку у основания). В этом случае выводы держаться очень прочно. Под выводами следует проложить полоску бумажного скотча для изоляции. Помимо этого нужно сделать ряд отверстий для вывода обмоток наружу таким образом, как приведено на рисунке 8. После сборки каркаса, нужно проверить, подходит ли он. Для этого берут вибитую пластинку и вставляют в каркас. Если пластинка свободно по нему перемещается, то все нормально, однако больших щелей быть недолжно.

Следующей операцией является заготовка изолирующих прокладок. Они необходимы для изоляции слоев друг от друга, а также для изоляции обмоток друг от друга. Дело в том, что эмальпровод, имеет относительно невысокое напряжение пробоя, поэтому из-за отсутствия изоляции трансформатор может прийти в негодность.

В качестве материала можно использовать лакоткань, различную бумагу, фторопласт, майлар. В нашем случае будем использовать бумагу, как отличный изоляционный и доступный материал. Но видов бумаги тоже много, остановим выбор на бумаге для выпечки.

Ее достоинства – дешевизна и малая толщина. Продается она в виде рулонов. Для изготовления изолирующих прокладок следует нарезать бумагу полосками, ширина их определяется шириной каркаса + небольшой запас по краям. Он необходим для того, чтобы крайние витки не проваливались в предыдущие слои. В моем случае ширина каркаса составила 18 мм, а полоски я нарезал шириной 19 мм, т.е. по 0,5 мм запаса с каждой стороны. Для отрезки я пользовался линейкой и канцелярским ножом. В этом случае они получаются ровными. Следует отметить, что недопустимо размечать полоски карандашом, так как графит, содержащийся в нем, проводит ток. Длина полосок не имеет значение, главное, чтобы ее хватало на один виток при изоляции. При этом следует не забывать, что с ростом толщины намотки длина изолирующих прокладок увеличивается, то есть изначально ее нужно брать с большим запасом.

Рисунок 10. Изготовление полосок из бумаги.

После того, как каркас готов, подогнан и проверен, заготовлена бумага можно приступать к намотке. Мотать можно можно вручную и на станке. В данном случае мотать вручную 2732 витка тонкой проволокой неудобно, поэтому был собран несложный станок со счетчиком витков.

Конструктивно станок состоит из трех стоек и основания, шагового двигателя, блока питания и управления для шагового двигателя, магнитного датчика и счетчика витков, ось для крепления каркаса и зажимов.

Рисунок 11. Станок для намотки катушек. Вид сверху.

Для изготовления основания, сначала вырезаются 4 доски и скручиваются саморезами. Затем высверливаются отверстия для двигателя и оси.

Рисунок 12. Детали каркаса станка.

В качестве магнитного датчика используется геркон в паре с постоянным магнитом, который приклеен к деревянному кругу и насажен на ось двигателя. Сам геркон запаян на печатной плате, которая с помощью алюминиевого уголка крепится к одной из стоек.

Рисунок 13. Конструкция магнитного датчика.

В качестве счетчика используется дешевый калькулятор, его вскрывают и припаивают к кнопке «=» контакты геркона. Также в этом станке калькулятор вместо батареек питается через делитель напряжения от блока питания.

Блок питания и управления шаговым двигателем выполнен по следующей схеме [7].

Рисунок 15. Схема принципиальная электрическая блока питания и драйвера для шагового двигателя.

Конструктивно он помещен в деревянную коробочку. Наружу выведены тумблеры реверса, регулятора скорости и тумблера отключения шагового двигателя.

Рисунок 16. Плата драйвера и готовый блок в сборе.

Ось представляет собой обычную железную шпильку диаметром 5 мм. Для сочленения ее с осью двигателя используется кусок резинового шланга, который плотно держит ось двигателя и ось с резьбой.

Зажимы представляют собой квадраты из фанеры, размеры которых подобраны таким образом, чтобы каркас был центрирован на оси. Зажимаются квадраты гайками.

Следует отметить, что в данном эксперименте шаговый двигатель был отключен, так как намотка получалось некачественной. Каркас приводился в движение с помощью рук.

Теперь можно приступить к намотке. Для этого каркас зажимают на оси и центрируют. Напротив него ставят катушку с проводом на какой-либо оси. В моем случае – это лабораторный штатив, поставленный горизонтально. Затем кладется первый слой бумаги, причем желательно более толстой. Делается это для того, чтобы сгладить неровности каркаса и не допустить переламывания эмали провода под прямым углом. После того как она уложена, эмальпровод выводиться через отверстие, на него одевается трубочка, например, оболочка МГТФ, по длине от вывода до нижнего края щечки. С другой стороны щечки провод заклеивается полоской бумажного скотча, чтобы не произошло межвиткового замыкания.

Затем начинают вращать каркас, следя, чтобы намотка проходила виток к витку. В данном случае бумажная изоляция клалась через 2 слоя. Это оптимальный вариант, так как при при большем числе слоем было очень сложно наматывать виток к витку. При 2-х слоях намотка проходила достаточно легко. Мотаем 2732 витка виток к витку (24 слоя), не допуская провалов намотки на предыдущие слои…

Через 17 часов первичная обмотка готова, выводим к выводу, одеваем трубочку, припаиваем и прозваниваем ее мультиметром. Если нет обрыва и есть некоторое сопротивление, то продолжаем. Теперь кладем 2-3 слоя бумаги для межслойной изоляции и наматываем вторичнyю обмотку. На вторичке можно межслойную изоляции не класть, так как получается всего 2,5 слоя и провод достаточно толстый.

Рисунок 20. Намотка вторичной обмотки.

Намотав 75 витков, паяем к выводам, проверяем тестером, докладываем пустоту бумагой до выравнивания с проводом и кладем 2-3 слоя бумаги для изоляции провода от сердечника, причем конец полоски желательно оставить со стороны сердечника. Так конец будет закрыт. Получиться красиво и не оторвется. Все, теперь катушка готова.

Следует сделать некоторые замечания при намотке:

1)Если провод оборвался, не страшно. В этом случае его зачищают с обоих концов, скручивают и спаивают. Спайку заворачивают в бумагу и продолжают намотку. В случае толстого провода не скручивают, а просто спаивают.

2)Пропитка. В моем случае я пропитывал каждый слой при намотке, а также изоляцию. Это делается для того, чтобы увеличить электрическую прочность обмотки, а также для фиксации витков, поскольку при протекании тока витки могут вибрировать, что приводит к истиранию эмали и понижению срока службы трансформатора. В целом, если вести намотку виток к витку как я, то это делать вовсе необязательно, поскольку намотка получается плотной и витки не вибрируют. В случае намотке внавал, а она занимает много места и понижает качество намотки за счет перегибов эмальпровода, то пропитка обязательна. В мощных трансформаторах данная процедура обязательна, поскольку силы, действующие при протекании ток по обмотке достаточно велики.

Следует отметить также недостаток, связанный с увеличением паразитных емкостей, связанный с большим значением диэлектрической постоянной у лака по сравнению с воздухом. Поэтому в случае трансформаторов, чувствительных к данным емкостям, пропитка нежелательна (звуковые и им подобные).

Также нужно обратить внимание на то, что пропитка после намотки не имеет смысла – лак внутрь обмоток не попадет. При пропитке лаком после изготовления катушки следует подождать, пока лак высохнет или заполимеризуется. Теперь несколько слов относительно самого лака. Лучше всего использовать электроизоляционный лак, например, МЛ-92. Нитролак, суперклей и им подобные лучше не использовать, поскольку они могу испортить целостность изоляции. Эпоксидный клеи тоже лучше не применять, поскольку при нагреве медь и эпоксидка расширяются по-разному. Следствием может стать нарушение изоляции. В моем случае я нашел специальный пропиточный акриловый лак. Он продается в радиомагазинах в небольших пластиковых бутылочках.

Итак, ура! Самое трудное сделано! На столе мы имеем готовую катушку довольно красиво выглядящую и очень крепкую. Теперь следует до конца разобрать сердечник трансформатора – донора, поскольку была вибита лишь одна пластина. Для разборки аккуратно проходимся вдоль пластин канцелярским ножом и аккуратно вынимаем по одной пластине. Уходит на разбор обычно минут 30. Сердечник в таком же порядке складываем на столе, чтобы при сборке нового трансформатора собрать его также. Цель этого – собрать сердечник наиболее плотно.

Рисунок 23. Разборка трансформатора.

После разборки собираем новый трансформатор в той же последовательности. Последние пластинки входят очень туго, поэтому следует аккуратно постукивать маленьким молотком, желательно деревянным, чтобы не нарушить структуру трансформаторной стали.

И вот, после недели стараний получаем крепкое, тяжелое и красивое изделие, которое не боится ничего и, при отсутствии явных ошибок, способное проработать весьма длительный срок.

Рисунок 25. Внешний вид готового трансформатора.

Далее его следует испытать. Для этого трансформатор включают в сеть через последовательно включенную лампочку накаливания от холодильника. При этом она должна вспыхнуть и погаснуть. Если замкнуть вторичную обмотку, то лампочка загорится почти полным накалом. Если так и есть, то исключаем лампочку и выжидаем примерно 30 минут. При этом температура изделия должна быть комнатной или немного выше. Далее следуют испытания под номинальной нагрузкой в течение нескольких часов. Если трансформатор нагревается до 50-60 0 С, то можно считать его полностью рабочим и использовать по назначению. Вероятность, что он подведет, будет весьма низка.

Рисунок 26. Испытание трансформатора.

В завершение статьи мной были сняты данные донорного и изготовленного с учетом рекомендуемых параметров трансформаторов, чтобы можно было сравнить, какой из них лучше. Полное сравнение не получится, поскольку товарищи из Китая смогли уместить мощность в донорном трансформаторе в 1,5 раза большую, чем в изготовленном. Но, тем не менее, для общего развития это будет полезно.

Рисунок 27. Испытания трансформаторов.

Данные получены после 1,5 часов работы в номинальных режимах и сведены в таблицу.

Расчет трансформатора тока для преобразователя напряжения

При конструировании преобразователей напряжения возникает необходимость защиты мощных переключательных полупроводниковых элементов от аномальных токов.

При больших мощностях преобразователей схемы защиты, как правило, содержат трансформатор тока, сердечником которого является ферритовое кольцо. Существует простая методика расчета такого трансформатора, предложенная Владимиром Денисенко.
Пример.
1. Берем небольшое ферритовое колечко, обычно 20×12х6 из 2000НМ.
2. Мотаем на него 100 витков провода. Это будет вторичная обмотка. (первичная обмотка — это просто перемычка, пропущенная через кольцо).
3. Допустим, с выхода трансформатора тока нужно получить 2 Вольта.
4. Необходимо ограничить первичный ток на уровне 5 Ампер.
5. Тогда ток во вторичной обмотке трансформатора тока будет равен I/Kтр = 5 / 100 = 0,05 Ампера.
Где Ктр – коэффициент трансформации трансформатора.
6. Определим величину нагрузочного резистора, подключенного к вторичной обмотке трансформатора.
R = U/I. Делим требуемые 2 Вольта на вторичный ток 0,05A: 2 / 0,05 = 40 Ом. это мы получили нагрузочный резистор, подключенный к вторичной обмотке трансформатора тока.
Вот и фсё. , как сказал Владимир. Успехов всем. К.В.Ю.

Расчет трансформатора тока

Бывают такие ситуации когда нужно контролировать большие токи в цепях переменного напряжения, например как контролировать ток в цепи сварочного аппарата, где ток достигает 150-250А. Для такого контроля отлично подходит трансформатор тока. Этот трансформатор нечем не отличается от обычного трансформатора, по сути это и есть обычный трансформатор с известным отношением витков первичной и вторичной обмотки.

На схеме представлен пример трансформатора тока с током в первичной обмотке 6А, на выходе этого трансформатора напряжение 6В

Принцип работы такого трансформатора прост и рассчитывается все довольно просто
1. Берется за основу абсолютно любой каркас трансформатора. Для простоты возьму колечко любого размера и намотаю на него 100 витков, это количество витков может быть абсолютно любое, но для простоты расчета пусть будет 100. Эта обмотка вторичка, с которой будет сниматься измеряемое напряжение. Первичная обмотка должна быть один виток, а точнее кабель пропущенный через кольцо. Отсюда известно, что отношение тока между первичной и вторичкой 1:100.

2. Теперь через первичную обмотку в один виток пропущу ток в 6А, зная отношение в витках можно узнать ток в вторичной обмотке трансформатора 6А/100=0,06А. Когда ток вторички известен вспомню закон Ома R=V/I, исходя из него узнаю на сколько Ом нужно нагрузить вторичку, чтобы при токе в 0,06А напряжение на выходе было 6В. R=V/I, R=6(В)/0,06(А)=100 (Ом), то есть если вторичку нагрузить на 100 Ом, напряжение на вторичке будет 6В при токе в первичке 6А
При максимальном токе на резисторе R2 будет рассеиваться некоторая мощность, поэтому нужно еще рассчитать рассеиваемую мощность на резисторе P=U*I, P=6(В)*0,06(А)=0,36(Вт) минимальный резистор рассеиваемой мощностью о,5Вт

Вот таким простым способом можно измерять любые токи, главное правильно рассчитать трансформатор и балластный резистор.
Как смог рассказал о принципе работы, добавить тут нечего. Если вам интересны и полезны мои статьи, подписывайтесь на обновления в Контакте и Одноклассниках, что бы всегда быть в курсе новых тем.
С ув. Эдуард

Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В

Сердечник и вторичная обмотка самодельного трансформатора тока

Недавно у меня возникла необходимость определять на микроконтроллере моменты включения/выключения погружного насоса с поплавковым выключателем, запитанного от сети 220В, т.е. по сути определять наличие потребляемого тока в цепи питания насоса. Когда речь идет об измерениях в сети 220В, то в первую очередь стоит подумать о том, как обеспечить качественную гальваническую развязку, т.е. отсутствие электрического контакта между высоковольтными и низковольтными цепями.

Пожалуй самым простым и быстрым решением было бы взять готовый модуль на эффекте Холла (например на микросхеме ACS712). Однако мне такой вариант не подошёл по двум причинам. Во-первых, он требует питания 5В, а у меня всё было запитано от 3.3В. Во-вторых, он включается в разрыв измеряемой цепи, а мне было очень важно не нарушить работу насоса даже в случае ошибки проектирования или выхода из строя датчика.

Как ни странно, нагуглить готовое решение без специальных модулей для такой казалось бы простой задачи не удалось, поэтому здесь хочу поделиться опытом расчета и изготовления простейших измерительных трансформаторов тока.

Принцип работы трансформатора тока

Пожалуй каждый, кто когда-нибудь работал с аналоговой электроникой, сталкивался наводками от сети 220В. Казалось бы, если от этих наводок так сложно избавиться, то может быть и определить включение нагрузки должно быть очень легко? Однако всё оказалось не совсем так просто.

Действительно, простейший измерительный трансформатор тока можно сделать из мотка обычного двухжильного силового кабеля — по одной из жил запустить измеряемый ток, а с другой снимать полезный сигнал. Попробуем прикинуть (хотя бы по порядку величины), какое напряжение образуется на концах «сигнальной» жилы, если через «силовую» пропустить ток к целевой нагрузке? Может этого будет уже достаточно для решения поставленной задачи?

Моток кабеля в такой конфигурации по сути представляет собой трансформатор с воздушным сердечником. Ток, проходящий через витки силовой жилы, формирует переменное магнитное поле. Это поле создаёт электродвижущую силу ЭДС индукции в каждом витке сигнальной жилы. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока проходящего через окружённую витком поверхность:

Если предположить, что витки в мотке кабеля уложены достаточно плотно, а ток в измерительной жиле равен нулю, то магнитный поток через все витки будет одинаковым, и его можно будет посчитать как произведение индуктивности одного витка , числа витков и тока в силовой жиле . ЭДС во всех измерительных витках будет одинакова и суммарное напряжение на концах сигнальной жилы будет равно произведению числа витков на ЭДС в одном витке:

В бытовой сети переменного тока , где — частота, равная 50 Гц, а — амплитудное значение силы тока. Значение можно определить исходя из мощности нагрузки и действующего значения напряжения , равного 230 В. В итоге для производной тока по времени получаем такую формулу:

Например, для нагрузки мощностью 1 кВт, подключённой к обычной бытовой сети с напряжением 230 В, вычисленная по этой формуле амплитуда производной тока по времени получится чуть меньше 2000 ампер в секунду.

Индуктивность одного витка посчитаем исходя из радиуса нашего мотка и радиуса проволоки, из которой сделана жила кабеля :

Здесь — магнитная постоянная. Для мотка кабеля диаметром 10 см, имеющего жилы диаметром 2 мм, индуктивность витка получается около 0.25 мкГн. Если такой моток сделать из кабеля длиной 10 метров, то получится около 30 витков. В итоге для нашей нагрузки в 1 кВт напряжение на разомкнутой сигнальной жиле получится таким:

Значение получается вполне детектируемое, но что произойдёт в момент включения или выключения нагрузки, когда ток может изменяться в десятки или даже сотни раз быстрее, чем при нормальной работе? В этом случае вместо 450 мВ на концах сигнальной жилы может быть скачок напряжения в несколько десятков или даже сотню вольт, который вполне может повредить вход микроконтроллера.

Чтобы решить проблему с зависимостью ЭДС индукции от частоты сигнала, в трансформаторах тока используется совсем другой режим работы — вместо того, чтобы разомкнуть вторичную обмотку и измерять на ней напряжение, она замыкается накоротко и измеряется проходящий через неё ток.

Как только в сигнальной жиле появляется ток, он создаёт своё собственное магнитное поле, направленное противоположно исходному. В идеальном случае ток в сигнальной жиле мгновенно вырастет настолько, что полностью компенсирует магнитный поток силовой жилы. Для рассмотренного выше случая с одинаковым числом витков силы тока в двух жилах окажутся равны, а ЭДС индукции в сигнальной жиле будет стремиться к нулю. При разном числе витков отношение токов в силовой и сигнальной обмотках будет определяться отношением числа витков: , а суммарный магнитный поток и ЭДС индукции также будут стремиться к нулю.

Конструкция трансформатора тока

В реальном мире у сигнальной жилы есть ненулевое пассивное сопротивление и для создания в ней тока необходимо ненулевое значение ЭДС индукции, а значит магнитный поток силовой обмотки должен быть скомпенсирован не полностью. Чтобы ток в сигнальной обмотке был максимально близок к идеальному, нужно максимизировать отношение напряжения разомкнутой обмотки к реальному падению напряжения, необходимому для создания этого тока. Этого можно добиться разными способами:

снижением целевого падения напряжения на сигнальной обмотке

увеличением числа витков силовой обмотки

увеличением числа витков сигнальной обмотки

увеличением индуктивности каждого витка

Минимизировать напряжение на сигнальной обмотке можно за счёт более чувствительной схемы измерения тока. В самом простом случае ток преобразуется в напряжение на шунтирующем резисторе и падение напряжения определяется диапазоном детектируемых токов и характеристиками аналогового входа микроконтроллера.

Существенно увеличить число витков в силовой обмотке сложно, т.к. через неё подключается нагрузка, а значит у неё должно быть и сечение достаточно большое, и изоляция надёжная. А вот в сигнальной обмотке число витков можно увеличить весьма значительно, причём поскольку ток в сигнальной обмотке обратно пропорционален числу витков в ней, сечение провода также можно существенно уменьшить. Именно поэтому в токовых трансформаторах в сигнальной обмотке обычно значительно больше витков, чем в силовой.

Индуктивность каждого витка можно очень сильно увеличить с помощью ферромагнитного магнитопровода. Обычная электротехническая сталь увеличивает магнитную индукцию в несколько тысяч раз, а также концентрирует магнитное поле внутри магнитопровода, обеспечивая полноту прохождения магнитного потока через витки сигнальной обмотки. Например один виток на ферритовом кольце R36x23x15 PC40 имеет индуктивность около 3 мкГн, что в 12 раз больше, чем те 0.25 мкГн, которые у нас получились для витка в мотке кабеля намного больших размеров.

Наличие магнитопровода в конструкции трансформатора приводит и к некоторым ограничениям:

Напряжённость поля внутри сердечника ограничена эффектом магнитного насыщения, т.е. чем больше измеряемый ток — тем больше должно быть сечение сердечника, чтобы распределить магнитное поле по большей площади.

Сердечник должен успевать перемагничиваться вслед за изменением магнитного поля силовой обмотке, т.е. частота изменения измеряемого тока ограничена характеристиками материала сердечника.

При перемагничивании сердечника выделяется тепло, что ограничивает произведение частоты изменения тока на величину магнитного поля.

Все эти ограничения однако больше влияют на конструкцию силовых трансформаторов, а для измерительного трансформатора достаточно легко можно обеспечить очень большой запас по каждому из этих ограничений.

От теории к практике

Токовый трансформатор SCT-013

Трансформаторы тока повсеместно используются для измерений в сети 220В. Можно купить готовый трансформатор и через простенькую аналоговую схему подключить его к микроконтроллеру, но возможность и желание ждать заказа есть не всегда, так что мы будем делать самодельный из подручных материалов — в надежде, что это получится и быстрее, и дешевле, и интереснее. Важно сказать, что у меня не было задачи сильно оптимизировать конструкцию — нужно было сделать быстро, просто и понятно, чтобы работало и не ломалось.

Чтобы получить достаточный запас по ЭДС индукции, но сохранить при этом небольшие габариты, я использовал в качестве магнитопровода ферритовое кольцо R36x23x15 PC40 (такое можно купить в ряде магазинов радиодеталей меньше чем за 100 рублей). Первичную обмотку я сделал обычным силовым проводом, просто пропустив его несколько раз через кольцо. А сигнальную обмотку намотал тонким монтажным проводом с сечением 30AWG — таким просто удобнее сделать нужное число витков. Плотность и аккуратность намотки в данном случае были не важны, т.к. достаточно было всего лишь обнаружить включение нагрузки, а не измерять потребляемый ток.

Чтобы оценить запас по ЭДС индукции, я посчитал ожидаемое напряжение на разомкнутой сигнальной обмотке при работающей нагрузке. Для этого сначала вычислил индуктивность одного витка провода на магнитопроводе:

Здесь — магнитная проницаемость материала (2300 для феррита PC40 ), — внешний радиус ферритового кольца, — внутренний радиус, — высота. Получилось значение около 3 мкГн.

Дальше я взял паспортную мощность погружного насоса, включения которого нужно было детектировать (320 Вт), и посчитал амплитуду напряжения на разомкнутой обмотке в зависимости от числа витков в первичной и вторичной обмотках:

Самодельный трансформатор тока, подключённый в цепь с тестовой нагрузкой

Поиграв с числом витков, я решил сделать 6 витков первичной обмотки и 130 витков вторичной. Так получился запас ЭДС около 1.5 В и амплитуда тока в короткозамкнутой сигнальной обмотке чуть меньше 100 мА, что при использовании резистора на 5 Ом соответствует падению напряжения около 0.5 В. Больше витков силового кабеля было бы сложнее впихнуть в просвет кольца, да и ток в сигнальной обмотке не хотелось делать слишком большим (т.к. она сделана из довольно тонкого провода). При меньшем числе витков первичной обмотки для получения хорошего запаса по ЭДС пришлось бы сильно увеличить число витков во вторичной обмотке — а значит гораздо больше возиться с намоткой и получить для детектирования в несколько раз меньший ток.

Схема подключения к микроконтроллеру

На выходе трансформатора тока, шунтированного резистором, получается переменное напряжение, которое нужно как-то детектировать с помощью микроконтроллера. Сначала я собирался использовать для этого диодный выпрямитель, однако это оказалось не очень удачной идеей. Дело в том, что на открытом диоде присутствует довольно значительный перепад напряжения, особенно если это не диод Шоттки. Кроме того, детектировать переменный сигнал известной частоты проще в плане соотношения сигнал/шум.

В итоге я решил просто подать напряжение на шунтирующем резисторе (собранном из двух параллельно включённых резисторов R3 и R4 номиналом по 10 Ом) через токоограничивающий резистор R5 на АЦП-вход микроконтроллера A0 . А чтобы выставить уровень напряжения при отсутствии тока в обмотке, сделал простой резистивный делитель R1/R2 со стабилизирующим конденсатором C1 .

Схема подключения трансформатора тока к микроконтроллеру

Таким образом, при выключенной нагрузке на входе микроконтроллера будет напряжение, равное половине напряжения питания. А при включённой — колебания частотой 50 Гц вокруг половины напряжения питания с амплитудой, пропорциональной мощности нагрузки.

Резистор R5 не будет влиять на измерения, т.к. при нормальной работе ток через него пренебрежимо мал. Но если по каким-то причинам на выходе трансформатора возникнет скачок напряжения, превышающий половину напряжения питания, в микроконтроллере откроется защитный диод D1 или D2 , соединяющий вход с одной из линий питания. В этом случае через резистор R5 потечёт ток, и напряжение будет падать на этом резисторе, а не на диоде. Таким образом, резистор R5 защищает вход микроконтроллера от скачков напряжения.

Код для микроконтроллера

Поскольку в моём случае достаточно было детектировать сам факт включения нагрузки, код получился очень простым:

В течение одного периода колебаний измеряется максимальное и минимальное значение на АЦП и величина тока определяется по разности между ними. При включённном насосе функция возвращает значение более 200 отсчётов, а при выключенном — меньше 10.

График значений функции measureCurrent() в зависимости от времени

Заключение

В итоге получилась довольно простая, надёжная и дешёвая система детектирования включений погружного насоса. Она непрерывно работает уже 7 месяцев и пока не потребовала каких-либо вмешательств.

Сделать свой собственный трансформатор тока оказалось совсем несложно и достаточно интересно. Я постарался максимально подробно изложить здесь полученный при этом опыт. Надеюсь, эта статья позволит кому-нибудь быстрее разобраться в принципах работы трансформатора тока и реализовать свои собственные проекты с использованием этого элемента.

UPD: В комментариях подсказали очень дешёвый вариант готового трансформатора тока — ZMCT103C, судя по характеристикам его вполне можно было бы использовать для решения моей задачи.