SCT-013 — это семейство датчиков тока (ДТ) трансформаторного типа (трансформатор тока — ТТ), которые позволяют измерять переменный ток в диапазоне частот (50…1000) Гц. Особенностью данных устройств является то, что при работе с ними нет необходимости устанавливать их в разрыв исследуемой цепи, поскольку сам модуль ДТ конструктивно выполнен в виде клещей. Датчики такого типа называются неинвазивными. В англоязычной среде неинвазивные ТТ называют split core current transformer (ТТ с разделенным сердечником).
Описание, параметры и характеристики
Конструктивно магнитопровод (сердечник) неинвазивных ТТ является разборным. Он состоит из двух частей, благодаря чему для замера электрического тока (ЭТ) в сильноточной цепи достаточно просто «закусить» провод. В замкнутом состоянии части ферритового сердечника плотно прилегают друг к другу, за счёт чего магнитный поток без потерь проходит через магнитопровод.
SCT-013 — это целое семейство устройств, отличающихся диапазоном измерений, типом выходного сигнала и выходным интерфейсом. В Интернете чаще всего попадаются преобразователи с маркировкой торговой марки YHDC. Однако встречаются и «аналоги» под некой маркой YHDO:
Существует несколько вариантов документации к ДТ рассматриваемого семейства, и в одном из вариантов datasheet’а представлен перечень моделей (см. таблица 1).
Таблица 1 — Модельный ряд серии SCT-013
Как видно из таблицы, в семейство входит 10 моделей, отличающихся диапазоном измерений: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 60 и 100 А. При этом только одна модель имеет токовый выход: SCT-013-000 (без индекса V на конце). У всех остальных моделей на выходе напряжение.
У сенсоров с токовым выходом на вторичной обмотке протекает ЭТ, сила которого изменяется пропорционально току в исследуемой цепи (в первичной обмотке). Для измерения этой величины необходимо замкнуть вторичную обмотку при помощи токоизмерительного шунта в виде резистора. В соответствии с документацией, модуль SCT-013-000 способен измерять (0…100) А, при этом выходной сигнал соответствующим образом изменяется от 0 до 50 миллиампер.
К примеру, если выход ДТ замкнуть при помощи резистора с номинальным сопротивлением 10 Ом, а по первичной обмотке будет протекать 100 А, то на вторичной обмотке, соответственно, будет течь 50 мА через резистор 10 Ом. Таким образом, в соответствии с законом Ома, на резисторе будет падать 0,5 В. В данном случае 0,5 В соответствует 100 А, поэтому получаем калибровочный коэффициент 100 / 0,5 = 200.
Как было сказано выше, большинство ДТ рассматриваемого семейства выдают (0…1) В. Под таблицей 1 есть пометка, которая гласит, что сенсоры, имеющие сигнал в виде напряжения, уже обладают встроенным нагрузочным резистором. А датчик с токовым выходом имеет встроенный защитный диод (супрессор, TVS) для защиты от перенапряжений. В документации от производителя этот момент указан в виде наглядной схемы:
В другом варианте документации представлена таблица с более широким модельным рядом (см. таблица 2).
Таблица 2 — Модельный ряд (расширенный) сенсоров серии SCT-013
Как видно из таблицы 2, существуют модели с разными встроенными нагрузочными резисторами: у одних Uвых равно (0…0,333) В, у других — (0…1) В. Также в таблице есть информация, что для преобразователя с токовым выходом нагрузочный резистор имеет сопротивление 10 Ом и соотношение витков 1:2000 (соотношение количества витков в первичной обмотке к количеству витков во вторичной обмотке).
Что касается интерфейса, то также существуют преобразователи со встроенными разъёмами типа RJ-11 или RJ-45:
Эксперимент
В данной статье рассмотрим на практике ДТ модели SCT-013-000V (на конце индекс V — означает «voltage») с диапазоном измерений от 0 до 100 А и выходным сигналом от 0 до 1 В:
Используемый в экспериментах преобразователь имеет интерфейс в виде трёхжильного кабеля с разъёмом типа mini-jack 3,5 мм:
Разъём mini-jack 3,5 мм имеет три контакта. При этом задействованы только два крайних контакта, а центральный — свободен. Если ориентироваться на рисунок распиновки разъёма mini-jack, то выход сенсора выведен на пины «№1 Левый» и «№3 Общий».
Для проверки работы ДТ соберём макет, принципиальная схема которого представлена ниже:
В качестве силового источника применим промышленный трансформатор тока ТТ1 с коэффициентом преобразования 600А/1V. Грубо говоря, в эксперименте ТТ1 будет работать наоборот.
На вторичную обмотку ТТ1 будет подаваться сетевое переменное напряжение через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) Т1. При этом в качестве первичной обмотки будет использоваться многожильный медный провод длиной примерно 0,5 метра и с площадью сечения около 10 мм² (исходя из условия, что провод с площадью сечения 1 мм² способен длительно пропускать через себя 10 А). Тут важно отметить, что ко вторичной обмотке используемого ТТ1 позволительно прикладывать не более 100 В (ограничение из-за изоляции обмотки). В нашем эксперименте будем прикладывать с ЛАТРа не более 70 В.
В экспериментальной схеме первичная обмотка ТТ1, который выполняет роль силового источника, замкнута, и представляет собой один виток. Но провод замыкается сам на себя через токоизмерительный шунт R1 (модель 75ШСМ.М3-100-0,5), который применим как один из двух эталонных каналов измерения ЭТ (падение напряжения на шунте измеряется посредством мультиметра).
Вторым эталонным каналом измерения будут выступать токоизмерительные клещи (на схеме обозначены как TT2) UNI-T модели UT201+. В диапазоне от 0 до 40 А точность измерений ±2 %.
Аналогично клещам на провод устанавливается исследуемый ДТ SCT-013-000V. Сигнал на его выходе будем регистрировать посредством осциллографа, измеряя среднеквадратичное (эффективное, действующее, RMS) значение напряжения.
Ниже представлена фотография собранного макета для эксперимента:
Выполним калибровку, ориентируясь на токовые клещи:
— ток 5 А, напряжение на выходе исследуемого ДТ 0,057 В (показания осциллографа в верхнем правом углу «CH1»)
— 10,01 А | 0,102 В
— 20,0 А | 0,198 В
— 30,1 А | 0,296 В
— 40,88 А | 0,397 В
Как было указано выше, посредством мультиметра измеряется падение напряжения на шунте. Используемый шунт рассчитан так, что при протекании через него 100 ампер на нём будет падать 75 милливольт. Соответственно, чтобы преобразовать полученное с мультиметра в ходе эксперимента значение напряжения в искомый ток, можно воспользоваться расчётом через пропорцию. К примеру, мультиметр измерил на шунте 30,64 мВ; это значение нужно умножить на 100 и разделить на 75:
Для наглядности представим все полученные и рассчитанные значения в сводной таблице, чтобы потом построить по ним калибровочные характеристики.
Таблица 4 — Таблица калибровки
По построенным графикам видно, что коэффициент преобразования равен приблизительно 104,5. Учитывая погрешность измерений токовых клещей, мультиметра, осциллографа, а также погрешность шунта, можно сделать вывод, что рассматриваемый ДТ действительно имеет преобразование типа «100 А => 1 В». Плюс к этому — высокая линейность преобразования.
Схемы усилителя и смещения ноля
Иногда на практике может быть недостаточным уровень сигнала (0…1) В. В этом случае можно воспользоваться простым и эффективным усилителем на базе микросхемы операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2. Такая схема подходит для работы с приборами, способные считывать биполярный сигнал: осциллограф, внешний модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или вольтметр:
Для подключения к Arduino необходимо сместить уровень ноля, поскольку АЦП в микроконтроллере способен измерять только однополярный сигнал. Воспользуемся стандартной схемой смещения на базе ОУ:
Данное схемотехническое решение очень похоже на неинвертирующий усилитель. Разница лишь в том, что один из резисторов (R1) в обратной связи подключается не к общему проводу (земле), а к плюсу питания. Регулируя подстроечный резистор (R2), можно регулировать уровень ноля в диапазоне (0…+5) В. Аналогичное решение использовано в модуле измерительного трансформатора ZMPT101B, в котором также ноль синусоиды смещается на уровень +2,5 В для удобства измерения переменного напряжения микроконтроллером.
Использование ОУ для смещения более предпочтительно, поскольку благодаря ему осуществляется согласование между выходом модуля ТТ и входом АЦП.
Выводы
Рассмотренный неинвазивный датчик тока трансформаторного типа SCT-013-000V является безопасным, недорогим и удобным решением для создания измерительных систем переменного тока в диапазоне (0…100) А.
Модуль обладает встроенным нагрузочным резистором, что обеспечивает выходное среднеквадратичное значение напряжения (0…1) В.
Используя схемы смещения уровня ноля и усилителя сигнала, ДТ можно подключить к встроенному в микроконтроллер однополярному АЦП.