Меню

Микросхемы для измерения постоянного тока

Микросхемы для измерения постоянного тока

Измеритель тока, напряжения и мощности — INA226.

Автор: rai2011
Опубликовано 13.09.2018
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2018!»

Здравствуйте уважаемые коты. Хочу рассказать о проведённых экспериментах с микросхемой INA226 производства фирмы Texas Instruments.
Микросхема предназначена для измерения тока, напряжения и мощности в нагрузке постоянного тока. Общается INA226 с внешним миром по интерфейсу I2C.
Возможности микросхемы:
— измерение постоянного напряжения до 36 вольт;
— измерение тока, протекающего через нагрузку;
— вычисление мощности;
— отслеживание превышения или снижения заданного параметра (измеряемого напряжения, напряжения шунта, мощности) с выдачей сигнала на вывод Alert;
— 16 программируемых адресов для шины I2C;
— напряжение питания 2,7 – 5 V.

Для проведения «научных» экспериментов на просторах AliExpress был куплен модуль INA226:

В качестве микроконтроллера для общения с модулем использовалась самодельная отладочная плата на STM32F103C8T6. Для просмотра результатов использовался логический анализатор, купленный на том же AliExpress. На фото ниже представлена вся конструкция в сборе.

Расположение выводов микросхемы показана на рисунке ниже, назначение выводов приведено в таблице 1

Входные сигналы микросхемы имеют следующие параметры:
— напряжение на резисторе шунта не должно превышать 80mV;
— измеряемое напряжение на выводе VBUS не должно превышать 36V.
Теперь можно приступать к работе и собирать тестовую схему. Схема устройства представлена на рисунке. Для фильтрации шумов и помех при измерении напряжения шунта микросхему необходимо подключать согласно рекомендациям в даташите «Figure 21. Input Filtering». На моём модуле блокировочного конденсатора и резисторов нет. Для экспериментов была собрана сдедующая схема:

Микросхема INA226 поставляется девственно чистой, т.е. кроме регистра конфигурации и регистров ID остальные регистры содержат нули. Набор регистров и их функции приведены в таблице 4.

(1) Type: R = только чтение, R/W = чтение/запись

Согласно даташиту, перед началом работы нам необходимо запрограммировать калибровочный регистр (Calibration Register) и регистр конфигурации (Configuration Register). Калибровочный регистр программируется согласно разделу даташита «7.5 Programming». По формуле 2 даташита рассчитываем разрешение регистра тока A/bit.

где:
Maximum Expected Current – максимально измеряемый ток
Current_LSB – разрешение регистра тока A/bit.

На модуле стоит резистор шунта 0,01 Ом. Отсюда следует, что при максимальном напряжении на шунте 80mV, измеряемый то будет 8А.

I = 0,08 / 0,01 = 8А

Вычисляем разрешение регистра тока:

Current_LSB = 8/215 = 0,000244140625 A/bit.

Для проведения дальнейших расчётов такое число не очень удобно, поэтому мы округлим его до 0,000500 A/bit или 500 μА/ bit. Согласно формулы 1 даташита, рассчитываем значение калибровочного регистра.

где:
Current_LSB – разрешение регистра тока A/bit;
RSHUNT – сопротивление резистора шунта (Ом);
CAL – значение калибровочного регистра.

CAL = 0,00512/(0,000250*0,01) = 1024

Значение калибровочного регистра будет 1024 в десятичном коде или 400H в шестнадцатеричном коде. Записываем данное значение в регистр калибровки.
Далее идёт регистр конфигурации. Назначение битов приведено ниже.

Параметры регистра конфигурации определяют режимы работы устройства. Этот регистр контролирует установки времени преобразования для измерений напряжения шунта и шины, также использование режима усреднения.
Регистр конфигурации можно прочитать в любое независимо от установок прибора или идущего преобразования. Запись в регистр конфигурации останавливает любое преобразование до завершения записи, приводя к новому преобразованию, начинающемуся на основе нового содержания регистра конфигурации (00h). Эта остановка предотвращает любую неопределенность в условиях, используемых для следующего завершенного преобразования.

(1)Затененная строка — значения по умолчанию.

(1)Затененная строка — значения по умолчанию.

(1)Затененная строка — значения по умолчанию.

(1)Затененная строка — значения по умолчанию.

Я оставил данный регистр без изменения. Каждый может настроить его на свой вкус.

Далее приступаем к измерениям тока, напряжения и мощности. Для проведения измерений нам необходимо знать разрешение каждого регистра, т.е. регистров напряжения шунта (Shunt Voltage Register), тока (Current Register), напряжения (Bus Voltage Register) и мощности (Power Register).
Разрешение регистра тока мы вычисли, оно составляет — 500 μА/bit, разрешение регистров напряжения шунта (Shunt Voltage Register) и напряжения (Bus Voltage Register) жёстко запрограммированы и составляют соответственно 2,5 μV/ bit и 1,25 mV/ bit.
Разрешение регистра мощности имеет жёстко запрограммированную зависимость от разрешения регистра тока равную 25, т.е. разрешение регистра мощности в 25 раз больше разрешения регистра тока. В нашем случае это составит 0,0005*25 = 0,0125 W/bit или 12,5 mW/bit.
Сравнивать будем с током и напряжением, измеренными тестером DT9208.
Для наглядности сведём все данные в таблицу:

В таблицах 10 и 11 в качестве нагрузки служил светодиод, включенный через сопротивление при напряжении питания 3,3 вольта. В таблицах 12 и 13 в качестве нагрузки использована лампа накаливания на 24 вольта 60 ватт, при напряжении питания 12,2 вольта.
Как вы уже, наверное, заметили, в таблицах 10 и 12 значение тока не совпадает с током, измеренным тестером. Это может быть вызвано, например, погрешностью сопротивления шунта. Для повышения точности измерений необходимо произвести корректировку калибровочного регистра как указано в разделе «7.5.2.1 Calibration Register and Scaling» даташита. По формуле 5 этого раздела вычисляем новое значение калибровочного регистра.

где:
Cal – текущее значение калибровочного регистра в десятичной форме;
MeasShuntCurrent – значение тока, измеренное образцовым ампермет-ром, делённое на разрешение регистра тока;
INA226_Current – текущее значение регистра тока INA226 в десятич-ном виде;
trunc — означает, что от результата берётся только целая часть.
Таким образом, получаем:

Corrected_Full_Scale_Cal = (1024*14)/17 = 843,294

Отбрасываем от результата дробную часть, и получаем 843 или 34Вh в шестнадцатеричном коде. Записываем в микросхему новое значение калибровочного регистра и получаем более точные значения тока и мощности. Смотрите таблицы 11 и 13.
Конечно, для корректировки необходимо использовать более точные приборы.

Несколько слов о работе по шине I2C. Рассматривать работу шины я не вижу смысла, в интернете полно таких описаний, поэтому перейдём к делу. Как было сказано выше, микросхема INA226 имеет возможность выставить один из 16 адресов, т. е. одним микроконтроллером можно опрашивать 16 микросхем. Адреса определяются соединением адресных входов с соответствующими выводами микросхемы, как указано в разделе даташита.

Конструкция моего модуля предусматривает соединение адресных входов с плюсом питания, поэтому адрес модуля 8Ah.

Так как шина I 2 C работает только с однобайтовыми данными, то для чтения/записи двухбайтовых регистров необходимо следовать следующим рекомендациям.

Для чтения данных из микросхемы необходимо отправить адрес регистра, который необходимо прочитать, затем по очереди считать два байта данных. Первым идёт старший байт регистра, вторым младший.

Для записи данных в регистр микросхемы необходимо отправить адрес регистра, в который мы хотим записать данные, затем по очереди отправить два байта данных. Первым отправляется старший байт.

Судя по всему в микросхеме нет автоматического инкремента адреса для чтения регистров, поэтому при чтении регистров необходимо указывать адрес.

Теперь немного о программе. Программа микроконтроллера построена следующим образом:

— инициализация I 2 C;

— функция старта для записи в регистр;

— функция старта для чтения регистра;

— в главном цикле происходит чтение регистров тока, напряжения, мощ-ности и регистра шунта.

Содержание регистров отслеживается с помощью логического анализатора.

Здесь не рассматривается работа микросхемы с функцией Alert, регистры Mask/Enable Register и Alert Limit Register. Я думаю, не составит труда разобрать это самостоятельно.

Небольшой вывод. Микросхема INA226 обеспечивает хорошую точность измерения. Позволяет работать в нескольких режимах, в зависимости от необходимости. Широкий диапазон напряжений питания (подходит под все существующие микроконтроллеры). Микросхема хорошо подходит для работы со стандартными шунтами на 75 mV (т.е. предел измеряемого тока определяется ёмкостью регистра тока и его разрешением). Если применить делитель напряжения можно так же расширить диапазон измеряемого напряжения.

Исходник программы, прошивка и описание регистров находятся в архиве. Надеюсь, моя статья кому-нибудь пригодится. Прошу не рассматривать статью как рекламу товара.

Источник

Микросхемы для измерения тока

Один из самых простых способов измерения тока в электрической цепи — это измерение падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Но при прохождении тока через этот резистор, на нем выделяется бесполезная мощность в виде тепла, поэтому оно выбирается минимально возможной величины, что в свою очередь влечет за собой последующее усиление сигнала. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Читайте также:  Принципы измерения импульсного тока

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки, ris1

Схема измерения тока нагрузки в отрицательном полюсе приведена на рисунке 1.

Эта схема и часть информации заимствована из журнала «Компоненты и технологии» №10 за 2006г. Михаил Пушкарев pmm@midaus.com
Преимущества:
• низкое входное синфазное напряжение;
• входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
• простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
• нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
• отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
• возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит много ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием. Схема измерения тока с применением операционного уси¬лителя приведена на рис. 1. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется двухполярное питание усилителя.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки, ris2_3

Достоинства:
• нагрузка заземлена;
• обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.
Недостатки:
• высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
• необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

В схеме на рис. 2 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

Но есть ОУ, которые способны работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 3, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. Для измерения тока в положительном полюсе есть и специализированные микросхемы, например — INA138 и INA168.

INA138 и INA168

— высоковольтные, униполярные мониторы тока. Широкий диапазон входных напряжений, низкий потребляемый ток и малые габариты — SOT23, позволяют использовать эту микросхему во многих схемах. Напряжение источника питания от 2.7 В до 36 В для INA138 и от 2.7 В до 60 В для INA168. Входной ток — не более 25мкA, что позволяет производить измерение падения напряжения на шунте с минимальной ошибкой. Микросхемы являются преобразователями ток — напряжение с коэффициентом преобразования от1 до 100 и более. INA138 и INA168 в корпусах SOT23-5 имеют диапазон рабочих температур -40°C к +125°C.
Типовая схема включения взята из документации на эти микросхемы и показана на рисунке 4.

Измерение тока нагрузки, ris4_5

OPA454

OPA454, ris6

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
(предельно до 120 В)
Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин

Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.

В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока».
Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.

Источник

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДАТЧИКОВ И СЕНСОРОВ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

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.

♦ 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:

♦ резистивные или емкостные элементы и пр.

Таким образом, в состав микросхем датчиков и сенсоров входят:

Читайте также:  При каком токе лучше заряжать аккумулятор автомобильный

♦ внешний или встроенный датчик контролируемого параметра;

♦ 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

Диапазон измерений, А

Период измерения, мс

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:

♦ 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

Читайте также:  Что значит частота тока 50 герц

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

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

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.

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.

Источник



Одна микросхема для создания любого датчика тока

Melexis MLX91206

Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis - MLX91206

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

Области применения :

  • измерение потребляемого тока в батарейном питании;
  • преобразователи солнечной энергии;
  • автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.

MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, пропорциональное полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

Отличительные особенности :

  • программируемый высокоскоростной датчик тока;
  • концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
  • защита от перенапряжения и переполюсовки;
  • бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
  • быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
  • программируемый переключатель;
  • выход термометра;
  • ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
  • 17-битный номер ID;
  • диагностика неисправной дорожки;
  • быстрое время отклика;
  • огромная полоса пропускания DC – 90 кГц.

Как датчик работает :

MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais® Hall. Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall® чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall®), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall® может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции. ). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика ( Измерение небольших токов до ±2 A

Небольшие токи могут быть измерены с помощью MLX91206 за счет увеличения магнитного поля через катушку вокруг датчика. Чувствительность (выходное напряжение по сравнению с током в катушке) измерения будет зависеть от размера катушки и числа витков. Дополнительная чувствительность и снижение чувствительности к внешним полям можно получить, добавив экран вокруг катушки. Бобина обеспечивает очень высокую диэлектрическую изоляцию, делая MLX91206 подходящим решением для высоковольтных источников питания с относительными малыми токами. Выход должен быть расширен, чтобы получить максимальное напряжение для больших токов с целью получения максимальной точности и разрешения при измерениях.

MLX91206 - Решение для низкого тока
Рис.1. Решение для низкого тока.

Средние токи до ±30 A

С помощью одного проводника, расположенного на печатной плате, могут быть измерены токи в диапазоне до 30 А. При трассировке печатной платы необходимо учитывать допустимый ток и общую рассеиваемую мощность дорожки. Дорожки на печатной плате должны быть достаточно толстыми и достаточно широкими, чтобы непрерывно обрабатывать средний ток. Дифференциальное выходное напряжение для этой конфигурации может быть аппроксимировано следующим уравнением:

Для тока 30 А, на выходе будет примерно 1050 мВ.

MLX91206 - Решение для средних величин тока
Рис.2. Решение для средних величин тока.

Измерение больших токов до ±600 A

Другим методом измерения больших токов на печатных платах является использование толстых медных дорожек, способных проводить ток на противоположной стороне печатной платы. MLX91206 должны быть расположены близко к центру проводника, однако, так как проводник очень широкий, выход менее чувствителен к расположению на плате. Эта конфигурация также имеет меньшую чувствительность в зависимости от расстояния и ширины проводника.

MLX91206 - Решение для больших величин тока
Рис.3. Решение для больших величин тока.

О компании Melexis

Созданная более десяти лет, компания Melexis разрабатывает и производит продукцию для автомобильной промышленности, предлагая множество интегральных датчиков, ASSPs и СБИС. Решения Melexis чрезвычайно надежны и отвечают высоким стандартам качества, необходимым в автомобильных применениях.

Посмотреть ассортимент

Источник