Оптоэлектронный измеритель больших токов

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются новые варианты фотоприемников автономного типа. Излагаются электрооптические и магнитооптические свойства фотоприемников генераторного типа, работающих со световым питанием. Рассматриваются принципы действия оптоэлектронного микроминиатюрного измерителя больших токов. Обсуждаются особенности и основные преимущества миниатюрного измерителя тока.

ABSTRACT

The article discusses new options for photo receiver’s autonomous type. The electro-optical and magneto-optical properties of photogenerators of the generator type working with light power are described. The principles of operation of the optoelectronic microminiature measuring instrument of high currents are considered. The features and main advantages of a miniature current meter are discussed.

Ключевые слова: трансформатор, амперметр, фотоприемник, генераторный тип, анализатор, эффект двойного лучепреломления, оптикоанизатропные материалы.

Keywords: transformer, ammeter, photodetector, generator type, analyzer, birefringence effect, optical anisotropic materials

Введение. Для измерения токов в силовых цепях силой порядка 20–1000 А используются трансформаторы токов (ТТ). ТТ со стороны первичной обмотки включается в линию, как амперметр, последовательно с контролируемым объектом, а его вторичная обмотка замыкается непосредственно на амперметр. Следовательно, ТТ практически работает в режиме короткого замыкания, и с большой степенью точности отношение вторичного тока к первичному равно коэффициенту трансформации [5]. Это условие выполняется тем точнее, чем меньше требуемая намагничивающая МДС трансформатора, т. е. чем меньше магнитная индукция в магнитопроводе. Первичный ток ТТ, равный току нагрузки, не зависит от сопротивления вторичной цепи. Поэтому при увеличении сопротивления цепи вторичной обмотки увеличиваются напряжение обмотки и магнитный поток магнитопровода, ТТ отдаляется от режима короткого замыкания, и точность его работы уменьшается. Следовательно, общее сопротивление измерительных приборов, включаемых последовательно во вторичную цепь ТТ, не должно превышать определенных допустимых значений. Разрыв вторичной цепи ТТ (холостой ход) недопустим и является для него аварийным режимом. При отсутствии вторичного тока во много раз возрастают магнитный поток и тепловые потери в стали магнитопровода [5]. Кроме того, возрастают вторичные ЭДС и напряжение, что может привести к пробою изоляции, создавая опасность для обслуживающего персонала.

Проблема микроминиатюризации и устранение выше указанных недостатков ТТ в электромагнитном варианте невозможны.

Задача создания оптоэлектронного ТТ в микроэлектронном исполнении, аналогичного по своим свойствам ТТ с электромагнитной связью, с электрической развязкой входа и выхода, не имеет решения в твердотельной электронике. Необходимость реализации этих функций привела к идее разработки оптоэлектронного ТТ с прямой оптической связью, положившей начало развитию микроэлектронной электротехники.

С целью расширения функциональных возможностей и для микроминиатюризации ТТ (сокращение его габаритов и веса) нами разработан оптоэлектронный вариант ТТ, работающий в автономном режиме через оптическую связь, играющую здесь роль индуктивной связи в обычном ТТ. В обычных оптоэлектронных ТТ используется эффект Фарадея, заключающийся во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активном веществе под действием внешнего магнитного поля. Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитное поле измеряемого тока [1].

Основным элементом оптоэлектронного измерительного трансформатора тока (ОИТТ) является фотоприемник генераторного типа. Для изготовления такого оптоэлектронного функционального элемента необходим оптически активный материал, обладающий такими свойствами, как высокоомичность, оптическая анизотропность и высокая степень неоднородностии [7]. С этой целью нами разработана специальная технология изготовления фотоприемника генераторного типа [2]. Как известно, ядром фотоприемника генераторного типа является АФН-элемент, который получается анизотропным вакуумным испарением, естественно было ожидать проявления этой анизотропии и неоднородности при освещении структуры поляризованным светом [6].

Основные положения. Представлялось важным выяснение влияния поляризованного света на магнитооптические свойства фотоприемника генераторного типа. Эксперименты в поляризованном свете показали, что свойства АФН-структуры сильно зависят от ориентации плоскости поляризации света. При этом показатель преломления также сильно зависит от положения плоскости поляризации относительно направления кристаллографической оси [4]. С изменением положения плоскости поляризации сильно изменяется коэффициент поглощения, поэтому в АФН-структурах наблюдается эффект двойного лучепреломления [3]. Кроме того, если АФН-элемент (фотоприемник генераторного типа) поместить в магнитном поле, то под действием магнитного поля происходит поворачивание плоскости поляризации. При этом угол поворота пропорционален индукции магнитного поля:

где к – коэффициент поглощения;

 – подвижность.

На рис. 1 показан оптоэлектронный измерительный трансформатор тока с рабочим телом в виде тонкой пленки фотоприемника генераторного типа, применяемый в области естественного видимого света.

Рисунок 1. Оптоэлектронный измерительный трансформатор тока:

СС – солнечной свет; λ – линза; П – поляризатор; N, S – полюса магнитного поля; ФПГТ – фотоприемник генераторного типа; А – анализатор; ИП – выходной измерительный прибор

Для сопоставительного анализа на рис. 2. изображен ТТ с электромагнитной связью.

Промышленность выпускает ТТ на различные значения токов первичных обмоток, начиная с десятков ампер, заканчивая несколькими десятками тысяч (до 15 000–20 000 А). Вторичная обмотка ТТ с электромагнитной связью замыкается на амперметр и токовые цепи приборов (ваттметров, счетчиков, реле и т. д.), рассчитанные на величину тока вторичной обмотки ТТ с электромагнитной связью, обычно равного 5 А, включаемые последовательно. Нормальным считают такое состояние ТТ, когда его вторичная обмотка замкнута на токовые цепи измерительных приборов. При разомкнутой вторичной обмотке ТТ магнитный поток индуктирует во вторичной обмотке ТТ большую ЭДС, которая может достигнуть значительной величины. Появление высокого напряжения на зажимах вторичной обмотки ТТ представляет опасность как для персонала, производящего измерения, так и для изоляции ТТ и приборов. Кроме того, измерения, производимые с помощью ТТ, всегда имеют погрешности. В предлагаемом оптоэлектронном измерителе тока вышеизложенные недостатки и погрешности не наблюдаются. Кроме того, в разработанном оптоэлектронном измерителе тока обеспечены высокая точность, надежность, чувствительность, а также микроминиатюрность. С помощью оптоэлектронного измерителя тока осуществляется бесконтактное, дистанционное управление автономного типа инновационного характера со средством информационной технологии.

Обсуждение результатов. Оптоэлектронный измерительный трансформатор в дневное время работает автономно под действием естественного освещения, а в вечернем режиме автоматически переходит к искусственному освещению, от светодиода небольшой мощности. Угол поворота плоскости поляризации определяется непосредственно по показаниям выходного измерительного прибора. Эти данные позволяют оценить магнитное поле объекта. В заключение необходимо отметить, что проведение этих работ является залогом сохранения высоких темпов развития микроэлектроники и применения их результатов на практике создания оптоэлектронной аппаратуры с высокой точностью и надежностью. Значение исследований ФПГТ, связанных с развитием микроэлектроники, трудно переоценить, поскольку их результаты должны так или иначе повлиять на многие области человеческой деятельности, создать новые предпосылки всестороннего прогресса науки и техники.

Рисунок 2. Электромагнитный вариант ТТ:

ИЭ – источник электрической энергии; Zh – нагрузка; А – амперметр

Выводы и заключение. Если источником магнитного поля является ток (I), тогда по известной величине магнитной индукции (В = пI) можно произвести градуировку шкалы измерителя трансформатора тока. Оптоэлектронный измеритель тока малогабаритный, предназначен для широкого диапазона измерений, имеет высокую чувствительность, его надежность работы соответствует требованиям к микроэлектронным схемам. При этом неконтактные измерения позволяют вести непрерывный контроль и автономную работу, не нарушая режим работы потребителей. С учетом того что в системах связи используют оптические волокна, возможны измерения микроскопических образцов. Усовершенствование светопроводов применением оптических волокон, не искажающих поляризацию, способствует повышению надежности и улучшению управляемости систем с оптоэлектронным измерителем тока.

Список литературы:
1. Боржов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. – Высшая школа, 1974. – C. 331–336.
2. Ирматов С., Найманбоев Р. Яримутказгичли фотоприемниклар. – Фергана, 2011. – С. 38–84.
3. Найманбоев Р., Тохиров М., Собиров М. Оптоэлектронные регуляторы усиления на АФН-пленки // Международный научный электронный журнал «Логос». – 2019. – № 4. – C. 1–5.
4. О природе АФН-эффекта в полупроводниковых пленках теллурида меди и индия / Р. Найманбоев, М. Тохиров, С. Собиров, Р.А. Нурдинова // Uzbek Journal of Physics. – 2012. – Vol. 14. – № 5–6. – P. 311–315.
5. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. – М. : Высшая школа, 1977. – 278 c.
6. Тохиров М., Касимахунова А.М. Световой дозиметр с цветовым сопротивлением // Проблемы современной науки и образования. – 2019. – № 11. – C. 7–9.
7. Kasimakhunova А.M., Naymanbaev R., Tokhirov M.K. New prospects of using elements with anomalous photo-voltage in optelectronics // International Journal Of Advanced Research In Science, Engineering And Technology. – 2019. – Vol. 6. – № 4. – P. 8981–8983.