Prosty detektor przepływu prądu

Jeżeli musimy wykryć, czy przez dany przewód przepływa prąd elektryczny, najczęściej stosujemy do tego przekładniki prądowe lub czujniki hallotronowe. Takie rozwiązania są dokładne, chociaż dosyć drogie. Możemy uzyskać podobny efekt przy użyciu jedynie kilku podstawowych elementów, jeżeli nie potrzebujemy regulacji progu detekcji ani wysokiej czułości. Dużą zaletą jest możliwość pracy w szerokim zakresie częstotliwości: od składowej stałej aż po wiele setek herców. Dodatkowo, nie wymaga jakiegokolwiek zasilania!

Budowa i działanie

Schemat detektora został pokazany na rysunku 1. Przewód, który chcemy monitorować, należy przeciąć i podłączyć do zacisków złącza J1 – aby prąd przepływał przez elementy znajdujące się na płytce. Droga prądu wiedzie przez cztery diody półprzewodnikowe: w jedną stronę przez D1 i D2 połączone szeregowo, a w drugą przez D3 i D4. Nie dochodzi jednak do prostowania owego prądu, gdyż w obie strony są włączone takie same diody. Powstaje jedynie niewielki spadek napięcia, rzędu 1,5 V. Jego dokładna wartość zależy w dużym stopniu od natężenia prądu i temperatury tych diod.

Rysunek 1. Schemat ideowy detektora

Wartość spadku napięcia jest wystarczająca dla diody nadawczej w transoptorze OK1. Według noty katalogowej PC814 od firmy Sharp wystarczy napięcie około 1 V, aby przepłynął przez tę diodę prąd o natężeniu kilku miliamperów. Świecenie diody wywołuje przepływ prądu między kolektorem a emiterem fototranzystora po stronie odbiorczej transoptora. W strukturze PC814 znajdują się dwie diody nadawcze połączone ze sobą antyrównolegle, więc przepływ prądu w dowolną stronę zostanie zasygnalizowany w identyczny sposób.
Rezystor R1 ogranicza prąd diod nadawczych do niewielkiej wartości. Jego wartość została przyjęta z dużym zapasem, ponieważ obciążenie pobierające wysoki prąd rozruchowy (np. transformator toroidalny) może wywołać impuls napięcia o znacznie większej wartości szczytowej niż późniejsze. Dodatkowo, rozgrzane diody półprzewodnikowe mają wyższe napięcie przewodzenia.

Reasumując, układ wprowadza niewielki spadek napięcia w nadzorowanym obwodzie, zaś jego wyjściem jest przewodzący fototranzystor. Można w ten sposób dostarczyć informację dla mikrokontrolera lub innego układu cyfrowego. CTR transoptora PC814 w takich warunkach jest rzędu 20%, więc jego obciążenie musi pobierać znikomo mały prąd – proponowałbym przyjąć około 0,5 mA jako górną granicę. To w zupełności wystarczy wejściom współczesnych układów półprzewodnikowych.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 42×38 mm. Jej schemat został pokazany na rysunku 2. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się otwory montażowe o średnicy 3,2 mm. Wszystkie elementy znajdujące się na płytce są przystosowane do montażu przewlekanego. Należy je wlutować, zaczynając od najniższych, a na najwyższych kończąc. Diody D1…D4 polecam wlutować na nieco dłuższych wyprowadzeniach, kilka milimetrów nad powierzchnią laminatu, aby ułatwić ich chłodzenie.

Szczegóły montażu można zobaczyć na fotografii tytułowej. Diody P600 mogą być przeznaczone na dowolne napięcie wsteczne, choćby i 50 V (P600A).

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Prawidłowo zmontowany układ jest od razu gotowy do działania i nie wymaga jakichkolwiek czynności uruchomieniowych. Przykład jego podłączenia pokazuje rysunek 3. Polaryzacja prądu stałego, którego przepływ byłby wykrywany, jest całkowicie obojętna. Tak samo napięcie U1, które zasila obwód nadzorowany – może to być sieć 230 V, jak i akumulator 24 V. W każdym przypadku należy liczyć się ze spadkiem napięcia około 1,5 V lub nieco więcej. Po stronie odbiorczej napięcie U2 i rezystor RL muszą być tak dobrane, aby fototranzystor transoptora OK1 pracował prawidłowo: nie doszło do jego przebicia po zatkaniu (dopuszczalne napięcie kolektor-emiter wynosi 35 V) oraz mógł wchodzić w nasycenie (wspomniany wcześniej prąd maksymalny kolektora rzędu 0,5 mA).

Rysunek 3. Podłączenie płytki do nadzorowanego obwodu oraz układu cyfrowego po stronie odbiorczej

Układ prototypowy został przetestowany przy zasilaniu z sieci 230 V 50 Hz przy obciążeniu żarówką o mocy 40 W. Napięcie zasilające stronę odbiorczą U2=5 V, zaś rezystor obciążający RL=10 kΩ. Układ znajdował się w temperaturze pokojowej. Oscylogram napięcia na zaciskach złącza J2 w tej sytuacji znajduje się na rysunku 4.

Rysunek 4. Oscylogram napięcia na zaciskach złącza J2 podczas pracy

Krótkie, pionowe szpilki o częstotliwości 100 Hz, które znajdują się na tym wykresie, to momenty przejścia prądu przez zero. Układ cyfrowy sprzęgnięty z tym detektorem musi być przystosowany do ich obecności. Można też uśrednić je przy użyciu kondensatora o niewielkiej pojemności, podłączonego równolegle do zacisków złącza J2.

Układ może się nadawać jako detektor przejścia prądu przez zero, ale należy do tego podejść z rezerwą. Przy wysokim natężeniu płynącego prądu momenty, w których dioda przestaje przewodzić, stają się bardzo krótkie. Czasem na tyle krótkie, że fototranzystor nie zdąży wyjść z nasycenia. Objawia się to ciągłą linią na oscylogramie o wartości średniej około 0 V.

Maksymalny prąd średni płynący przez diody typu P600 może, teoretycznie, wynosić 6 A. W tym układzie diody pracują naprzemiennie, więc wartość średnia prądu płynącego przez każdą z diod jest dwukrotnie mniejsza. Proponowałbym jednak pozostać przy tej wartości jako górnym limicie, ponieważ mogą występować problemy z chłodzeniem tych elementów.

Wyznaczona doświadczalnie dolna granica detekcji, przy której nie dochodziło do prawidłowego nasycania się fototranzystora, wynosiła 50 mA wartości skutecznej prądu przemiennego. Może się różnić w zależności od temperatury otoczenia i rozrzutów produkcyjnych poszczególnych elementów.

Michał Kurzela, EP