Датчики электрического тока

Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

• Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
• Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

• Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
• Возможность применения трансформаторов;
• Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
• Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
• Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
2. Резистор 1 кОм.
3. Резистор 470 Ом.
4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Видео по теме

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

• низкая стоимость
• малая масса и размеры

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
  • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
  • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
  • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
  • различные выходы
  • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
  • предустановленные скорости
  • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

• ограниченное управление частотой
• высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

Частотные преобразователи: структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице «Контакты» способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты.

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
   • Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
   • Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение u а, u в, u с. Выходное напряжение u вых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT , IG C T, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

Переменное напряжение питающей сети ( uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения ( uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения u и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u d , а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

Перейдите в разделы, приведенные ниже, выберите необходимое оборудование и положите его в корзину. — Преобразователи частоты
— Оборудование для плавного пуска

• ИЗДЕЛИЯ
  • преобразователи частоты (частотные преобразователи, частотники)
    • принцип действия
    • структура частотников
    • выбор преобразователя частоты
    • пример применения преобразователей частоты с насосами
    • пример применения станции управления насосами
    • подбор преобразователя частоты
  • оборудование для плавного пуска и энергосбережения
    • устройства плавного пуска (УПП, плавные пускатели, мягкие пускатели, устройства мягкого пуска, софтстартеры)
      • принцип действия
      • плавный пуск насосов
    • подбор устройств плавного пуска
    • контроллеры ЭнерджиСейвер
      • принцип действия
      • области применения
      • реализованные проекты
      • отзывы
    • контроллеры Powerboss
      • примеры применения

для преобразователей частоты серий ES022, ES024, ES025 и ES026

Подключение фоторезистора к ардуино и работа с датчиком освещенности

Датчики освещенности (освещения), построенные на базе фоторезисторов, довольно часто используются в реальных ардуино проектах. Они относительно просты, не дороги, их легко найти и купить в любом интернет-магазине. Фоторезистор ардуино позволяет контролировать уровень освещенности и реагировать на его изменение. В этой статье мы рассмотрим, что такое фоторезистор, как работает датчик освещенности на его основе, как правильно подключить датчик в платам Arduino.

Фоторезистор ардуино и датчик освещенности

Фоторезистор, как следует из названия, имеет прямое отношение к резисторам, которые часто встречаются практически в любых электронных схемах. Основной характеристикой обычного резистора является величина его сопротивления. От него зависят напряжение и ток, с помощью резистора мы выставляем нужные режимы работы других компонентов. Как правило, значение сопротивления у резистора в одних и тех же условиях эксплуатации практически не меняется.

В отличие от обычного резистора, фоторезистор может менять свое сопротивление в зависимости от уровня окружающего освещения. Это означает, что в электронной схеме будут постоянно меняться параметры, в первую очередь нас интересует напряжение, падающее на фоторезисторе. Фиксируя эти изменения напряжения на аналоговых пинах ардуино, мы можем менять логику работы схемы, создавая тем самым адаптирующиеся под вешние условия устройства.

Фоторезисторы достаточно активно применяются в самых разнообразных системах. Самый распространенный вариант применения — фонари уличного освещения. Если на город опускается ночь или стало пасмурно, то огни включаются автоматически. Можно сделать из фоторезистора экономную лампочку для дома, включающуюся не по расписанию, а в зависимости от освещения. На базе датчика освещенности можно сделать даже охранную систему, которая будет срабатывать сразу после того, как закрытый шкаф или сейф открыли и осветили. Как всегда, сфера применения любых датчиков ардуино ограничена лишь нашей фантазией.

Какие фоторезисторы можно купить в интернет-магазинах

Самый популярный и доступный вариант датчика на рынке – это модели массового выпуска китайских компаний, клоны изделий производителя VT. Там не всегда можно разораться, кто и что именно производит тот или иной поставщик, но для начала работы с фоторезисторами вполне подойдет самый простой вариант.

Начинающему ардуинщику можно посоветовать купить готовый фотомодуль, который выглядит вот так:

На этом модуле уже есть все необходимые элементы для простого подключения фоторезистора к плате ардуино. В некоторых модулях реализована схема с компаратором и доступен цифровой выход и подстроечный резистор для управления.

Российскому радиолюбителю можно посоветовать обратить на российский датчик ФР. Встречающиеся в продаже ФР1-3, ФР1-4 и т.п. — выпускались ещё в союзовские времена. Но, несмотря на это, ФР1-3 – более точная деталь. Из этого следует и разница в цене За ФР просят не более 400 рублей. ФР1-3 будет стоить больше тысячи рублей за штуку.

Маркировка фоторезистора

Современная маркировка моделей, выпускаемых в России, довольно простая. Первые две буквы — ФотоРезистор, цифры после чёрточки обозначают номер разработки. ФР -765 — фоторезистор, разработка 765. Обычно маркируется прямо на корпусе детали

У датчика VT в схеме маркировке указаны диапазон сопротивлений. Например:

• VT83N1 — 12-100кОм (12K – освещенный, 100K – в темноте)
• VT93N2 — 48-500кОм (48K – освещенный, 100K – в темноте).

Иногда для уточнения информации о моделях продавец предоставляет специальный документ от производителя. Кроме параметров работы там же указывается точность детали. У всех моделей диапазон чувствительности расположен в видимой части спектра. Собирая датчик света нужно понимать, что точность срабатывания — понятие условное. Даже у моделей одного производителя, одной партии, одной закупки отличаться она может на 50% и более.

На заводе детали настраиваются на длину волны от красного до зелёного света. Большинство при этом «видит» и инфракрасное излучение. Особо точные детали могут улавливать даже ультрафиолет.

Достоинства и недостатки датчика

Основным недостатком фоторезисторов является чувствительность к спектру. В зависимости от типа падающего света сопротивление может меняется на несколько порядков. К минусам также относится низкая скорость реакции на изменение освещённости. Если свет мигает — датчик не успевает отреагировать. Если же частота изменения довольно велика — резистор вообще перестанет «видеть», что освещённость меняется.

К плюсам можно отнести простоту и доступность. Прямое изменение сопротивления в зависимости от попадающего на неё света позволяет упростить электрическую схему подключения. Сам фоторезистор очень дешев, входит в состав многочисленных наборов и конструкторов ардуино, поэтому доступен практически любому начинающему ардуинщику.

Подключение фоторезистора к ардуино

В проектах arduino фоторезистор используется как датчик освещения. Получая от него информацию, плата может включать или выключать реле, запускать двигатели, отсылать сообщения. Естественно, при этом мы должны правильно подключить датчик.

Схема подключения датчика освещенности к ардуино довольна проста. Если мы используем фоторезистор, то в схеме подключения датчик реализован как делитель напряжения. Одно плечо меняется от уровня освещённости, второе – подаёт напряжение на аналоговый вход. В микросхеме контроллера это напряжение преобразуется в цифровые данные через АЦП. Т.к. сопротивление датчика при попадании на него света уменьшается, то и значение падающего на нем напряжения будет уменьшаться.

В зависимости от того, в каком плече делителя мы поставили фоторезистор, на аналоговый вход будет подаваться или повышенное или уменьшенное напряжение. В том случае, если одна нога фоторезистора подключена к земле, то максимальное значение напряжения будет соответствовать темноте (сопротивление фоторезистора максимальное, почти все напряжение падает на нем), а минимальное – хорошему освещению (сопротивление близко к нулю, напряжение минимальное). Если мы подключим плечо фоторезистора к питанию, то поведение будет противоположным.

Сам монтаж платы не должен вызывать трудностей. Так как фоторезистор не имеет полярности, подключить можно любой стороной, к плате его можно припаять, подсоединить проводами с помощью монтажной платы или использовать обычные клипсы (крокодилы) для соединения. Источником питания в схеме является сам ардуино. Фоторезистор подсоединяется одной ногой к земле, другая подключается к АЦП платы (в нашем примере – АО). К этой же ноге подключаем резистор 10 кОм. Естественно, подключать фоторезистор можно не только на аналоговый пин A0, но и на любой другой.

Несколько слов относительно дополнительного резистора на 10 К. У него в нашей схеме две функции: ограничивать ток в цепи и формировать нужное напряжение в схеме с делителем. Ограничение тока нужно в ситуации, когда полностью освещенный фоторезистор резко уменьшает свое сопротивление. А формирование напряжения – для предсказуемых значений на аналоговом порту. На самом деле для нормальной работы с нашими фоторезисторами хватит и сопротивления 1К.

Меняя значение резистора мы можем “сдвигать” уровень чувствительности в “темную” и “светлую” сторону. Так, 10 К даст быстрое переключение наступления света. В случае 1К датчик света будет более точно определять высокий уровень освещенности.

Если вы используете готовый модуль датчика света, то подключение будет еще более простым. Соединяем выход модуля VCC с разъемом 5В на плате, GND – c землей. Оставшиеся выводы соединяем с разъемами ардуино.

Если на плате представлен цифровой выход, то отправляем его на цифровые пины. Если аналоговый – то на аналоговые. В первом случае мы получим сигнал срабатывания – превышения уровня освещенности (порог срабатывания может быть настроен с помощью резистора подстройки). С аналоговых же пинов мы сможем получать величину напряжения, пропорциональную реальному уровню освещенности.

Пример скетча датчика освещенности на фоторезисторе

Мы подключили схему с фоторезистором к ардуино, убедились, что все сделали правильно. Теперь осталось запрограммировать контроллер.

Написать скетч для датчика освещенности довольно просто. Нам нужно только снять текущее значение напряжения с того аналогового пина, к которому подключен датчик. Делается это с помощью известной нам всем функции analogRead(). Затем мы можем выполнять какие-то действия, в зависимости от уровня освещенности.

Давайте напишем скетч для датчика освещенности, включающего или выключающего светодиод, подключенный по следующей схеме.

Алгоритм работы таков:

• Определяем уровень сигнала с аналогового пина.
• Сравниваем уровень с пороговым значением. Максимально значение будет соответствовать темноте, минимальное – максимальной освещенности. Пороговое значение выберем равное 300.
• Если уровень меньше порогового – темно, нужно включать светодиод.
• Иначе – выключаем светодиод.

Прикрывая фоторезистор (руками или светонепроницаемым предметом), можем наблюдать включение и выключение светодиода. Изменяя в коде пороговый параметр, можем заставлять включать/выключать лампочку при разном уровне освещения.

При монтаже постарайтесь расположить фоторезистор и светодиод максимально далеко друг от друга, чтобы на датчик освещенности попадало меньше света от яркого светодиода.

Датчик освещенности и плавное изменение яркости подсветки

Можно модифицировать проект так, чтобы в зависимости от уровня освещенности менялась яркость светодиода. В алгоритм мы добавим следующие изменения:

• Яркость лампочки будем менять через ШИМ, посылая с помощью analogWrite() на пин со светодиодом значения от 0 до 255.
• Для преобразования цифрового значения уровня освещения от датчика освещенности (от 0 до 1023) в диапазон ШИМ яркости светодиода (от 0 до 255) будем использовать функцию map().

В случае другого способа подключения, при котором сигнал с аналогового порта пропорционален степени освещенности, надо будет дополнительно «обратить» значение, вычитая его из максимального:

Схема датчика освещения на фоторезисторе и реле

Примеры скетча для работы с реле приведены в статье, посвященной программированию реле в ардуино. В данном случае, нам не нужно делать сложных телодвижений: после определения «темноты» мы просто включаем реле, подавай на его пин соответствующее значение.

Заключение

Проекты с применением датчика освещенности на базе фоторезистора достаточно просты и эффектны. Вы можете реализовать множество интересных проектов, при этом стоимость оборудования будет не высока. Подключение фоторезистора осуществляется по схеме делителя напряжения с дополнительным сопротивлением. Датчик подключается к аналоговому порту для измерения различных значений уровня освещенности или к цифровому, если нам важен лишь факт наступления темноты. В скетче мы просто считываем данные с аналогового (или цифрового) порта и принимаем решение, как реагировать на изменения. Будем надеяться, что теперь в ваших проектах появятся и такие вот простейшие «глаза».