Датчики тока и напряжения компании «ИДМ-ПЛЮС»

А.А. Обеднин, А.Е. Тимофеев,

Е. В. Стахин, исполнительный директор,

компания «ИДМ-ПЛЮС», г. Зеленоград, Москва, РФ

В статье представлены датчики тока и напряжения, разработанные и серийно выпускаемые российской компанией «ИДМ-ПЛЮС». Приборы построены на базе интегральных микросхем собственной разработки и произведены компанией. Рассматриваются ключевые особенности и технические характеристики датчиков тока и напряжения различных типов.

«ИДМ-ПЛЮС» – российский производитель микросхем

Из всех замещающих импорт товаров наибольший скептицизм у широкой общественности, пожалуй, вызывают микросхемы. Тем не менее, с радостью отмечаем, что выпускающие их предприятия у нас есть. Компания «ИДМ-ПЛЮС» из Зеленограда, которая была создана в 2004 го­ду при поддержке Института высоких технологий НИУ МИЭТ, специализируется на их разработке и производстве, а также на создании датчиков и других электронных устройств, в состав которых эти микросхемы входят.

Например, разработанная микросхема датчика магнитного по­ля К5331НХ011 (полный аналог Honeywell SS495A) входит в состав датчиков тока серий ДТК и ДМПК, а микросхема К5331НН015 – в состав датчиков то­ка серии ДТМ. В настоящее время разрабатывается микросхема трехосевого датчика магнитного по­ля К5331ЧП01 (аналог Infineon TLV493D-A1B6), предназначенная для интеллектуальных приборов учета электроэнергии, а также ряд микросхем с интегрированными чувствительными элементами для использования в малогабаритных датчиках тока.

Производство перечисленных датчиков то­ка и напряжения – одно из ключевых направлений деятельности компании «ИДМ-ПЛЮС». Рассмотрим их особенности и технические характеристики.

Датчики компании «ИДМ-ПЛЮС»

Компания «ИДМ-ПЛЮС» предлагает своим заказчикам самые востребованные ти­пы датчиков то­ка и напряжения, которые могут применяться в военной технике, железнодорожном транспорте, авиации и на производстве, а также способны заменить многие аналогичные изделия зарубежных производителей.

Основу линейки составляют датчики то­ка компенсационного типа (close loop) с гальванической развязкой от токоведущей це­пи серии ДТК (рис. 1), позволяющие измерять си­лу постоянного и переменного (до 50 кГц) то­ка в обоих направлениях без разрыва це­пи до 700 Ампер. Датчики изготавливаются в металлических корпусах, в которых предусмотрена возможность жесткого крепления на посадочное место винтами ли­бо фиксация гайкой. Доступные типономиналы датчиков: ±50 (аналог LEM LA 55‑P/SP43), ±100, ±125 (аналог LEM LA 125‑P/SP15), ±150, ±400 и ±700 А. Напряжение питания датчиков – двухполярное ±15 Вольт, выходной интерфейс – аналоговый токовый со значениями от ±25 до ±100 микроампер в зависимости от ти­па датчика. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±1 процента в нормальных климатических условиях.

Рис. 1. Датчики тока серии ДТК: ДТК-50А, ДТК-125, ДТК-150М, ДТК-400М (слева направо)

Аналогичный принцип компенсации (close loop) реализован в датчике напряжения ДНК (рис. 2), аналоге LEM LV25‑P/SP5, рассчитанном на работу с входным резистором для достижения номинального входного то­ка 10 микроампер при максимальном измеряемом напряжении. ДНК позволяет измерять постоянное и переменное (до 25 кГц) напряжение обеих полярностей с максимальным значением 600 Вольт. Выходной интерфейс – аналоговый токовый с максимальным значением 25 мА. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±1,5 процента в нормальных климатических условиях.

Рис. 2. Датчик напряжения серии ДНК

Датчики тока прямого усиления с концентратором (open loop) серии ДМПК (рис. 3) позволяют измерять силу постоянного и переменного то­ка в обоих направлениях без разрыва це­пи до 300 А. Датчики изготавливаются в металлических ли­бо пластиковых корпусах, в которых предусмотрена возможность жесткого крепления на посадочное место винтами. Доступные типономиналы датчиков: ±100, ±200, ±300 А. Напряжение питания составляет 5,0 ± 0,5 Вольт, выходной интерфейс – аналоговый ратиометрический. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±2 процента в нормальных климатических условиях.

Рис. 3. Датчик тока серии ДМПК

Приборы серии ДТМ (рис. 4), которые устанавливаются в разрыв це­пи и позволяют измерять силу постоянного и переменного то­ка обоих направлений величиной до 200 А, в свое время стали первым типом датчиков, выпущенных компанией. Они имеют встроенную токовую ши­ну сопротивлением менее 3 мОм, изготавливаются в пластиковых корпусах и устанавливаются на плату с последующей распайкой выводов. Типономиналы: ±5, ±10, ±35, ±50, ±70, ±200 А; напряжение питания – 5 ± 0,5 В; выходной интерфейс – аналоговый ратиометрический. Значение основной, приведенной к верхней границе диапазона погрешности – не более ±4 % в нормальных климатических условиях.

Рис. 4. Датчики тока серии ДТМ

Далее речь идет о ключевой области применения указанных типов датчиков, принципах их работы и технических характеристиках.

Датчики тока серии ДМПК

Области применения:

— системы управления электродвигателями постоянного и переменного тока;

— источники питания;

— защитные устройства автоматики;

— аккумуляторные батареи.

Принцип работы датчика основан на преобразовании магнитного поля в выходное напряжение. Встроенный магнитопровод концентрирует магнитный поток, а микросхема датчика магнитного по­ля, расположенная в зазоре, преобразует магнитную индукцию в выходное напряжение, которое затем усиливается для получения требуемого размаха. Таким образом, выходное напряжение изменяется пропорционально си­ле протекающего то­ка в проводнике. Достоинства датчика такого ти­па: небольшие габаритные размеры, легкий вес, низкое энергопотребление, гальваническая развязка.

При подаче напряжения питания U_cc и отсутствии то­ка в проводнике выходное напряжение ДМПК устанавливается равным U_cc/2. Если направление то­ка в проводнике совпадает с положительной полярностью датчика, то выходное напряжение будет пропорционально увеличиваться с крутизной 22, 11 и 7,3 мВ/А (в зависимости от ти­па датчика, при U_cc = 5 В). Поскольку датчик имеет потенциальный выход, ток потребления составляет не более 15 мА. При эксплуатации датчика в температурном диапазоне нужно учитывать дополнительную, приведенную к верхнему значению диапазона погрешность датчика ±2,5 %.

Датчики тока и напряжения серии ДТК и ДНК

Области применения:

— системы управления электродвигателями постоянного и переменного тока;

— источники питания;

— защитные устройства автоматики;

— аккумуляторные батареи.

Принцип работы датчика ДТК похож на ДМПК, но имеет несколько ключевых особенностей. Во‑первых, это наличие компенсационной обмотки, которая создает компенсирующий магнитный поток. Во‑вторых, выходным сигналом датчика является ток, протекающий через нагрузочный резистор. Величина выходного то­ка меньше измеряемого то­ка в проводнике, коэффициент пропорциональности определяется числом витков в компенсирующей обмотке. Таким образом, основные преимущества датчиков данного ти­па состоят в широком частотном диапазоне, низком температурном дрейфе характеристик, высокой точности.

На аналогичном принципе построен датчик напряжения ДНК, который имеет встроенную первичную обмотку и подключается к измеряемой це­пи через внешний ограничивающий резистор.

При подаче двухполярного напряжения питания ±15 В и отсутствии измеряемого то­ка в проводнике через нагрузочный резистор протекает начальный выходной ток в пределах ±0,25 мА. Потребление датчика ДТК в режиме покоя составляет не более 25 мА. С увеличением измеряемого то­ка положительной полярности пропорционально увеличивается и выходной ток (напряжение на нагрузочном резисторе). Номинал нагрузочного резистора потребитель выбирает, исходя из входного размаха схемы обработки. Поскольку датчик имеет токовый выход, максимальный ток потребления зависит от исполнения ДТК. Также от исполнения зависит и основная, приведенная к верхнему значению диапазона погрешность датчика, которая не превышает ±1 %. При эксплуатации датчика в температурном диапазоне нужно учитывать величину температурного дрейфа начального выходного то­ка, которая составляет не более ±1 мА.

При работе с датчиком напряжения ДНК необходимо рассчитать значение внешнего ограничивающего резистора как отношение максимального измеряемого напряжения к номинальному входному то­ку 10 мА. По электрическим параметрам имеются отличия в основной, приведенной к верхнему значению диапазона погрешности датчика, которая не превышает ±1,5 %, начальном выходном то­ке ±0,37 мА и его температурном дрейфе, который составляет не более ±1,5 мА. Остальные аспекты применения ДНК аналогичны ДТК.

Датчики тока серии ДТМ

Области применения:

— системы управления электродвигателями постоянного и переменного тока;

— источники питания;

— защитные устройства автоматики;

— аккумуляторные батареи.

Принцип работы датчика основан на преобразовании магнитного по­ля в выходное напряжение, цифровой код или ШИМ-сигнал (в зависимости от исполнения). Измеряемый ток в проводнике создает магнитный поток, а микросхема К5331НН015 и чувствительные элементы преобразуют магнитную индукцию в выходное напряжение (цифровой код), которое затем усиливается для получения требуемого размаха. Таким образом, выходное напряжение (цифровой код) изменяется пропорционально си­ле протекающего то­ка в проводнике. Достоинства датчиков то­ка серии ДТМ: небольшие габаритные размеры, легкий вес, низкое энергопотребление, гальваническая развязка, возможность установки на плату, наличие цифровых интерфейсов.

При подаче напряжения питания U_cc и отсутствии то­ка в проводнике выходное напряжение ДТМ устанавливается равным U_cc/2 или 2048 емр (для цифрового выхода). Если направление то­ка в проводнике совпадает с положительной полярностью датчика, то выходное напряжение будет пропорционально увеличиваться с крутизной 45 мВ/А или 35 емр/А (для ДТМ‑50 при U_cc = 5 В). Поскольку датчик имеет потенциальный выход, ток потребления составляет не более 25 мА. При эксплуатации датчика нужно учитывать влияние внешних магнитных полей, напряженность которых не должна превышать значения 0,37 кА/м.

Таким образом, продукция компании «ИДМ-ПЛЮС» подходит для большинства типовых применений. Компания постоянно расширяет номенклатуру датчиков, ее инженеры работают над улучшением характеристик и расширением сфер возможных применений датчиков, а также осуществляют техническую поддержку поставляемой продукции. При отсутствии в ассортименте датчиков с необходимыми техническими параметрами специалисты компании могут разработать и изготовить прибор по техническому заданию.

Литература

1.А. Кашканов. Датчики и микроконтроллеры. Часть 3. Измеряем ток и напряжение // Habr: [сайт]. 2015. URL: https://habr.com/ru/post/260639/ (дата обращения: 30.03.2022).

По материалам журнала «ИСУП»