АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДАТЧИКОВ И СЕНСОРОВ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

June 28, 2014 by admin Комментировать »

Датчики предназначены для преобразования электрических и неэлектрических величин в электрически измеряемую величину (напряжение, ток, частоту).

Сенсоры представляют собой устройства, предназначенные для выделения сверхпороговых значений контролируемого параметра и последующего включения/отключения исполнительного механизма.

Те и другие устройства предназначены для наделения радиоэлектронного устройства своеобразным аналогом органа чувств, причем, датчики позволяют «ощутить» силу/интенсивность и другие параметры воздействия, их выходной сигнал, как правило, прямо пропорционален силе/ амплитуде внешнего воздействия. В свою очередь, сенсоры чаще всего работают в режиме индикации, фиксируя, есть или нет надпороговый сигнал, который требуется зарегистрировать или отреагировать на него.

Специализированные микросхемы датчиков и сенсоров представляют особый вид аналоговых микросхем [25.1].

Датчики по их назначению можно подразделить на такие группы.

Преобразователи электрических величин:

♦  напряжения;

♦  тока;

Преобразователи неэлектрических величин:

♦    механических (скорости, ускорения, угла, направления движения, относительного удлинения и т. д.);

♦    химических (концентрации агрессивных или биологически опасных ингредиентов в газовой или жидкой фазах — аммиака, угарного или углекислого газа, метана, этанола и т. д.);

♦    физических (магнитных; акустических; тепловых, световых — от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов, ионизирующих излучений).

Сенсоры можно считать разновидностью датчиков, которые реагируют, например, на приближение человека или животного, на сверхпороговое превышение уровня контролируемого параметра.

В качестве чувствительных элементов датчиков, обеспечивающих первичное восприятие контролируемого фактора и адекватную реакцию на него, могут выступать:

♦  индуктивные датчики;

♦  элементы Холла;

♦  полупроводниковые п-р-переходы;

♦  резистивные или емкостные элементы и пр.

Таким образом, в состав микросхем датчиков и сенсоров входят:

♦  внешний или встроенный датчик контролируемого параметра;

♦  усилитель и, при необходимости, пороговое устройство;

♦  и/или преобразователь выходного сигнала.

Основными производителями микросхем-датчиков, табл. 25.1, являются фирмы Honeywell, Analog Devices, Dallas Semiconductor, Philips Semiconductor, Motorola, Maxim, IFM Electronic, Microchip Technology [25.1—25.5 и др.].

Рассмотрим примеры практического применения микросхем- сенсоров.

Рис. 25.7. Эквивалентная схема микросхемы-датчика напряжения МАХ82 7 7

Микросхемы-датчики напряжения МАХ8211У МАХ8212 содержит компаратор на ОУ, один из входов которой присоединен к внутреннему прецизионному источнику опорного напряжения 1,15 В, а второй — к внешнему источнику напряжения сравнения (резистивному делителю) [25.4].

К выходу ОУ подключены ключевые элементы управления органами регулировки на транзисторах, рис. 25.1, рис. 25.2. Диапазон рабочих напряжений микросхем — 2,0—16,5 (в пределе 18)

Рис. 25.2. Эквивалентная схема микросхемы-датчика напряжения МАХ8212

В. Время включения 40/250 икс; отключения — 1,5/3 мс для микросхем МАХ8211/МАХ8212.

Типовая схема включения микросхемы-датчика напряжения МАХ8211 приведена на рис. 25.3 [25.4]. При снижении напряжения питания до уровня менее +4,5 В на выходе микросхемы появляется управляющий сигнал.Основные области применения и характеристики микросхем-датчиков                                                                                                                                                                                                    Таблица 25.1

Таблица 25.1 (продолжение)

Рис. 25.3. Схема порогового устройства контроля напряжения на микросхеме МАХ8211

Рис. 25.4. Схема защиты батареи питания от разряда

Пример практического применения микросхемы МАХ8212 для защиты батареи питания от глубокого разряда показан на рис. 25.4

[25.6]. При снижении питающего напряжения ниже критического уровня, заданного резистивным делителем R2/R3, батарея отключается. Уровень этого напряжения можно задавать, используя соотношение: U3amHTb,=1.15(R2+R3)/R2, В. При отключении нагрузки потребление тока от батареи не превышает 5 мкА.

Рис. 25.5. Применение микросхем LM3822/3824 для измерения тока нагрузки

Для измерения постоянных токов могут быть использованы специализированные микросхемы-датчики тока LM3822/3824, производимые фирмой National Semiconductor. Типовая схема измерителя тока показана на рис. 25.5 [25.5, 25.7]. Напряжение, снимаемое с датчика тока сопротивлением 3 мОм, подается на дельта-сигма модулятор 1, сигнал с которого через цифровой фильтр 2 подается на один из входов компаратора 4. На второй вход компаратора подается сигнал от внутреннего генератора сигналов 3. В итоге на выходе микросхемы формируется широтноимпульсный модулированный сигнал, постоянная составляющая которого прямо пропорциональна величине измеряемого тока.

Если измеряемый ток равен нулю, величинаПри

токе «положительного» направления D изменяется в пределах от 50 до

95,5   %, при «отрицательном» направлении тока — от 50 до 4,5 %. Основные характеристики микросхем LM3822/3824 сведены в табл. 25.2.

Рис. 25.6. Универсальная схема измерителя постоянного тока на микросхеме LM3822/3824

Падение напряжения на датчике тока микросхемы не превышает 3 мВ. Ток, потребляемый микросхемой, не превышает 0,15 мА. Если напряжение питания устройства превышает 5—5,5 Б, схема включения микросхем LM3822/3824 модифицируется: напряжение для питания микросхемы ограничивается стабилитроном VD1 на уровне 4,7 Б, рис. 25.6.

Для расширения диапазона измерений возможно использование внешних шунтов Rnl.

Отметим, что микросхемы LM3822/3824 могут быть использованы с изменением схемы включения для контроля напряжений, измерения сопротивлений и т. д.

Характеристики микросхем LM3822/3824                                                                  Таблица 25.2

Тип микросхемы

Диапазон измерений, А

Ошибка измерений, %

Период измерения, мс

Разрешение, %

LM3822-1.0

-1,0…+1,0

±2

50

0,1

LM3822A-2.0

-2,0…+2,0

±2

50

0,1

LM3824-1.0

-1,0…+1,0

±3

6

0,8

LM3824-2 0

-2,0…+2,0

±3

6

0,8

Одним из наиболее распространенных и востребованным применением микросхем-датчиков является контроль температуры. На рисунках ниже приведены схемы, в которых для контроля температуры использована специализированная микросхема AD590 [25.8]. Так, на рис. 25.7 изображена схема электронного термостатирующего устройства, в котором микросхема термодатчика DA1 находится в тепловом контакте с нагревательным элементом — сопротивлением нагрузки RH.

Изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления термодатчика, что приводит к разбалансированию мостовой схемы и срабатыванию компаратора DA2, что, в свою очередь, открывает (или запирает) транзисторы VT1 и VT2, управляющие нагревательным

элементом. Потенциометром R4 устанавливают порог срабатывания (температурный порог включения/отключения нагревателя). Конденсатор С1 предназначен , для снижения влияния шумов.

Рис. 25.7. Схема электронного термостата с использованием микросхемы- термодатчика AD590

Рис. 25.8. Схема электронного термометра на диапазон температур 0—100 °С

Рис. 25.9. Схема дифференциального электронного термометра

Прецизионный электронный термометр, рис. 25.8, имеет чувствительность 10 мВ/град и работает в диапазоне температур 0—100 °С. Шкала прибора линейна. Потенциометром R2 устанавливают нулевое значение на шкале прибора при помещении датчика в тающий лед, потенциометром R7 — 100 % отклонение стрелки прибора при помещении датчика в кипящую при температуре 100 °С воду. Напомним, что такая температура кипения дистиллированной воды наблюдается при атмосферном давлении 760 мм pm. cm.

Дифференциальный электронный термометр (рис. 25.9) измеряет разность температур двух датчиков DA1 и DA2. Чувствительность прибора составляет 10 мВ! град.

Регулятор температуры (рис. 25.10) использует в качестве термочувствительного элемента специализированную микросхему IL135Z [25.9]. Для измерений используется мостовая схема, питаемая от стабилизированного источника постоянного напряжения. Сравнение напряжений, снимаемых с эталонной и измерительной ветвей мостовой схемы, осуществляет компаратор DAI LM311.

С выхода компаратора сигнал 1/0 поступает на транзисторный ключ VT1, нагруженный на исполнительное устройство, в данном случае — нагревательный элемент ELI. Благодаря наличию тепловой связи источник тепловыделения — термодатчик устройство способно поддерживать заданную при помощи потенциометра R2 температуру.

Датчики-акселерометры или датчики ускорений используют для измерения угла наклона и перемещения в устройствах ввода информации (компьютеры, ноутбуки, планшеты- компьютеры), игровых и иных контроллерах.

Рис. 25.10. Схема регулятора температуры (термостабилизатора) на основе компаратора с использованием температурного датчика на микросхеме IL135Z

Микросхемы-датчики серии AXDL фирмы Analog Devices — одно-, двух- или трехосевые акселерометры выполнены в LCC корпусе 5x5x2 мм. Они

способны измерять ускорения в динамическом диапазоне ±2 g с разрешением до 1 mg (что соответствует углу наклона менее 0,1°).

Рис. 25.11. Эквивалентная схема и цоколевка сверхминиатюрного одноосевого акселерометра ADXL103E

Одноосевой акселерометр ADXL103E (рис. 25.11) способен различать изменения ускорения на уровне 1 mg и работает в диапазоне ускорений до ±1,7 g. Выходной сигнал микросхемы пропорционален ускорению, крутизна преобразования составляет 1 Big. Напряжение питания микросхемы — 5 Ву потребляемый ток — менее 0,7 мА [25.2,25.10].

/Двухосевой акселерометр ADXL203E (рис. 25.12) имеет такие же характеристики. Емкость конденсаторов Сх и Су, определяющих частотные характеристики эксплуатации микросхемы, может иметь номинал от 0,002 до 4,7 мкФ.

Микросхема ADXL311 — маломощный двухосевой акселерометр с потенциальными аналоговыми выходами имеет динамический диапазон измерения ускорения ±2 g.

ADXL311 (рис. 25.13) может измерять как динамическое ускорение (например, вибрационное), так и статическое (например, гравитационное). При напряжении питания 3 В шумовой порог 300 да, что позволяет

Рис. 25.12. Эквивалентная схема и цоколевка сверхминиатюрного двухосевого акселерометра ADXL203E

Рис. 25.13. Эквивалентная схема и цоколевка сверхминиатюрного двухосевого акселерометра ADXL311

Рис. 25.14. Типовое включение магниточувствительной микросхемы TLE4905L

отслеживать изменения ускорения менее 2 mg. Крутизна преобразования составляет 0,167 Big. Напряжение питания микросхемы от 2,7 до 5,25 В, потребляемый ток — менее 0,4 мА.

Магниточувствительная микросхема TLE4905L (рис. 25.14) содержит в своем составе датчик Холла, усилитель, устройство сравнения, выходной ключевой элемент. Если к корпусу микросхемы поднести магнит (постоянный электромагнит), то уровень выходного сигнала переклю-чится. В качестве нагрузки микросхемы можно использовать резисторы, обмотку реле, светоизлучающий или иной индикатор. Ток нагрузки не должен превышать 50 мА. Напряжение питания микросхемы — от 6 до 24 В.

На основе магниточувствительной микросхемы можно создать радиоэлектронные устройства самого разнообразного назначения:

♦  пороговые индикаторы магнитного поля;

♦  элементы защиты недопустимого приближения;

♦  индикаторы открытых/закрытых дверей и форточек.

Микросхему можно использовать в схемах охранной сигнализации,

на ее основе можно собрать магнитоуправляемый электронный замок. Для этого достаточно использовать несколько последовательно включенных типовых элементов, контакты реле (или уровни выходных сигналов) включены по схеме совпадений: при условии срабатывания (или несрабатывания) элементов замка устройство сработает лишь при единственном уникальном сочетании признаков, заданных пользователем. В соответствии с расположением датчиков магнитного поля следует располагать микромагниты, залитые полимерным компаундом.

Магниторезистивный датчик ΚΜΖ10 фирмы Philips Semiconductor выполнен по мостовой схеме, рис. 25.15 [25.11]. Принцип его работы основан на магниторезистивном эффекте в тонких пермаллоевых пленках (изменение электрического сопротивления при изменении напряженности магнитного поля). Напряжение питания микросхемы 5 В (предельное — до 9 В). Пределы изменения напряженности магнитного поля

мВ /В

±0,5 кА/м. Чувствительность до 16——- . Сопротивление моста 0,8—

кА/м

1,6 кОм. Изменение выходного напряжения ±1,5 мВ/В. Температурный диапазон работы от -40 до +150 °С.

Передающее устройство ИК-диапазона, выполненное на современной элементной базе (рис. 25.16), позволяет транслировать ИК-сигналы или передавать аналого-цифровые сигналы, переключив вход усилителя переключателем SA1 [25.12].

Рис. 25.15. Эквивалентная схема и цоколевка магниторезистивного датчика KMZ10

В качестве элементов широкополосного усилителя использованы ТТЛ-инверторы 74HCU04 (К555ЛН1) и выходной каскад на полевом транзисторе BS170. В качестве чувствительно фотоприемника при трансляции оптических сигналов использована специализированная микросхема TORX173.

Устройство потребляет 25 мА (без сигнала) и до 170 мА — при подаче на вход сигнала.

Рис. 25.16. Схема передатчика сигналов ИК-диапазона

Примечание.

Излучающие ИК-светодиоды должны быть рассчитаны на соответствующий ток.

Простейший приемник сигналов инфракрасного диапазона может быть собран с использованием специализированной микросхемы DAI SFH5110, рис. 25.17 [25.13]. Подобные микросхемы широко используют в оптоэлектронных узлах современных технических устройств. Сигнал с выхода микросхемы DA1 напрямую транслируется 1- или 2-каскадными инверторами ТТЛ-микросхемы DD1 74НС04 (К555ЛН1) на исполняющее устройство.

Рис. 25.17. Схема приемника сигналов ИК-диапазона для дистанционного управления

Микросхемы инфракрасных (ИК) энкодеров НОА0901> НОА0902, HCL2705 предназначены для определения скорости вращения и точного угла поворота или линейного перемещения [25.14]. Микросхемы НОА0901 и НОА0902 состоят из двухканального интегрального фотодетектора и ИК-излучателя, заключенных в корпус из непрозрачного термопластика, рис. 25.18.

Эти датчики обычно используют совместно с кодирующим диском или линейкой, которые механически связанны с детектируемым объектом.

Примечание.

Они обычно имеют прецизионную разметку в виде просветных полосок шириной до 0,03 мм (максимальное разрешение для НОА0901).

В момент, когда размеченный диск совершает вращение вдоль просветного окна сенсора, схема обработки формирует на выходе два сигнала одинаковой формы и сдвинутых по фазе на 90° (или -90°, для вращения в противоположенную сторону).

Путем подсчета импульсов и анализа фазы измеряется угол поворота и направление вращения оси. Сенсор HLC2705 имеет аналогичную внутреннюю организацию, но не содержит ИК-излучателя.

Бесконтактные оптические твердотельные датчики уровня жидкости предназначены для определения порогового уровня жидкости в различных емкостях. Эквивалентная схема датчиков уровня жидкости фирмы Honeywell приведена на рис. 25.19 [25.14].

Рис. 25.19. Эквивалентная схема ИК-датчиков уровня жидкости

Рис. 25.18. Эквивалентная схема ИК-энкодера НОА0901, НОА0902

Датчики серии LLE имеют схему защиты от короткого замыкания по выходу, превышения питающего напряжения и смены его полярности. ИК-излучатель и приемник расположены внутри прозрачного колпака датчика.

В отсутствии жидкости ИК-сигнал отражается от поверхности колпака и принимается фотоприемником. При погружении колпака в жидкость происходит снижение интенсивности принимаемого ИК-сигнала. Изменение тока через фототранзистор вызывает переключение триггера и, соответственно, уровня выходного сигнала.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты