ZMPT101B — это измерительный трансформатор (ИТ), который применяется как датчик переменного напряжения промышленной частоты (50 Гц). Особенностями данного компонента являются малые габариты, невысокая стоимость, простата использования и широкий диапазон измеряемой величины, что делает его отличным вариантом для построения гальванически развязанных измерительных систем.
Датчик обладает следующими характеристиками:
— диапазон измеряемого переменного напряжения (50 Гц): 0…1000 В;
— напряжение изоляции: 4000 В;
— соотношение витков первичной и вторичной обмоток: 1000/1000;
— номинальный ток для первичной и вторичной обмоток: 2 мА;
— нелинейность характеристики: не хуже 0,2 % в диапазоне измерений (20…120) % от максимального значения (1000 В);
— отклонение фазового угла между входным и выходным сигналами: не более 20̊.
— габариты: 50 × 19 × 23 мм;
— вес: 25 грамм;
— диапазон рабочих температур: от -40 ̊C до +60 ̊C.
Так как количество витков в первичной и вторичной обмотках одинаково, то нет разницы, какая пара контактов будет по факту являться первичной, а какая — вторичной. Важно не ошибиться в цоколёвке компонента, схематичное изображение которой представлено ниже:
Как видно на чертеже, каждая обмотка располагаются параллельно коротким граням прямоугольного основания. То есть они располагаются по боками от надписи, если смотреть на корпус сверху со стороны маркировки:
СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
На рисунке 3 представлена стандартная схема включения:
Для корректной и безопасной работы данного трансформатора входное напряжение Uвх, которое измеряется, необходимо прикладывать к первичной обмотке через токоограничивающий резистор R1. Выходное напряжение Uвых следует снимать с нагрузочного резистора R2, который подключается параллельно к выводам вторичной. Номиналы компонентов R1 и R2 следует подбирать так, чтобы величина тока, протекающего через обмотки, не превышала 2 мА. Трансформатор способен пропускать и 10 мА, но при значениях выше 2 мА нелинейность передаточной характеристика существенно возрастает.
Также в справочной документации от производителя можно встретить схему включения датчика для активной регистрации выходного сигнала:
Данное схемотехническое решение предполагает подключение ко вторичной обмотке микросхемы операционного усилителя DA1, которая работает в режиме инвертирующего усилителя. По факту данная схема работает как повторитель, но со смещением нулевого уровня сигнала до значения половины питания операционника. Такой подход очень удобен для работы с однополярными аналого-цифровыми преобразователями, встроенными в микроконтроллеры.
Вне зависимости от схемы включения, уровень выходного сигнала (на вторичной обмотке) Uвых определяется по следующей формуле:
где Uвх — напряжение, прикладываемое на вход;
Uвых — выходное напряжение датчика (на вторичной обмотке);
R1 — токоограничивающий резистор по входу;
R2 — нагрузочный резистор на выходе.
Токоограничивающий резистор R1 рассчитывается по формуле:
где Uвх — номинальное входное напряжение;
I — номинальный рабочий ток (сопротивление первичной обмотки можно не учитывать).
Как уже было отмечено выше, рассматриваемый датчик обычно работает при номинальном токе 1–2 мА.
При Uвх ≤ 100 В обычно выбирают рабочий ток I = 2 мА. При Uвх ≥ 220 В несколько снижают величину тока в диапазоне от 1 до 1,5 мА.
Рассмотрим примеры расчёта номинала токоограничивающего резистора R1 и величины мощности рассеивания:
При Uвх = 100 В и I = 2 мА:
При Uвх = 220 В и I = 1,1 мА:
Для уменьшения влияния саморазогрева токоограничивающего резистора (за счёт протекания тока) на точность преобразования, рекомендуется выбирать компонент с номинальной мощностью рассеивания в 4 раза больше расчётной, а также с низким температурным коэффициентом сопротивления. Для выше приведённых расчётов можно использовать компоненты с номинальной мощностью рассеивания 1 Вт.
Нагрузочный резистор R2 определяется по следующей формуле:
где Uвых — максимальное среднеквадратичное выходное напряжение (RMS);
Uвх — величина входного воздействия.
Например, если ожидаемый максимальный уровень выходного сигнала Uвых = 3 В, величина входного воздействия Uвх=100 В, а сопротивление токоограничивающего резистора R1 будет иметь величину 50 кОм, то нагрузочный резистор R2 будет иметь следующее сопротивление:
МОДУЛЬ ДАТЧИКА ZMPT101B
При поиске в Интернете информации о ZMPT101B довольно часто можно встретить этот компонент в составе готового модуля с обвязкой.
Модуль включается в себя сам трансформатор с базовой обвязкой (токоограничивающий и нагрузочный резисторы), а также схему смещения и усилителя на базе микросхемы операционного усилителя LM358. Входное напряжение прикладывается через разъём с винтовыми зажимами (на фото разъём зелёного цвета). Также имеется «гребёнка» из 4 штыревых контактов: питание VCC (рекомендовано +3,3 В или +5 В для работы с микроконтроллером), аналоговый выход OUT и два контакта GND (один — как общий провод питания, а другой — общий провод, относительного которого снимается выходной сигнал). Рассмотрим более подробно схему модуля (см. рис.6).
Индикация питания модуль осуществляется светодиодом VD1.
Входной токоограничивающий резистор R12 равен 820 кОм, а нагрузочный R11 — 100 Ом. Несмотря на то, что ИТ способен измерять до 1000 В, модуль рекомендуется применять для измерений переменки с максимальным среднеквадратичным значением 300 В. Такое ограничение обусловлено тем, что мощность рассеивания резистора, применённого в модуле, не более 0,25 Вт. Этого недостаточно для безопасной работы с 300 В и более.
Выходной сигнал трансформаторного датчика T1, снимаемый с нагрузочного резистора R11, проходит через разделительный конденсатор C2, который отсекает постоянную составляющую из выходного сигнала.
Далее переменная составляющая полезного сигнала проходит две стадии обработки: усиление и смещение уровня ноля. Для этого используется микросхема сдвоенного операционного усилителя LM358 (см. рис. 7).
Для удобства анализа на схеме операционный усилитель разделён на две части: Часть DA1.1 микросхемы LM358 отвечает за усиление сигнала, а часть DA1.2 — за смещение нулевого уровня.
Подстроечный резистор R5 регулирует коэффициент усиления, что необходимо для процесса калибровки модуля перед эксплуатацией. Усиленный сигнал через разделительный конденсатор C4 поступает на схему смещения ноля.
Уровень ноля определяется резисторами R4 и R7, которые образуют резистивный делитель. Так как их номиналы одинаковы, то уровень сигнала на выходе этого делителя равно половине питания, и, соответственно, уровень ноля смещается до этой величины. Если питание равно +5 В, то нулевой уровень, относительно которого будет регистрироваться синусоидальный сигнал, будет соответствовать +2,5 В. Это очень удобно при работе со встроенными однополярными аналого-цифровыми преобразователями в микроконтроллерах.
Проведём практический эксперимент с модулем. Воспользуемся лабораторным автотрансформатором (ЛАТР) в качестве источника переменного напряжения, уровень которого будем контролировать мультиметром. Для регистрации сигнал на выходе модуля применим осциллограф.
В процессе эксперимента будем поэтапно повышать входное напряжение (среднеквадратичное, действующее значение) и смотреть выходной сигнал, измеряя его амплитудное значение. По амплитудному значению будем рассчитывать действующее значение, деля на корень из 2 (примерно 1,41). Фотография экспериментальной схемы для исследования датчика представлена ниже:
На входе около 0 В. Как видно на фото ниже, уровень ноля выходного сигнала соответствует приблизительно 2,36 В, что равно половине уровня питания (фактическое питания модуля 4,7 В).
Uвх = 25 В (показания на мультиметре). На осциллограмме курсорами измерено амплитудное значение выходного напряжения, которое равно Uвых=180 мВ, что соответствует действующему значению 127 мВ.
Uвх=50 В, амплитудное Uвых=300 мВ, среднеквадратичное Uвых=212 мВ:
Uвх=100 В, амплитудное Uвых=580 мВ, среднеквадратичное Uвых=410 мВ:
Uвх=150 В, амплитудное Uвых=860 мВ, среднеквадратичное Uвых=608 мВ:
Uвх=200 В, амплитудное Uвых=1,12 В, среднеквадратичное Uвых=792 мВ:
Uвх=220 В, амплитудное Uвых=1,24 В, среднеквадратичное Uвых=876 мВ:
Попробуем подать на вход 300 В:
На осциллограмме видно, что форма синусоиды несколько исказилась: часть вершины положительной полуволны обрезана по уровню 3,7 В. Это обусловлено тем, что коэффициент усиления слишком большой, и при таком случае имеющегося уровня питания микросхемы недостаточно, чтобы на выходе усилителя сигнал регистрировался с полным размахом амплитуд. Поэтому необходимо скорректировать коэффициент усиления, подрегулировав сопротивление подстроечного резистора R5 (см. рис. 6).
Необходимо подкорректировать сопротивление так, чтобы форма синусоиды была без искажений:
Чтобы удостовериться в линейности преобразования, построим калибровочную характеристику по полученным данным:
Учитывая погрешности измерений мультиметра и осциллографа, результат калибровки показывает удовлетворительную линейность преобразования напряжения.