Генераторный датчик интервала измеряемого напряжения

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Датчики

Опубликовано: 16.03.2017 21:49

Просмотров: 2398

С.А. Ёлкин, г. Житомир
Поиск порогового устройства, которое бы реагировало на изменение напряжений в интервале 0,8... 1,4 В, простого по схемотехнике, выполненного на доступной элементной базе, несмотря на разнообразие имеющихся схемотехнически решений зарядно-разрядных устройств, которые были опубликованы в радиолюбительской литературе, увы, оказался безрезультатным.

Например, для ограничения максимального напряжения при заряде одного Ni-Cd аккумулятора в [1] был использован транзисторный аналог низковольтного стабилитрона. Практическая сборка и проверка параметров показала, что аналог получался, но требовал определенного подбора составляющих его транзисторов и диодов.
Классическое решение с использованием компаратора на микросхеме К548УН1А предлагалось в [2], но для контроля напряжения 1 В в разрядном устройстве требовалось опорное напряжения «подставки».
Определенные сомнения на предмет стабильности напряжения на «подставке» совместно с необходимостью подбора собственно компаратора как элемента, на мой взгляд, сводили на нет все преимущества такого решения.
В [3] предлагалось использовать ключ на аналоге однопереходного транзистора [4] (двухбазового диода), который работал в статическом режиме.
Однако при попытках практически повторить ключ на трех парах различных (не подбираемых заранее) транзисторов устройство в соответствии с описанием не работало.
Схема [4], на мой взгляд, изначально «сырая», поскольку имеющийся практический опыт позволяет однозначно утверждать, что ключевые элементы со структурой р-n-p-n, к примеру, тринисторы, однопереходные транзисторы и их аналоги, в цепях постоянного тока однозначно требуют дополнительных схемотехнических решений по возврату элемента в исходное состояние.
Общим в схемотехнике упомянутых устройств было использование переключательных свойств стабилитрона (стабистора), однопереходного транзистора и их аналогов в комбинациях, составленных либо из кремниевых, либо из кремниевых и германиевых транзисторов и диодов.
Иначе говоря, получение требуемой величины напряжения срабатывания ключа было реализовано схемотехнически.
Во всех схемах активные элементы ключей работали в статическом режиме.
Два минуса, если их определенное время и определенным образом вращать, позволяют получить плюс, что и произошло. В результате анализа положительных и отрицательных качеств рассмотренных схемотехнических решений была синтезирована идея: вместо статического режима работы пороговых элементов использовать динамический, с последующей реализацией его в виде генераторного датчика (ГД), который выполнен по схеме релаксационного RC-генератора на однопереходном транзисторе.
В подходе к алгоритму работы было принято еще одно нестандартное решение, а именно использование (в связи с малым потреблением) контролируемого параметра в качестве напряжения питания (НП) собственно ГД.
Если, к примеру, рассмотреть ГД датчик, описанный в [5], то параметром, влияющим на изменение уровня его выходного сигнала (0 или 1), является изменение величины жесткой положительной обратной связи (ПОС), которая определялась наличием или отсутствием между индуктивно связанными контурами генератора экранирующей перегородки при НП = const.
Для нашего случая, поскольку на вольтамперной характеристике однопереходного транзистора имеется участок с отрицательным сопротивлением, то он, как генератор, не требует ПОС, поэтому факторами, влияющими на выходные параметры датчика, могут быть только НП и значения элементов времязадающей цепи.
На первом этапе ГД на транзисторе КТ117 (рис.1) был испытан на возникновение и срыв генерации при постоянных значениях времязадающих цепей и изменении только значения НП.
 
В процессе эксперимента выяснилось, что генератор имеет свойства двухпорогового ГД, что подтверждало идею. Так, при варьировании НП от меньших значений к большим, генерация сначала, от некоторого меньшего значения, возникала, затем в определенном интервале напряжений амплитуда и частота генерируемого ГД напряжения увеличивались, а после достижения НП некоторого большего значения генерация прекращалась.
При уменьшении НП ниже верхнего напряжения срыва генерации процесс происходил в обратном порядке, что предполагало возможность его работы как в составе зарядных, так и разрядных устройств для аккумуляторов (АК), а также для автоматического подзаряда в режиме их хранения.
Очевидно, что физический смысл генерации при минимальном НП схемы ГД определяется возможностью к генерации активного элемента при этом напряжении и в целом зависит от конструкции и материала n-р (р-n) переходов элемента. Срыв генерации ГД при определенном увеличении НП вызван конкретными параметрами его RС-цепи и частотными свойствами активного элемента.
Например, согласно [6], максимальная частота генерации для транзистора КТ117 - 200 кГц.
На втором этапе эксперимента была испытана схема ГД (рис.2) на аналоге однопереходного транзистора (AОТ), который был выполнен на кремниевых транзисторах.
 
Испытания проводились на трех разных парах транзисторов, без какого-либо предварительного подбора. AОТ работает следующим образом.
В начальный момент после подачи напряжения питания ток, протекающий через делитель из резисторов Rсм1, Rсм2, создает на втором из них падение напряжения, закрывающее эмиттерный переход транзистора VT1.
Конденсатор С2 разряжен. По мере заряда конденсатора С2 через резистор Rs от источника питания начинает увеличиваться значение положительного напряжения на эмиттере транзистора VT1, потенциал его базы относительно эмиттера становится более отрицательным, и транзистор VT1 открывается. Вслед за транзистором VT1 благодаря наличию 100-% ПОС открывается и транзистор VT2. Иначе говоря, оба транзистора открываются лавинообразно.
Результаты измерений параметров ГД при проведении эксперимента приведены в табл.1.
 
Примечание 1
Суммарную величину Rсм1 и Rсм2 для конкретных контролируемых напряжений выбирают из соображений протекания тока через делитель 1 мА.
Как видно из табл.1, в схеме на АОТ удалось получить меньшую величину напряжения возникновения генерации, причем путем простой подстройки напряжения смещения для каждой конкретной пары транзисторов.
Экспериментально установлено, что нижняя граница НП может варьироваться от 0,8 В и выше с помощью резисторов делителя Rсм1, Rсм2, а верхняя граница - с помощью резистора Rз, причем в достаточно широких пределах.
Следует также отметить, что при изменении значения верхнего уровня НП с помощью Rз значение нижнего уровня не изменяется. Иначе говоря, регулировки уровней не влияют друг на друга.
Поскольку на резисторе Rр в связи с прохождением через него межбазового тока имеется некоторый потенциал, выход ГД подключен к формирователю через развязывающий конденсатор.
По виду выходного сигнала датчик достаточно универсален и может быть использован как с аналоговыми устройствами, так и с цифровыми. Для этого нужно только соответственно сформировать его выходной сигнал под их уровни реагирования.
Действительно, выходной сигнал ГД, выполненных по схемам, показанным на рис.1 и рис.2, в процессе измерения НП имеет вид импульсов с малой длительностью и изменяющимися частотой и амплитудой.
Поэтому для дальнейшего использования его необходимо сформировать. Одна из возможных схем формирователя ГД на дискретных элементах показана на рис.3,
 
 а на ИМС [7] - на рис.4.
 
Как видно на рис.3, транзисторы VT1 и VT2 усиливают и ограничивают генерируемый сигнал сверху до амплитуды, достаточной для управления ждущим мультивибратором (ЖМ) на транзисторах VT3 и VT4.
Транзистор VT5 является буферным каскадом и служит для уменьшения влияния на работу ЖМ нагрузки, и при ее достаточно высоком входном сопротивлении может быть исключен.
Питание формирователя осуществляется от отдельного стабилизированного источника.
Сформированный сигнал можно выпрямить и использовать наличие или отсутствие постоянного напряжения как
логические уровни 0 или 1.
Для управления также можно использовать изменяющуюся частоту сигнала ГД в герцах, либо тот и другой параметр одновременно.
ГД обеспечивает вполне приемлемую для радиолюбительской практики точность порогов срабатывания от влияния дестабилизирующих факторов.
Примечание 2
В связи с довольно частым перепутыванием баз однопереходного транзистора при монтаже и неточностями, допущенными в некоторой справочной радиолюбительской литературе, на схеме, показанной на рис.1, указаны буквенные наименования электродов, а цоколевка транзистора КТ117 (вид со стороны выводов) показана на рис.5.
 
Настройка
Настройку ГД желательно проводить совместно с собранным формирователем и конкретной исполнительной схемой.
Наблюдения за ходом регулировок проводится с помощью осциллографа.
Налаживание ГД на АОТ (рис.2) проводится в следующей последовательности.
На внешнем источнике питания (ВИП) устанавливается выходное напряжение 0,8 В. Временно, вместо резистора Rз, устанавливаются постоянный резистор 5 кОм и потенциометр 100 кОм, подвижный контакт которого установлен на максимум сопротивления.
Вместо резисторов Rсм1 и Rсм2 устанавливается потенциометр 5,6 кОм, подвижный контакт которого установлен примерно посредине. Подвижный контакт соединяется с точкой соединения базы транзистора VT1 и коллектора транзистора VT2.
Осциллограф подключается параллельно конденсатору С1. Подстройкой потенциометра 5,6 кОм добиваются возникновения генерации. При правильном выборе режима форма генерируемого напряжения на конденсаторе С1 должна быть близка к пилообразной, без ограничения сверху. Амплитуда генерируемого сигнала примерно равна 50...70 мВ.
Дальше измеряют получившиеся величины сопротивления вспомогательного потенциометра 5,6 кОм относительно подвижного контакта и заменяют потенциометр постоянными резисторами с соответствующими значениями.
Настройку на требуемый верхний контролируемый уровень осуществляют только изменением резистора Rз.
Например, для датчика контроля за напряжением заряда одного Ni-Cd элемента требуется (по ин-формации из некоторых источников) реагирование на уровне 1,48 В.
Увеличивают напряжение ВИП до значения 1,48 В. При достижении этого напряжения генерация должна сорваться. Если этого не происходит, производят регулировку потенциометром Rз.
На экране осциллографа приближение к срыву генерации выглядит как появление неустойчивых колебаний, скважность которых приближается к двум.
Настройка ГД на транзисторе КТ117 аналогична, однако поскольку его нижний предел возникновения генерации задан величинами омических контактов, находящихся внутри элемента конструктивно [6], поэтому в данной схеме можно регулировать только верхний уровень срабатывания.
Настройка формирователя, выполненного из исправных деталей, особого налаживания не требует. При подаче напряжения с генератора НЧ частотой 100 Гц и напряжением 30 мВ амплитуда сигнала на коллекторе транзистора VT2 должна иметь ограничение сверху.
После дифференцирующей цепочки C4R5 сигнал принимает вид коротких остроконечных импульсов. Выходной сигнал формирователя -калиброванные по амплитуде и по длительности прямоугольные импульсы (во всем диапазоне генерации), а частота равна частоте импульсов, поступающих с ГД.
Рекомендация
При необходимости точного подбора резисторов, задающих уровни срабатывания ГД, можно воспользоваться следующей методикой. Для увеличения, к примеру, номинала резистора 10 кОм на 1 % последовательно с ним надо включить резистор
100 Ом, для уменьшения на ту же величину - включить параллельно ему резистор 1 МОм, и т.д.
Детали
Емкость времязадающего конденсатора С1 (рис.1 и рис.2) не критична и может колебаться в пределах 0,1...0,5 мкФ, тип конденсатора для обеспечения надежной работы желательно использовать с малыми утечками.
Транзисторы - без особого отбора, перед использованием в схеме их проверяют омметром. При измерении сопротивления перехода Э-К на пределе 100 кОм стрелка омметра не должна отклоняться.
На общую работоспособность транзисторы проверяют генераторным пробником, описанным в [8].
РА З'2011
Литература
1.  Белоусов О.В. Зарядное устройство для НКА // Радиоаматор. - 1997. - №11. - С.35.
2.  Горейко Н.П. Зарядно-разрядные устройства // Электрик. - 2002. - №9. -С.6; 2002. -№10. - С.З; 2002. -№11.- С.5.
3.  Чистяков А. Доработка зарядного устройства // Радио. - 1995. - №10. - С.49.
4.  Крылов В. Однопереходный транзистор // Радио. - 1972. - №7. - С.56.
5.  ЕлкинС.А. Бесконтактный щелевой датчик// Радиоаматор. - 1999. - №3. -С.29.
6.  ПляцО.М. Справочник по электровакуумным и полупроводниковым приборам и интегральным схемам. - Минск: Высшая школа, 1976.
7.  Фетисов Д. Прибор для контроля искрообра-зования//Радио. - 1991. -№12. -С.27.
8.  Епкин С.А. Генераторный пробник для проверки биполярных транзисторов // Радиоаматор. -2001.-№7. -С.24.