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

n Полная электрическая развязка первичных и вторичных цепей

n Упрощённое исполнение изоляции

n Высокое быстродействие, точность, большой диапазон измеряемых токов

n Высокая надёжность

n Малые габариты и небольшая масса

и недостатки:

n Необходимость наличия специальных источников питания

n Малая мощность выходных сигналов

n Чувствительность к помехам и к температурным колебаниям

n 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.

Ячейка 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 b_l, 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_l, зависящей от электрооптических свойств кристалла при данной длине волны l монохроматического света.

Рис. 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.