В рамках данной статьи рассматривается простая и эффективная симисторная схема защиты от перенапряжения в контрольно-измерительной системе с трансформатором тока.
В устройствах контроля сильноточных цепей часто применяются трансформаторы тока (ТТ), обеспечивающие гальваническую развязку между силовой и измерительной частями системы.
Выходная измерительная обмотка ТТ должна быть нагружена, то есть быть замкнутой через токоизмерительный шунт. С него снимается потенциал, пропорциональный измеряемой величине в силовой цепи (первичной обмотке датчика).
Снимаемое напряжение прикладывается ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Уровень сигнала отчасти зависит от номинала нагрузочного резистора. И его подбирают так, чтобы в штатном режиме работы амплитудное значение сигнала не превышала максимально допустимый уровень на входе АЦП.
Крайне важно предусмотреть защиту входов АЦП от перегрузок, поскольку высока вероятность возникновения импульсных перенапряжений, а также есть риск обрыва цепи нагрузочного резистора. Ограничение кратковременных импульсных выбросов может обеспечить супрессор (TVS-диод).
В случае обрыва шунта всё формируемое трансформатором ЭДС будет приложено ко входу АЦП, у которого входное сопротивление может быть порядка нескольких мегаом. Учитывая всё это, амплитуда ЭДС с выхода ТТ может быть десятки или сотни Вольт, что для аналогового преобразователя недопустимо. Супрессор попытается срезать выброс посредством пропускания через себя значительного тока. Но это неизбежно вызовет перегрев и разрушение компонента.
Поэтому для защиты входа АЦП от перенапряжений при обрыве нагрузочного резистора рекомендуется применять силовую защиту на базе симистора, поскольку некоторые модели данного компонента способны длительно пропускать через себя десятки Ампер (в зависимости от модели) переменного напряжения.
Принципиальная схема
Ниже представлен вариант симисторного ограничителя:
В основе лежит силовой элемент — симистор популярной модели BT139-800. Максимальный допустимый ток (длительно) в открытом состоянии — 16 А, максимальный ударный (кратковременный) — 155 А.
Переходное сопротивление симистора в открытом состоянии может составлять несколько единиц Ом, что для ТТ является нормальной нагрузкой. Даже большие измерительные трансформаторы, работающие в цепях с величинами 10…20 килоампер, чаще всего строятся из расчёта, что на выходе будет максимум 5 А. Таким образом, выбранный элемент подойдёт практически для любого случая.
Уровень напряжения, при котором ключевой компонент будет открываться, определяется стабилитронами, включёнными встречно-последовательно (каждый работает в одной из полуволн синусоиды). Для эксперимента выбраны элементы модели BZX79-C3V3 с номинальным напряжением стабилизации 3,3 В. Соответственно, при таком амплитудном значении входного сигнала симистор будет открываться.
Элементы C1 и R1 совместно со стабилитронами подключены к управляющему электроду симистора.
Компоненты C2 и R2 формируют демпфирующий снаббер — RC-цепочку для дополнительного подавления возможных индуктивных выбросов напряжения.
Эксперимент
Для эксперимента был использован ТТ модели ZHT103 (ZMCT103E), который устанавливается на популярных и доступных модулях для Arduino-макетирования.
Данный датчик измеряет до 5 Ампер с коэффициентом трансформации 1000:1, поэтому на вторичной обмотке максимум будет 5 мА. С нагрузочным резистором 100 Ом максимальный уровень падения напряжения (RMS) ожидается 500 мВ.
Если произойдёт внезапный обрыв резистора Rн, то нагрузкой станет входное сопротивление осциллографа PG1 (порядка 10 МОм). Конечно, такой маленький датчик не выдаст сотни Вольт ЭДС, но уж точно больше 5 Вольт — а этого для проверки нам хватит.
Ниже представлены две осциллограммы:
— штатный режим работы при Rн = 100 Ом
— аварийный режим при обрыве Rн, всё формируемое ЭДС прикладывается ко входу осциллографа
Как видно по второй осциллограмме, амплитудное значение сигнала ограничилось уровнем чуть менее 4 Вольт (при этом использованы стабилитроны с номиналом 3,3 В). При открытии симистора обрезается часть полуволн сигнала (так называемая фазовая регулировка мощности).
Выводы
Рассмотренная симисторная схема защиты от перенапряжения является простой и эффективной мерой по повышению стойкости входных цепей аналого-цифровых преобразователей к чрезмерным уровням входных сигналов. Такие ограничители применяются в измерительных системах с ТТ.