Трансформатор тока

Опубликовано в рубрике "Высоковольтное,Источники питания", 1 декабря, 2009.

Иногда нужно узнать – какой ток течет в электрической цепи. Если ток небольшой, для этого можно использовать простой резистор. Если-же ток достигает неприличных величин (к примеру, как в трансформаторах Тесла), приходится искать другие методы измерения. Один из таких методов – использование трансформатора тока.

 image

Что это такое?

Трансформатор тока, для краткости будем называть его ТТ, используется повсеместно. К примеру, в электросчетчиках и на подстанциях. Мы-же будем рассматривать то, как его можно использовать для измерения тока в импульсных источниках питания – сварочных аппаратах, трансформаторах Тесла итп. Стоит сразу обратить внимание, что с помощью ТТ можно измерять только переменный ток, но никак не постоянный!

Итак, ТТ позволяет нам измерять очень большой ток. Чем-же ТТ отличается от обычного трансформатора? А вот ничем! Название придумали из-за области применения и характерной конструкции – катушка на тороидальном сердечнике, через которую пропущен провод.

ТТ преобразует проходящий через него ток в пропорциональное напряжение. К примеру, если через трансформатор проходит 100А, то он выдает 1В, а если проходит 200А, то на выходе мы получим 2В.

 

Основные соотношения

Проделав нехитрые математические выкладки, можно убедиться, что для токов в обмотках ТТ с очень большим коэффициентом трансформации по напряжению и  с короткозамкнутой вторичной обмоткой действует такой закон для тока в обмотках:

image

Для того, чтобы преобразовать ток в напряжение, используют обычный резистор. Типичная схема включения ТТ:

image

Напряжение, падающее на резисторе R, согласно закону Ома, равно E=IR. Таким образом, зависимость выходного напряжения ТТ от тока определяется простым выражением:

imageК примеру, рассмотрим трансформатор Тесла, где через ТТ течет ток в 500А. Если у нас 1 виток в первичной обмотке ( да, просто пропущенный через кольцо провод считается за один виток), а во вторичной обмотке — 1000 витков, то ток во вторичной обмотке окажется равным 0.5А. Если мы возьмем сопротивление R1 = 2ом, то при полном токе на нем будет падать 1вольт.

Просто? Еще-бы!

 

Применения

Раз мы уже знаем, что такое токовый трансформатор, давайте подумаем куда его можно всунуть. Кроме того, что можно измерять большие токи, можно еще строить автогенераторы с обратной связью по току. Практически все DRSSTC являются именно такими. Можно также организовывать защиту от превышения тока, без такой защиты большинство импульсных блоков питания являются ”живыми мертвецами”.

 

Запаздывание по фазе

Для автогенераторного применения важна еще одна характеристика ТТ – задержка сигнала.

Запаздывание сигнала может произойти из-за таких факторов

  • Индукция рассеяния ТТ вместе с выходным резистором образует ФНЧ.
  • Межвитковая емкость в ТТ может стать причиной сдвига фазы.

Для анализа обоих этих ситуация, я набросал простую модель в SWCad’е.

Для предыдущего примера с трансформатором Тесла, возьмем сердечник R25.3 из материала N87 фирмы Epcos. В качестве паразитной емкости, возьмем 1нФ. Не спрашивайте, откуда такая емкость. Мне она кажется значительно большей, чем может возникнуть в любой реальной ситуации. Модель выглядит так:

image

Результаты симуляции при к. связи = 1

image

К. связи = 0.5

image

 

Как видно, отличаются только амплитуды. Сигнала. Никакого запаздывания нет в обоих случаях. Такое поведение сохраняется вплоть до очень высоких частот и до очень маленьких коэффициентов связи. Таким образом, можно сделать вывод, что фаза сигнала практически не зависит от паразитных параметров.

 

Каскадирование токовых трансформаторов

Люди всегда были ленивыми. Некоторым лениво встать из-за компа, а некоторым – мотать тысячи витков в ТТ. Поэтому придумали соединять трансформаторы последовательно. Решение спорное, и поэтому попробуем его проанализировать при помощи того-же симулятора. Включим последовательно два трансформатора на том-же сердечнике с обмоткой по 33 витка на каждом. Замечу, что паразитная емкость в каждом из трансформаторов сильно уменьшилась, что не удивительно.

image

Результаты симуляции очень похожи на одиночный трансформатор. Никакого запаздывания нет. Только амплитуда становится немного менее предсказуемая – она определяется произведением коэффициентов связи в обоих трансформаторах.

image

Вывод – в подавляющем большинстве случаев можно применять несколько ТТ, включенных последовательно.

 

Прямоугольный выходной сигнал

Часто необходимо получить прямоугольный выходной сигнал из синусоиды, выдаваемой ТТ. Конечно, это можно сделать с помощью компаратора, однако быстродействующие компараторы дороги и требуют особых навыков от разработчика. Проще собрать следующую, уже почти ставшую стандартом, схему:

 

 

image

Для чего такие сложности? Стабилитроны – очень медленные устройства. Для повышения быстродействия ограничителя, к ним добавлены диоды Шоттки. Когда напряжение меняет полярность – диоды Шоттки быстро закрываются и не дают стабилитронам испортить сигнал. Такой ограничитель выдает сигнал +-5 вольт. Замечу, что сигнал нужно обязательно ограничивать симметрично, иначе произойдет сдвиг фазы.

Далее идет диодная “вилка” которая защищает вход последующей микросхемы от пробоя отрицательным напряжением.

Диодную вилку нельзя поставить сразу после ТТ, потому, как выбросы из силовой части преобразователя попадут в чувствительные цепи управляющей электроники.

 

Конструкция

Заметьте, что ТТ работает как источник тока, и чем больше витков вы намотаете, тем ближе ТТ будет к идеальному источнику тока и тем точнее будут показания. Также, чем больше витков, тем меньше ток течет через резистор, а значит, уменьшается рассеиваемая на нем мощность. Именно предельная мощность на резисторе обычно является определяющим факторов для количества витков в любительских конструкциях.

Для того, чтобы сделать коэффициент трансформации побольше, первичную обмотку обычно делают всего из одного витка, а во вторичной мотают порядка тысяч.

Проблема насыщения сердечника очень редко проявляется в токовых трансформаторах. Что такое насыщение и как с ним бороться, можно прочитать в статье о GDT.

Чем больше проницаемость сердечника, тем больше к. связи и точнее показания, однако больше становится и паразитная индуктивность, добавляемая в измеряемые цепи. Это часто нежелательно. На практике, в качестве сердечника для ТТ может использоваться практически любой феррит, работающий на необходимой частоте. Для низкочастотных применений используют обычное трансформаторное железо.

В качестве проволоки для вторичной обмотки стоит выбирать проволоку с наибольшим возможным сечением – так уменьшается погрешность измерения.

 

Промышленные ТТ

Естественно, промышленность выпускает громаднейший ассортимент токовых трансформаторов. Они хорошо настроены и могут быть использованы для точных измерений.  Естественно, есть проблемы с доставабельностью в неэпических количествах. К примеру, в киеве, несколько ТТ я видел в магазине “радиомаг”

image

http://www.rcscomponents.kiev.ua/modules.php?name=Asers_Shop&s_op=viewproduct&cid=236

 

Еще почитать

К моему удивлению, материалов по ТТ очень мало. Но википедия, все-же, знает, что это такое.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_тока

Привенение ТТ в электросчетчиках. Там-же описывается немного теории.

http://www.eltranstech.ru/aspect.php




Комментарии
  1. Qic написал(а) 1 декабря, 2009 в 20:09

    Спасибо за статью! Супер!
    Все нужное и понятное! =)

    BSVi Reply:

    Незачто ))

  2. Qic написал(а) 1 декабря, 2009 в 23:10

    Вот бы ещё абзац про создание показометров на ТТ. Былобы вообще супер.
    А то мультиметр может и скрючить от ВЧ…я так думаю
    ЗЫ Сайт кстати супер!

  3. Khaemn написал(а) 28 января, 2010 в 12:42

    Автор! Огромное спасибо за статью. Никак не мог раздуплиться с этими чёртовыми ТТ, а очень нужно было. Спасибо :) пиши ещё

  4. qic написал(а) 27 июня, 2010 в 19:44

    Привет!
    Такой вопрос — а нельзя ли ТТ мотать на Ш сердечнике с последующим пропусканиме провода первички через оба окна? (покругу)

    BSVi Reply:

    Можно мотать только как обычный трансформатор — на центральном керне.

    qic Reply:

    Ну само собой — на центральном вторичная обмотка — а порвичка пропущена в оба окна входя и выходя с одной стороны (с другой стороны дуга) . Пойдет?

    BSVi Reply:

    Пойдет. Только коэфициент передачи такого ТТ будет неизвестен без калибровки.

  5. qic написал(а) 8 марта, 2011 в 20:43

    Доброго времени суток.
    Снова я =)
    Сделал токовый трансформатор, каскадный.
    1к25к40 витков. т.е. 1000 коэф. трансформации.
    Взял резистор 100 Ом. чтобя при 100А было 10В.
    Видимо большой резистор — согласно показаниям стрелочного прибора — силовая должна аннигилировать.
    Есть такое — нужен достаточно малый шунт?

    BSVi Reply:

    Конечно, нужен малый шунт. Ведь, если шунт большой трансформатор тока становится трансформатором напряжения. Обычно используют резистор порядка единиц ом.

    qic Reply:

    Поставил 10Ом. Чтобы на 100А был 1В.
    Всеравно показания лунные. Если меньше мне уже нечем такое смотреть.

    anatoley Reply:

    Тр.тока отличается от Тр.напряжения независимо от нагрузки.
    Сдвиг фаз между вторичным и первичным напряжением 90 град. у ТТ. и 180 град у ТН. при любой активной нагрузки.

  6. Misha25 написал(а) 22 июня, 2011 в 1:00

    Спасибо за статью. Теперь все понял.

  7. koliakrasnoff написал(а) 1 декабря, 2011 в 12:48

    Статья лучше чем во многих хвалёных книгах — всё кратко и по делу!

    Не подскажете, а высокочастотный ток (300 КГц) трансформатором тока мерить можно? Например снимая напряжение с резистора осциллографом?

    BSVi Reply:

    Естественно.

  8. koliakrasnoff написал(а) 1 декабря, 2011 в 13:02

    … и не будет ли большое число витков вторички (сотни штук) оказывать при этом слишком большое индуктивное сопротивление, будет ли во вторичке при этом хоть какой-нибудь ток?

    BSVi Reply:

    Вторичка будет оказывать сопротивление равное сопротивлению нагрузки деленному на коэффициент трансформации.

    К примеру, если нагрузка — 10 ом, а к. трансформации — 1000, то певичка увидит сопротивление в 10мОм. Индуктивность вторички не влияет на это.

    Во вторичке будет ток, если к ней будет подключена нагрузка и ток будет течь через первичку.

  9. koliakrasnoff написал(а) 1 декабря, 2011 в 17:16

    BSVi, но ведь ток во вторичке будет зависеть от резистора , и уже не будет обратно пропорционален числу витков трансформатора ?
    Или при очень большом коэффициенте трансформации всё же будет?

    BSVi Reply:

    >Или при очень большом коэффициенте трансформации всё же будет?
    Именно так. если резистор очень большой, то это уже не трансформатор тока, а трансформатор напряжения.

  10. ikorsa написал(а) 15 февраля, 2012 в 22:20

    Очень кстати Ваша статья- спасибо, но хотелось бы получить ответ как подключть
    вторичную обмотку ТТ например ТТИ-А 100.5 А к аналоговому входу микропроцессора например Arduino. Я очень боюсь всего что больше 12 Вольт :)
    Нужно ли делать опто развязку или просто поставить сопротивление 1 ом ( кстати какой мощности) и мерить напряжение от 0 до 5 вольт ?
    Заранее спасибо

    BSVi Reply:

    Трансфрматор — сам по себе развязка. Нужно нагрузить его на резистор, поставить ограничительные диоды или супрессоры для защиты и можно подключать к контроллеру.

    ikorsa Reply:

    Вы сами не подключали ?

    BSVi Reply:

    К авр — нет :)

    ikorsa Reply:

    входы ADC практически все одинаковы

    можно — любую схемы вулючения вторичной обмотки ТТ ТТИ-А 100/5 A к ADC

    Просто ОЧЕНЬ боюсь :) силы тока!!

    Мой эксперимент будет такой взять лампочку 100 ВТ подключить ее через ТТ а вторичную обмотку нагрузить сопротивлением 10 ВТ 0.1 ОМ — И2 заземлить

    и померить напряжение.

    сила тока в первичной должна быть 0.46 А

    BSVi Reply:

    Ну, вот, к примеру: http://www.ti.com/lit/an/slaa391/slaa391.pdf, хотя можно и попроще:
    http://www.compendiumarcana.com/forumpics/current_transformer.png

  11. ikorsa написал(а) 19 февраля, 2012 в 14:52

    Спасибо — буду пробовать

    С какого нагрузочного сопротивления нужно начать ? при ТТИ-А 100/5 A ->
    мне нужен диапазон 0- 5 Вольт

  12. Geodx написал(а) 30 января, 2013 в 11:41

    Здравствуйте Эмбеддер, подскажите пожалуйста. А какое принципиальное преимущество у трансформатора тока перед обычным шунтом (ну кроме того, что провод для врезки шунта в этом случае резать не нужно?

    Ведь промышленностью выпускаются образцовые сопротивления на доли ома и с большим сечением и теплорассеянием, которым даже большой ток не страшен, и на которых падение напряжения (и соответственно точность измерения) достаточно стабильно.

    BSVi Reply:

    Кроме того, что шутны вносят сопротивления, они еще и выдают сигнал в милливольты. Его усилить в условиях сильных помех очень сложно. Кроме того, есть гальваническая связь с измеряемой цепью, что очень плохо в общем, а при напряжениях в сотни киловольт может стать вообще непреодолимым препятствием.

    Geodx Reply:

    Спасибо огромное :)))

  13. Geodx написал(а) 4 февраля, 2013 в 17:54

    Гы, нашел очень серьёзный недостаток трансформатора тока. Им можно измерять только симметричный переменный сигнал. Смещенный или пульсирующий ток уже не измерить — феррит насыщается, намагничивается и перестает пропускать сигнал на вторичную обмотку.

    Ну можно конечно что-то придумать. Резисторы там поставить, диоды, размагничивающие цепи, но это же такая возня…

    Измерение постоянного тока естественно тоже отпадает.

    Rjuh Reply:

    Катушка Роговского — для ФРОНТОВ импульсов переменной скважности.
    А для измерения пост.тока — юзай принципы магнитного усилителя…

  14. Rjuh написал(а) 20 февраля, 2013 в 7:16

    то BSVi : Спасибо за статью — достаточно детализовано и доступно разъяснено !
    Но — на «твёрдую 4-ку». Чего не достаёт до 5-ки или «дипломной» ?
    1) На 4-м рисунке (с шотками) — нет Rезистора нагрузки ТТ —> школота замаЕт :(
    2) На схеме каскадирования — С1 должен быть параллельно L4 (т.к. R2-сопротивление провода обмотки L2), и образуется фильтр ВЧ. Часто — резонирующий ФВЧ ! —> А это всегда нехорошо ! :(( .
    3) Нет «правил» выбора Rнагр. ТТ —> «мучайся, разработчик ! »
    4) Определитесь уже со сдвигом ФАЗ между первичным ТОКОМ и НАПРЯЖЕНИЕМ на Rнагр.: то ли +/- 90, то ли 0/180 градусов ? А может С.Ф. зависит от Rнагр.???
    5) Неверен расчёт «виртуального» сопротивления : оно пропорционально КВАДРАТУ коэфф.трансформации.
    6) Вообще нигде не сказано о «пределах точности» сигнала с ТТ на ферро-сердечниках. А они ограничены гистерезизом и насыщением материала.
    7) Также нет ни слова об альтернативе ТТ — «катушке Роговского».

    Срочно исправляйте и отсылайте в WIKI ! :))

  15. wxthplvl65 написал(а) 4 апреля, 2013 в 18:02

    Добрый день Сергей! Разрешите вопрос.
    Я намотал ТТ 60 витков, замкнул на 6 ом. Через ТТ пропущен провод (1 виток). Показания получаются 1 вольт на 10 ампер тока.
    Высокочастотный сигнал 200 кГц меряет хорошо (на осциллографе видна синусоида), но сетевые 50 Гц меряет как-то странно. Вместо синусоиды — нуль и короткие всплески в моменты прохождения сетевого напряжения максимума. Это из-за чего так? Сечения магнитопровода что ли не хватает? Или он сигнал искажает? (сердечник — кольцо ферритовое 32x20x6 M2500HMC. Ток максимальный — 40 ампер).

  16. super_bum написал(а) 22 марта, 2014 в 23:05

    А можно ли снимать показания стрелочным вольтметром, если последовательно к нему поставить диод шоттки и конденсатор параллельно?

Создать новую ветку комментариев


Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.