Оптико-электронные трансформаторы тока и напряжения, принцип действия и конструктивное исполнение
ТТ этого типа по сути не являются трансформаторами, и могут именоваться датчиками тока. В них измеряемый сигнал преобразуется в световой поток, который передаётся по изолированным световодам к заземлённому приёмнику. Различают ОЭТТ с внутренней и внешней модуляцией.
В
ОЭТТ с внутренней модуляцией преобразователь
создаёт луч света с параметрами,
пропорциональными измеряемой величине.
Модуляция может быть как амплитудной,
так и частотной. Далее луч света через
оптическую систему поступает на приёмник.
В ОЭТТ с внешней модуляцией источник и
приёмник света находятся на низком
напряжении, а модуляция (на основе
эффекта Фарадея) производится на высоком
напряжении.
Модель физических явлений при эффекте Фарадея: – поляризованный световой луч; – плоскость поляризации; П – поляризатор; – модулятор
В ячейке Фарадея используются некоторые оптические вещества, например стекло тяжелый флинт, обладающие свойством вращения плоскости поляризации света в зависимости от напряженности магнитного поля, в котором вещество находится.
Обобщенная структурная схема ОЭТТ: а – с внешней модуляцией светового потока;
б – с внутренней модуляцией светового потока
Оптоэлектронные трансформаторы тока, достоинства:
А
б
Полная электрическая развязка первичных и вторичных цепей
Упрощённое исполнение изоляции
Высокое быстродействие, точность, большой диапазон измеряемых токов
Высокая надёжность
Малые габариты и небольшая масса
и недостатки:
Необходимость наличия специальных источников питания
Малая мощность выходных сигналов
Чувствительность к помехам и к температурным колебаниям
Высокая стоимость
а) 1-источник света; 2-оптическая система; 3,9- световод; 4-призма; 5-модулятор; 6-полярязатор; 7-преобразователь; 8-анализатор; 10-линза; 11-преобразователь; 12-усилитель; 13-нагрузка.
б) 1-первичный преобразователь; 2-промежуточный преобразователь; 3-фотопреобразователь; 4, 6-оптическая система; 5-световод; 7-фотоприемни; 8-усилитель; 9-нагрузка.
В оптико-электронных трансформаторах напряжения (ОЭТН) применяется внешняя амплитудная модуляция светового сигнала. В качестве преобразователей применяются ячейка Керра и ячейка Поккельса.
Эффект Керра заключается в том, что под действием электрического поля, направленного перпендикулярно к лучам света в некоторых оптически изотропных веществах (жидкостях, стеклах, кристаллах с центром симметрии), происходит двойное лучепреломление. Линейно поляризованная световая волна в веществе распадается на две, поляризованные вдоль поля (необыкновенная) и перпендикулярно полю (обыкновенная), имеющие различные скорости распространения.
Я
чейка
Керра, схема амплитудной модуляции
света:
а – ячейка; б – статическая характеристика преобразователя
Эффект Поккельса заключается в том, что под действием электрического поля, совпадающего по направлению с лучами света, в некоторых кристаллах происходит двойное лучепреломление: проходящий поляризованный луч света разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи, имеющие в кристалле разную скорость распространения и поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если пластинка кристалла вырезана перпендикулярно ее оптической оси и расположена перпендикулярно падающим лучам света, то оба луча идут в одном и том же направлении, но за счет разной скорости прохождения в кристалле они могут приобрести разность фаз , которая связана с напряжением U на кристалле линейно:
Эта разность фаз является мерой двойного лучепреломления. Она определяется напряжением U, приложенным к пластине с помощью прозрачных или сетчатых электродов, и постоянной П, зависящей от электрооптических свойств кристалла при данной длине волны монохроматического света.
Р
ис.
9.2. Ячейка
Поккельса, схема амплитудной модуляции
света:
а – ячейка; б – статическая характеристика преобразователя
Структурная схема ОЭТН
1-поляризованный луч лазера; 2-пластина; 3-ячейка поккельса; 4-поляризатор; 5,6-призмы; 7-фотоэлектронный умножитель; 8-измеритель фототока; 9-нагрузочный резистр; 10-осциллограф; 11, 12-поляризаторы; 13,14-источники питания.