Датчики тока и напряжения наиболее часто применяют для измерения переменных токов и напряжений промышленной частоты 50 Гц. Применение для этих целей датчиков тока и напряжения с гальванической развязкой на основе эффекта Холла фирмы LEM, являющейся монополистом в этой области, нецелесообразно из-за больших входных токов для датчиков напряжений (10...20 мА), большой погрешности порядка 1% от верхнего значения шкалы, сложности и высокой стоимости [1]. Преимуществом датчиков, использующих эффект Холла, является возможность измерения постоянных токов и напряжений.

Наиболее целесообразно для измерения переменных токов и напряжений применение трансформаторов тока и напряжения с электронной схемой обработки сигналов, удобной для пользователя. Трансформатор преобразует напряжение во всем диапазоне с одинаковой погрешностью, будь то сотни вольт или единицы микровольт. Мощность сигнала с трансформатора минимально возможно выполнимого размера на несколько порядков больше мощности сигнала датчика Холла. Это позволяет реализовать датчики напряжения с входным током 1 мА и датчики тока со шкалой 0,5 А и погрешностью 0,1...0,5%.

При измерении переменных токов и напряжений датчиками на основе эффекта Холла можно существенно уменьшить погрешность, отсекая постоянную составляющую конденсатором, но это еще больше усложняет датчик и нецелесообразно.

В предложенном датчике напряжения с целью упрощения конструкции и уменьшения габаритов вместо трансформатора напряжения используют трансформатор тока с добавочным сопротивлением (рис.1).

Добавочное сопротивление состоит из трех резисторов R1R3 и определяет входной ток датчика. Резистор R1 прецизионный с погрешностью 0,5%, резисторы R2, R3 служат для подбора величины добавочного сопротивления, подбор осуществляется закорачиванием резисторов R2, R3.

Максимальная мощность, рассеиваемая резисторами R1R3, не более 0,25 Вт. Основная погрешность определяется точностью подбора резисторов R1-R3. Дополнительная погрешность определяется ТКС резисторов R1-R3.

Сигнал с вторичной обмотки 3 трансформатора Т1 поступает на вход операционного усилителя А1. Для устранения остаточной намагниченности cердечника и улучшения частотной характеристики усилитель охвачен отрицательной обратной связью по магнитному потоку. Выходной сигнал А1 создает выходной ток в обмотке 2, создающий в сердечнике магнитный поток равный по величине и противоположный по направлению магнитному потоку, создаваемому входным током.

Датчик имеет токовый выход (выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки):

Iвых=IвхW1/W3,

где W1 - количество витков обмотки 1, W3 - количество витков обмотки 3.

Сердечник трансформатора набран из Г-образных пластин и имеет габариты 30Ч22Ч5 мм (5 мм - толщина набора). Обмотки 1, 2 содержат по 2000 витков проводом ПЭВ-0,1, обмотка 3 содержит 400 витков проводом ПЭВ-0,2.

На рис.2 показан вариант исполнения датчика с токовым выпрямленным выходом.

Переменный сигнал с резистора R4 поступает на вход прецизионного выпрямителя, собранного на операционном усилителе А2 и диодах V1, V2 по стандартной схеме. Сигналы с диодов V1, V2 поступают на входы преобразователя напряжение-ток, собранного на ОУ А3 и транзисторе М3. Для того чтобы выходной ток не зависел от сопротивления нагрузки, необходимо выполнить равенство R11/R9=R12/R10. Регулировка датчика заключается в установке величины выходного тока при входном токе 1 мА путем подбора величины резистора R4.