Лабораторная работа №23: Датчик тока на двухтранзисторном качере.

НепротиворечиваяЭлектродинамика / ЭкспериментальнаяФизика / ПродольныеВолны / АльтернативнаяЭлектродинамикаНиколаева / КачерБровина / КачерБровина / ФизическийЭксперимент

Лабораторный стенд.

Лабораторная работа №23: Датчик тока на двухтранзисторном качере (версия 1)

Реферат

В работе исследована возможность измерения постоянного и переменного тока в диапазоне ±2500 мА с помощью генератора разрывов электрической цепи (качера) на транзисторах КТ315В (NPN) и КТ316В (PNP). Датчик построен на основе ферритового кольца с обмотками и преобразует величину протекающего тока в частоту однополярных импульсов. Результатом эксперимента стала полученная зависимость частоты генерации от значения и направления тока, продемонстрировавшая симметричный характер в диапазоне ±900 мА.

1. Введение и цель работы

Как отметил изобретатель В. И. Бровин в патенте РФ 2444124, качер, в отличие от разрядника Теслы, работает в непрерывном режиме, что открывает уникальные возможности для прямого преобразования неэлектрических величин. Данная лабораторная работа преследует практическую цель: исследовать и подтвердить принцип работы трансформатора постоянного тока на основе качерной технологии.

Электронная схема качерного датчика тока.

Цель работы: Снять и построить характеристику (график зависимости) частоты импульсов F, генерируемых качером, от величины и направления тока I, протекающего через первичную обмотку датчика. Диапазон исследования: от -2500 мА до +2500 мА.

2. Методика и схема эксперимента

2.1. Принципиальная схема. Использована биполярная схема качера на двух транзисторах, обеспечивающая стабильный самозапуск и генерацию однополярных импульсов при подключении практически любой индуктивности.

  • Q1: КТ315В (NPN)
  • Q2: КТ316В (PNP)
  • R2, R3: 2.7 кОм
  • C1: Отключен (0 пФ)
  • Напряжение питания (V2): 3.3 В

2.2. Датчик тока (трансформатор).

  • Магнитопровод: Ферритовое кольцо.
  • Первичная обмотка (W1): 50 витков. Через неё пропускается измеряемый ток I.
  • Вторичная обмотка (W2): 5 витков. Подключается к коллекторной цепи транзисторов качера, являясь его нагрузочной индуктивностью (L).

2.3. Измерительный комплекс.

  • Источник/измеритель тока: Магазин сопротивлений Р33 в составе схемы.
  • Контрольный вольтметр: Цифровой мультиметр UT60G.
  • Измеритель частоты: Двухканальный микропроцессорный частотомер на STM8S003 (прошивка MeasF2V2.01). Регистрирует частоту импульсов с выхода качера.

3. Результаты и их обсуждение

В ходе эксперимента была снята зависимость F(I). Ключевым наблюдением стало симметричное изменение выходной частоты относительно её значения при нулевом токе при изменении направления тока в первичной обмотке.

Физическая интерпретация результатов:

  1. Принцип действия: Измеряемый ток I, протекая через W1, создаёт в магнитопроводе подмагничивание (постоянную составляющую магнитного поля). Это изменяет эффективную магнитную проницаемость феррита, от которой напрямую зависит индуктивность L вторичной обмотки W2.
  2. Связь L и F: Индуктивность W2 является частотозадающим элементом в контуре генерации качера. Изменение L приводит к плавному изменению частоты генерируемых однополярных импульсов: F ≈ 1 / √L. Алгоритм в микроконтроллере выполняет обратное преобразование F → I.
  3. Симметрия графика: Симметричный характер зависимости F(I) подтверждает, что механизм основан на изменении модуля магнитного поля в сердечнике, которое одинаково влияет на проницаемость как при положительном, так и при отрицательном подмагничивании. Это фундаментальное свойство, делающее датчик пригодным для измерения переменного тока.

Практический рабочий диапазон: Для данной конкретной конфигурации (тип феррита, число витков, номинал резисторов) линейный и предсказуемый диапазон измерений составил от -900 мА до +900 мА. Выход за эти пределы, вероятно, приводит к насыщению магнитопровода и нелинейности характеристики.

Зависимость частоты генерации от тока в проводнике.

4. Выводы и перспективы

  1. Подтверждён принцип: Экспериментально подтверждена работоспособность простейшей схемы двухтранзисторного качера в качестве датчика постоянного и переменного тока.
  2. Получена характеристика: Снята симметричная зависимость выходной частоты от величины и направления тока, что согласуется с теоретической моделью на основе изменения магнитной проницаемости.
  3. Определены ограничения: Для выбранной конфигурации эффективный диапазон измерений ограничен ±900 мА.
  4. Пути оптимизации: Для расширения диапазона до заявленных ±2500 мА необходима оптимизация:
    • Магнитопровод: Выбор феррита с большей магнитной индукцией насыщения (например, из порошкового железа) или увеличение габарита кольца.
    • Схема: Эксперименты с номиналами резисторов R2, R3 и подключением конденсатора C1 для настройки чувствительности и рабочей точки.
    • Калибровка: Разработка подробной математической модели или калибровочной таблицы для алгоритма микроконтроллера.

Данный лабораторный макет служит отличной базой для создания серийного универсального датчика тока с цифровым выходом на микроконтроллере STM8S.

 Ссылки :