Трансформатор тока высокочастотный измерительный

Высокочастотное напряжение измерить легко (диод, конденсатор, индикатор). Это в том случае, когда его есть относительно чего измерять. Ведь напряжение это разность потенциалов между двумя точками.

В приборах проблем с измерением напряжения не возникает. Там есть корпус, относительно которого меряются все напряжения. И провода, идущие от точек измерения до ВЧ-вольтметра обычно столь коротки в λ, что почти не влияют на измеряемую схему.

А вот в антенной технике сложнее. Во-первых, в антеннах часто вообще не бывает земли (например, симметричные антенны). Во-вторых, даже если земля и есть (скажем, GP или диполь с γ-согласованием), то измерительные провода получаются недопустимо длинными (представьте себе как будет выглядеть попытка измерить напряжение в середине GP: ведь от этой точки до основания штыря придется тянуть провод). Они фактически становятся частью антенны, изменяют её работу и распределение напряжения настолько, что точность и ценность таких измерений очень низки.

Для изучения и измерения того, что происходит в антенных проводниках нужен ВЧ-амперметр. Он, в отличие от вольтметра, подключается в одной точке. А, значит, не имеет длинных измерительных проводов, искажающих измерение.

Датчик тока

Основой ВЧ-амперметра является датчик тока. Это специальный ВЧ-трансформатор на кольцевом феррите. Первичной обмоткой этого трансформатора является провод, в котором мы измеряем ток. Вторичная обмотка состоит из нескольких десятков витков, нагруженных на низкоомный резистор.

Показанный на рисунке токовый трансформатор работает так: ток в измеряемом проводе через сердечник наводит ток во вторичной обмотке, который будет меньше в отношение числа витков (т.е. в нашем случае в 20) раз меньше. Этот ток, протекая через нагрузочный резистор, создаст на нём падение ВЧ напряжения. Последнее можно измерить любым ВЧ вольтметром (тут уже есть две точки для измерения — выводы вторичной обмотки): от детекторного диода до анализатора спектра или приёмника.

Коэффициент передачи токового трансформатора в нашем случае будет: U_вых = (I_вх/20)*50 = 2,5I_вх

Сопротивление 50 Ом в качестве нагрузки выбрано не случайно, а для того, чтобы имелась возможность в качестве измерителя ВЧ напряжения использовать приемник или анализатор спектра, чтобы измерять очень маленькие ВЧ токи.

Отношение N числа витков обмоток (т.е. количество витков вторичной обмотки, т.к. первичная всегда имеет один виток) выбрано из компромисным соображений. С одной стороны, чем меньше витков во вторичной обмотке, тем широкополоснее трансформатор. А с другой – чем выше N, тем меньше вносимое в измеряемый провод сопротивление, т.е. меньше влияния нашего трансформатора на измеряемый провод. Вносимое сопротивление равно R/N 2 , т.е. в нашем случае 50/20 2 = 0,125 Ом. То есть, активное входное сопротивление нашего ВЧ-амперметра 0,125 Ом, что достаточно для большинства применений.

Нам требуется измерительный прибором, а не «показометр». Для этого надо чтобы сердечник мог работать в заданной полосе (т.е. быть не слишком низкочастотным) и не насыщаться при значительных токах в измеряемом проводе (т.е. феррит должен быть большим).

Кроме того феррит должен быть распадающимся на две половинки и защелкивающимся. Без этого пользоваться прибором будет почти невозможно: вы же не будет всякий раз продевать начало измеряемого провода (а если там большой разъём?) сквозь сплошной сердечник и двигать последний до точки измерения.

Последнее (по упоминанию, но не по значению) требование к сердечнику токового трансформатора: отверстие должно быть большим, для того, чтобы иметь возможность измерять толстые кабели.

Исходя из вышеизложенного был выбран сердечник 28A3851-0A2 с размерами 30 х 30 х 33 мм и отверстием диаметром 13 мм. Это помехоподавляющий защелкивающийся сердечник из феррита с магнитной проницаемостью около 300 на частоте 25 МГц (скорее всего подойдут и другие, аналогичные по назначению, сердечники, но я их не пробовал).

Мотаем на сердечнике 20 витков тонкого монтажного провода:

Защищаем вторичную обмотку термоусаживающейся трубкой:

Крепим сердечник к небольшой (20. 30 см) диэлектрической штанге с коаксиальным приборным разъемом на нижнем конце. От разъема до вторичной обмотки в штанге проводим тонкий коаксиальный кабель 50 Ом.

Точность измерений

Проверим качество сделанного токового трансформатора. Для этого соберем следующую схему:

Оценим ожидаемый коэффициент передачи. Ток через R1 равен U_вх/R1. Подставляя это вместо I_вх в предыдущую формулу, получим: U_вых = U_вх/20

То есть коэффициент передачи такой цепи будут 1/20 или -26 dB. Это при идеальной работе трансформатора. Сравним это расчетное значение с практикой. Результаты измерений в полосе 0,3 . 30 МГц показаны на следующем рисунке:

Видно, что отличие коэффициента передачи от расчетного составляет менее 0,9 дБ, т.е. трансформатор получился весьма точным измерительным датчиком. И я бы не поручился, что завал АЧХ на ВЧ краю связан со свойствами феррита, а не с реальным падениям тока через трансформатор. Дело в том, что кусочек провода, проходящий через трансформатор имеет ненулевую индуктивность, которая повышает импеданс нагрузки выше 50 Ом, отчего немного растёт КСВ (достигая 1,1 на 30 МГц) и падает ток нагрузки. И очень похоже на то, что падение графика на АЧХ просто показывает правду: ток в моей нагрузке на ВЧ падает.

В любом случае, видно, что точность измерения весьма высока (погрешность менее 1 дБ) от 0,3 до 30 МГц.

Применение

Описанный выше трансформатор тока используется в двух вариантах.

1. Для автономной работы (например, на крыше для изменений тока в антеннах и изучения его распределения или для поиска по каким кабелям радиостанции растекается синфазный ток от передатчика) к трансформатору подключается диодный детектор со входным сопротивлением 50 Ом с переключателем пределов измерений и стелочным прибором. Например, такой:

Резисторы R2. R9 подбираются исходя из чувствительности стрелочного прибора по следующей методике. На R1 (он состоит из двух резисторов 100 Ом\ 2 Вт, включенных параллельно)подается постоянное напряжение (от блока питания) 25 В (соответствует току 10 А) и при помощи R8, R9 устанавливается полное отклонение шкалы (делать это надо быстро, R1 сильно греется). На пределе 3 А то же самое делается при напряжении 7,5 В резисторами R6, R7. На пределе 1 А при напряжении 2,5 В резисторами R4, R5; 0,3 А — 0,75 В резисторами R2, R3.

Получается удобный автономный ВЧ-амперметр, способный измерять почти любые антенны. &quotПочти» потому что сопротивление любого амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления измеряемой цепи.

Поэтому применять данный ВЧ-амперметр в тех местах, где сопротивление ниже нескольких Ом (КЗ шлейфы, магнитные рамки, укороченные антенны) не то чтобы нельзя, но неразумно. Включение амперметра в такие места вызовет заметное изменение тока и истинное его значение вы не узнаете.

2. Для измерений малых токов (например, паразитных синфазных токов помех в различных шнурах и кабелях) к трансформатору подключается 50-ти омный вход приемника или анализатора спектра.

Например, на следующем рисунке показано, что творится в сетевом шнуре удлинителя, в который включены компьютер, монитор и цифровой осциллограф (тоже, в принципе компьютер). Изучается полоса любительского диапазона 160 м от 1,8 до 2,0 МГц:

Такую нерадостную картину дают всего три импульсных блоков питания. Причем это еще хорошие блоки питания, отвечающим нормам на паразитное излучение. Это однако не отменяет того факта, что приему DX они вполне могут мешать.

Источник

Трансформатор тока высокочастотный измерительный

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.

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:

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

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

К 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.

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

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:

Результаты симуляции при к. связи = 1

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.

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

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:

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”

Еще почитать

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

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

Источник