Датчик тока на качере. Лабораторная работа №28: График зависимости частоты импульсов F от тока I

Реферат

В работе представлены результаты исследования и практической реализации датчика постоянного тока на основе генератора Бровина (качера) с ферритовым сердечником. Подтверждена работоспособность концепции: подмагничивание сердечника постоянным измеряемым током приводит к изменению его магнитной проницаемости и, как следствие, к сдвигу частоты генерации качера. Для кольца марки K10 (µ ≈ 1581) с обмоткой 100 витков получена характеристика, позволяющая измерять ток в диапазоне от -3 А до +3 А. Датчик демонстрирует способность определять не только величину, но и направление тока.

1. Введение

Развитие темы создания датчика тока по патенту В.И. Бровина (качер) переходит в практическую плоскость. Целью данной работы являлось создание и характеристика рабочего макета датчика с конкретными метрологическими параметрами. Ключевой задачей стало исследование зависимости частоты импульсов генератора F от величины и направления постоянного тока I, пропускаемого через центр ферритового кольца.

2. Материалы и методы

2.1. Сердечник и обмотка.

Ферритовое кольцо: Марка K10,15x6,0x3,12 мм (внешний Ø 10.15 мм, внутренний Ø 6.0 мм, высота 3.12 мм). Масса 0.7 г.
Критерий выбора: Эмпирически установлено, что для увеличения диапазона измерений необходим материал с максимально высоким значением индукции насыщения (B_s).
Обмотка: На сердечник намотана катушка W из 100 витков медного провода ПЭВ диаметром 0.3 мм.
Параметры катушки: Активное сопротивление R = 0.9 Ом. Измеренная индуктивность L ≈ 5.07 мГн.
Расчетная проницаемость: На основе геометрии и индуктивности вычислена эффективная относительная магнитная проницаемость материала: µ_эфф ≈ 1581.

2.2. Схема и методика измерения.

Генератор: Использована двухтранзисторная качерная схема (например, npn-pnp версия 2), чувствительным элементом которой является исследуемая катушка.
Измерение частоты: Выходная частота импульсов F регистрируется микроконтроллерным частотомером (например, на STM8S).
Создание измерительного тока: Через центр кольца (или через отдельную первичную обмотку) пропускается регулируемый постоянный ток I в диапазоне ±3 А.
Визуализация гистерезиса: Для анализа магнитных свойств сердечника в рабочих условиях снята осциллограмма петли гистерезиса на частоте 50 Гц (U~5 В, шунт R=20 Ом).

3. Результаты и обсуждение

3.1. График зависимости F(I). Основным результатом является снятая характеристика — график зависимости выходной частоты качера F от величины и направления постоянного тока I.

Характер зависимости: График демонстрирует четкую, воспроизводимую связь. Частота закономерно изменяется при изменении тока.
Определение направления: Увеличение числа витков до 100 позволило получить частную (смещенную) петлю гистерезиса сердечника при наложении постоянного подмагничивания. Это обеспечило различную реакцию частоты на токи разных знаков, что позволило датчику определять направление постоянного тока.

3.2. Осциллограмма гистерезиса. Полученная петля гистерезиса подтверждает ферромагнитную природу сердечника и позволяет визуально оценить рабочую область его перемагничивания под действием измерительного тока.

3.3. Практические характеристики макета.

Диапазон измеряемых токов: от -3 А до +3 А.
Время изготовления: Прототип может быть изготовлен в течение нескольких десятков минут из доступных компонентов.
Ключевой фактор успеха: Решающую роль сыграл правильный выбор материала ферритового сердечника с подходящими магнитными свойствами.

4. Выводы

Экспериментально подтверждена возможность создания простого и быстродоступного датчика постоянного тока с определением направления на основе качерной технологии.
Магнитные свойства ферритового сердечника (в частности, индукция насыщения и форма петли гистерезиса) являются определяющим фактором для диапазона и линейности характеристик датчика.
Получен работающий макет датчика с диапазоном измерения ±3 А, что подтверждает практическую ценность разработки для задач контроля заряда/разряда аккумуляторов и других приложений.
Разработка соответствует принципу В.И. Бровина о создании устройств с минимальной себестоимостью, открывая путь к потенциальному коммерческому применению.

Автор: Васильев В.И. (askfind@ya.ru) Место и дата: Санкт-Петербург, сентябрь 2017 г.

5. Ссылки

Расчет магнитной проницаемости ферритового кольца // [электронный ресурс] .- radiodx.ru/text-013
Шереметьев Д., Измерение феррита. //[электронный ресурс] .- dmitry-shem.livejournal.com/28033.html
Боков, В. А., Физика магнетиков / Редактор: Рощиненко О. М. //[текст] .- Издательство: BHV Серия: Прикладная физика твердого тела.
Михайлова М. М., Филиппов В. В., Муслаков В. П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. А. Е. Оборонко. //[текст] .— М.: Радио и связь, 1983. — 200 с.
Датчик тока. Качер npn pnp. Версия 2 (askfind@ya.ru).pdf

Датчик тока на качере. Лабораторная работа №28.