Трансформатор тока и мостовой выпрямитель - почему диод падает?

Я создаю схему для измерения переменного тока с помощью трансформатора тока, который подается на АЦП микроконтроллера для фактического измерения.

Поскольку измерение должно быть достаточно точным, в первой версии нагрузочный резистор был прямо на вторичной обмотке трансформатора тока, за которым следовала схема прецизионного выпрямителя/пикового детектора с использованием операционных усилителей. В основном он работал нормально, но стоил дорого, поэтому я искал способы заменить его чем-то более дешевым.

Я нашел схему, которая выглядит следующим образом:

Схема ТТ с мостовым выпрямителем

По сути, вторичная обмотка трансформатора тока питает мостовой выпрямитель, а нагрузочный резистор следует за выпрямителем.

Мое понимание ТТ состоит в том, что вторичная обмотка действует как источник тока. Таким образом, и учитывая, что нагрузочный резистор является единственным обратным путем для тока, любой ток, индуцируемый во вторичных обмотках, будет тем же током, который проходит через нагрузочный резистор; поскольку на диодах есть падения напряжения, вторичная обмотка будет вырабатывать любое напряжение, необходимое для компенсации этих падений на диодах и подачи необходимого тока через нагрузочный резистор.

К сожалению, это не то, что я проверял на практике — форма сигнала была сильно искажена и ослаблена для малых токов и намного лучше для номинальных токов (хотя все еще неправильно, что подтверждается сравнением с токоизмерительным датчиком на первичной обмотке). Я вернулся к симуляциям SPICE, на самом деле не ожидая увидеть там явления, но, к моему удивлению, симуляции также показали часть проблемы — по крайней мере, проблема затухания ясна. Моделирование приведенной выше схемы дает следующий результат для тока 5 А на первичной обмотке ТТ:

SPICE-моделирование схемы с диодом 1N4007 и током 5 А на первичной обмотке трансформатора тока.

Зеленая линия — первичный ток, красная линия — отношение вторичного тока к оборотам. Как видно, вторичный ток показывает затухание на 20% по сравнению с первичным. Теперь для моделирования с 25 А на первичной обмотке ТТ, ближе к номинальному току моей цепи:

SPICE-моделирование схемы с диодом 1N4007 и током 25 А на первичной обмотке трансформатора тока.

Погрешность сейчас близка к 2%.

Хотя я был уверен, что это не имеет значения, я попытался заменить кремниевый диод в моделировании диодом Шоттки. Это значительно улучшило ситуацию, как видно на следующих двух рисунках, первый с 5 А и второй с 25 А на первичной обмотке трансформатора тока:

Моделирование SPICE схемы с диодом Шоттки и 5 А на первичной обмотке трансформатора тока.

SPICE-моделирование схемы с диодом Шоттки и 25 А на первичной обмотке трансформатора тока.

Погрешность составляет около 4 % для 5 А и менее 1 % для 25 А.

Следующим шагом является замена кремниевых диодов в схеме диодами Шоттки и подтверждение того, что это показывает те же улучшения, что и моделирование. Я обновлю пост, когда сделаю это.

Очевидно, что необходимо учитывать падение диода, но согласно моему качественному анализу схемы (выше) этого не должно происходить. Я наполовину ожидал, что это произойдет на практике из-за неидеальности в КТ, но я был поражен, увидев это и в симуляции. Я ищу информацию о том, где мой анализ пошел не так, и почему падение диода все еще является фактором в этой схеме.

Ну, на диоде всегда есть падение напряжения (величина падения зависит от тока, протекающего через него), именно так они и работают. Я не понимаю, как вы поняли, что их нет только потому, что вам наплевать на одну их сторону.
Я, конечно, знаю, что есть падение диода. Дело в том, что вторичные обмотки создают необходимое напряжение для преодоления этого падения на диоде, гарантируя, что ток, который должен проходить через нагрузочный резистор, остается таким же, как ток в обмотках. Точно так же, как индуктор в импульсном источнике питания будет принимать любое напряжение, необходимое для поддержания того же тока, протекающего после события переключения.
Год спустя: Ваша проблема заключается в неверном предположении, что «Мое понимание КТ состоит в том, что вторичный элемент действует как источник тока». -> ТТ - это "просто трансформатор". Осознание последствий этого «факта» (что совершенно очевидно в ретроспективе) демистифицирует большинство тайн КТ. Трансформатор тока оптимизируется для приложения, и в отношении его использования делаются предположения, например, Rsecondary_total/N < to << Rprimary_winding. НО отраженный вторичный импеданс - это полный импеданс, подключенный к идеальной вторичной обмотке трансформатора, и он включает импеданс вторичной обмотки ...
... плюс ВСЕ подключенные импедансы, включая нагрузочный резистор и любые диоды, импеданс проводки и т. д. «Формулы» работают для общей «нагрузки», «видимой» ТТ, независимо от того, какую часть мы хотим обозначить как «нагрузочный резистор». '. Динамические импедансы диодов являются частью этого, и попытка учесть их аналитически «может раздражать». Rdiode ~= (26/i_diode_mA), что является началом, НО - если вам нужна хорошая точность и низкая стоимость, либо подайте переменный ток на вход ЦАП (зафиксируйте или иным образом обработайте отрицательный полупериод, чтобы соответствовать спецификациям АЦП, или, лучше всего, . ..
... сместите переменный ток над землей, чтобы полный цикл был доступен для АЦП, и вычислите результат из всей «чистой» формы волны переменного тока. | К настоящему времени вы, вероятно, знаете все это :-).
Выше ЦАП -> АЦП (конечно :-)).

Ответы (1)

Этот тип выпрямителя работает только значительно выше минимального тока.

В отличие от операционного усилителя, где вы можете сказать «выход делает то, что необходимо ...», с трансформатором выходное напряжение разомкнутой цепи представляет собой коэффициент трансформации, умноженный на напряжение, наблюдаемое на первичной обмотке. Это ограничивается первичной индуктивностью. Как правило, это «очень высокое значение», но оно будет низким в достаточно средней конструкции трансформатора тока.

Чтобы снизить минимальный рабочий ток, увеличьте выходное напряжение холостого хода, увеличив первичную индуктивность, увеличив коэффициент трансформации или и то, и другое.

Например, ваша первичная обмотка имеет индуктивность 4 мкГн (я предполагаю, что это один виток через трансформатор примерно на 100 ВА?), что составляет 1,5 мДжОм при 60 Гц. При первичном токе 5 А и вторичном разомкнутом контуре падение напряжения на первичной обмотке составляет 7,5 мВ, что составляет всего 3,7 В на вторичной обмотке (соотношение 500:1 оценивается как sqrt(sL/pL). При потере 1,4 В на диоде падает, это слишком близко для какой-либо точности, и (почти) половина цикла приводит к полному отсутствию выхода, большому количеству искажений.

Другой способ учета импеданса трансформатора заключается в том, что нагрузка, отраженная через коэффициент трансформации, должна закорачивать первичную индуктивность. 56 Ом выглядят как 0,4 МОм на первичной обмотке, что ниже 1,5 МОм, но лишь незначительно. «Нормальная» конструкция трансформатора тока будет стремиться к соотношению более чем на порядок, предпочтительно два, между импедансом трансформатора и нагрузкой. И это до того, как вы увеличите эффективное сопротивление нагрузки с помощью диодного моста.

Если бы у вас была 10-кратная первичная индуктивность с тем же соотношением витков, то у вас было бы 37 Вольт на вторичной обмотке, и потеря 1,4 В была бы едва заметной. Добавление первичных витков увеличивает первичную индуктивность в квадрате витков, но только уменьшает соотношение витков как 1/витки, поэтому дополнительные первичные витки (проще, чем дополнительные вторичные витки) помогут.

При обычном положении нагрузки искажения отсутствуют, а эффект ограниченного вторичного напряжения просто дает вам ошибку усиления, которую можно откалибровать.

Вы можете уменьшить минимальный рабочий ток следующими способами, все они суммируются. (a) увеличивает доступное первичное напряжение, другие уменьшают первичное падение напряжения на выходном диоде, которое он должен преодолеть.

а) увеличьте первичные витки в N раз, получите N раз
б) удвойте количество вторичных витков, получите еще в 2 раза
в) перейдите от кремниевых диодов к диодам Шоттки, еще в 2 раза
г) перейдите от полного моста на полумост, еще в 2 раза
д) поставить еще один идентичный трансформатор тока последовательно/последовательно, еще в 2 раза

Возможно, мне придется проиллюстрировать полумост, так как это не очевидно. Он должен въехать в измеритель высокого импеданса. Вы не будете использовать его в качестве силового выпрямителя, но он подойдет в качестве измерительного выпрямителя.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Я чувствую, что вы на правильном пути, но, честно говоря, я не совсем понимаю ваш аргумент. Не могли бы вы уточнить?
@swineone Я добавил в ответ еще несколько деталей.
Отлично, теперь все намного понятнее с дополнительной информацией. Просто для полноты картины я использую трансформатор тока Digikey P/N 237-1103-ND ( digikey.com/product-detail/en/triad- Magnetics/CSE187L/ … ). Я измерил его вторичную обмотку на уровне 1,0512 Гн, и исходя из этого и соотношения витков 1: 500, первичная обмотка оценивается в 4,2 мкГн. Это может помочь объяснить некоторые предположения, которые вы должны были сделать в своем ответе. Обратите внимание, что в техническом описании для этого ТТ предлагается нагрузочный резистор 60 Ом.
Максимальное выходное напряжение 4 В, вот ваша проблема, оно слишком близко к падению полного моста кремниевого диода для работы с низким уровнем искажений. Это тоже крошечное ядро. Обратите внимание на кривые, насколько лучше при 400 Гц, чем при 50? Когда мне нужен трансформатор тока, я беру тороидальный трансформатор на 100 ВА из своего барахла, продеваю трехвитковую первичную обмотку через отверстие и использую сетевую обмотку в качестве вторичной. Вы понимаете, как работает полумост с двумя резисторами?
Да, я понял полумост, и если я когда-нибудь соберу новую версию этой платы, я заменю на нее свою схему. И, обдумав это и проведя еще несколько симуляций, я думаю, что понял: когда нагрузка отражается от вторичной обмотки к первичной, вы не просто избавляетесь от катушки индуктивности (так я думал, что это работает), вы оставляете ее там. параллельно с отраженной нагрузкой. Если R << XL, вы можете сделать приближение, опустив XL. Но поскольку это не так, в итоге это работает как фильтр верхних частот, который вносит некоторое затухание на моей рабочей частоте. Это звучит правильно?
Трансформатор тока и мостовой выпрямитель - почему диод падает?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v