Датчики призначені для перетворення електричних і неелектричних величин в електрично вимірювану величину (напруга, струм, частоту).

Сенсори являють собою пристрої, призначені для виділення сверхпороговой значень контрольованого параметра і подальшого включення / відключення виконавчого механізму.

Ті й інші пристрої призначені для наділення радіоелектронного пристрою своєрідним аналогом органу чуття, причому, датчики дозволяють «відчути» силу / інтенсивність та інші параметри впливу, їх вихідний сигнал, як правило, прямо пропорційний силі / амплітуді зовнішнього впливу. У свою чергу, сенсори найчастіше працюють в режимі індикації, фіксуючи, є чи немає надпороговий сигнал, який потрібно зареєструвати або відреагувати на нього.

Спеціалізовані мікросхеми датчиків і сенсорів становлять особливий вид аналогових мікросхем [25.1].

Датчики за їх призначенням можна поділити на такі групи.

Перетворювачі електричних величин:

♦ напруги;

♦ струму;

Перетворювачі неелектричних величин:

♦ механічних (швидкості, прискорення, кута, напрямку руху, відносного подовження і т. Д.);

♦ хімічних (концентрації агресивних або біологічно небезпечних інгредієнтів у газовій або рідкій фазах – аміаку, чадного або вуглекислого газу, метану, етанолу і т. Д.);

♦ фізичних (магнітних; акустичних; теплових, світлових – від інфрачервоного до ультрафіолетового діапазонів, іонізуючих випромінювань).

Сенсори можна вважати різновидом датчиків, які реагують, наприклад, на наближення людини або тварини, на сверхпороговое перевищення рівня контрольованого параметра.

В якості чутливих елементів датчиків, що забезпечують первинне сприйняття контрольованого фактора і адекватну реакцію на нього, можуть виступати:

♦ індуктивні датчики;

♦ елементи Холла;

♦ напівпровідникові п-р-переходи;

♦ резистивні або ємнісні елементи та ін.

Таким чином, до складу мікросхем датчиків і сенсорів входять:

♦ зовнішній або вбудований датчик контрольованого параметра;

підсилювач і, при необхідності, порогове пристрій;

♦ та / або перетворювач вихідного сигналу.

Основними виробниками мікросхем-датчиків, табл. 25.1, є фірми Honeywell, Analog Devices, Dallas Semiconductor, Philips Semiconductor, Motorola, Maxim, IFM Electronic, Microchip Technology [25.1-25.5 та ін.].

Розглянемо приклади практичного застосування мікросхем- сенсорів.

Рис. 25.7. Еквівалентна схема мікросхеми-датчика напруги МАХ82 7 липня

Мікросхемидатчики напруги МАХ8211У МАХ8212 містить компаратор на ОУ, один з входів якої приєднаний до внутрішнього прецизійному джерела опорного напруги 1,15 В, а другий – до зовнішнього джерела напруги порівняння (резистивний делителю) [25.4].

До виходу ОУ підключені ключові елементи управління органами регулювання на транзисторах, рис. 25.1, рис. 25.2. Діапазон робочих напруг мікросхем – 2,0-16,5 (у межі 18)

Рис. 25.2. Еквівалентна схема мікросхеми-датчика напруги МАХ8212

В. Час включення 40/250 ікс; відключення – 1,5 / 3 мс для мікросхем МАХ8211 / МАХ8212.

Типова схема включення мікросхеми-датчика напруги МАХ8211 приведена на рис. 25.3 [25.4]. При зниженні напруги живлення до рівня менше +4,5 В на виході мікросхеми з’являється керуючий сігнал.Основние області застосування і характеристики мікросхем-датчиків Таблиця 25.1

Таблиця 25.1 (продовження)

Рис. 25.3. Схема порогового пристрою контролю напруги на мікросхемі МАХ8211

Рис. 25.4. Схема захисту батареї живлення від розряду

Приклад практичного застосування мікросхеми МАХ8212 для захисту батареї живлення від глибокого розряду показаний на рис. 25.4

[25.6]. При зниженні напруги живлення нижче критичного рівня, заданого резистивним дільником R2 / R3, батарея відключається. Рівень цієї напруги можна задавати, використовуючи співвідношення: U3amHTb, = 1.15 (R2 + R3) / R2, В. При відключенні навантаження споживання струму від батареї не перевищує 5 мкА.

Рис. 25.5. Застосування мікросхем LM3822 / 3824 для вимірювання струму навантаження

Для вимірювання постійних струмів можуть бути використані спеціалізовані мікросхеми-датчики струму LM3822 / 3824, вироблені фірмою National Semiconductor. Типова схема вимірювача струму показана на рис. 25.5 [25.5, 25.7]. Напруга, що знімається з датчика струму опором 3 мОм, подається на дельта-сигма модулятор 1, сигнал з якого через цифровий фільтр 2 подається на один із входів компаратора 4. На другий вхід компаратора подається сигнал від внутрішнього генератора сигналів 3. У результаті на виході мікросхеми формується широтноімпульсної модульований сигнал, постійна складова якого прямо пропорційна величиною вимірюваного струму.

Якщо вимірюваний струм дорівнює нулю, величинаПри

струмі «позитивного» напряму D змінюється в межах від 50 до

95,5%, при «негативному» напрямку струму – від 50 до 4,5%. Основні характеристики мікросхем LM3822 / 3824 зведені в табл. 25.2.

Рис. 25.6. Універсальна схема вимірювача постійного струму на мікросхемі LM3822 / 3824

Падіння напруги на датчику струму мікросхеми не перевищує 3 мВ. Струм, споживаний мікросхемою, не перевищує 0,15 мА. Якщо напруга живлення пристрою перевищує 5-5,5 Б, схема включення мікросхем LM3822 / 3824 модифікується: напруга для живлення мікросхеми обмежується стабілітроном VD1 на рівні 4,7 Б, рис. 25.6.

Для розширення діапазону вимірювань можливе використання зовнішніх шунтів Rnl.

Відзначимо, що мікросхеми LM3822 / 3824 можуть бути використані зі зміною схеми включення для контролю напруг, вимірювання опорів і т. Д.

Характеристики мікросхем LM3822 / 3824 Таблиця 25.2

Тип мікросхеми

Діапазон вимірювань, А

Помилка вимірювань,%

Період вимірювання, мс

Дозвіл,%

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 з найбільш поширених і затребуваним застосуванням мікросхем-датчиків є контроль температури. На малюнках нижче наведені схеми, в яких для контролю температури використана спеціалізована мікросхема AD590 [25.8]. Так, на рис. 25.7 зображена схема електронного термостатують пристрою, в якому мікросхема термодатчика DA1 знаходиться в тепловому контакті з нагрівальним елементом – опором навантаження RH.

Зміна температури викликає зміну електричного опору термодатчика, що призводить до розбалансування мостової схеми і спрацьовування компаратора DA2, що, в свою чергу, відкриває (або замикає) транзистори VT1 ​​і VT2, керуючі нагрівальним

елементом. Потенціометром R4 встановлюють поріг спрацьовування (температурний поріг включення / відключення нагрівача). Конденсатор С1 призначений, для зниження впливу шумів.

Рис. 25.7. Схема електронного термостата з використанням мікросхеми– термодатчика AD590

Рис. 25.8. Схема електронного термометра на діапазон температур 0-100 ° С

Рис. 25.9. Схема диференціального електронного термометра

Прецизійний електронний термометр, рис. 25.8, має чутливість 10 мВ / град і працює в діапазоні температур 0-100 ° С. Шкала приладу лінійна. Потенціометром R2 встановлюють нульове значення на шкалі приладу при приміщенні датчика в лід, що тане, потенціометром R7 – 100% відхилення стрілки приладу при приміщенні датчика в киплячу при температурі 100 ° С воду. Нагадаємо, що така температура кипіння дистильованої води спостерігається при атмосферному тиску 760 мм pm. cm.

Диференційний електронний термометр (рис. 25.9) вимірює різницю температур двох датчиків DA1 і DA2. Чутливість приладу складає 10 мВ! град.

Регулятор температури (рис. 25.10) використовує в якості термочутливого елемента спеціалізовану мікросхему IL135Z [25.9]. Для вимірювань використовується мостова схема, що живиться від стабілізованого джерела постійної напруги. Порівняння напруг, що знімаються з еталонною та вимірювальної гілок мостової схеми, здійснює компаратор DAI LM311.

З виходу компаратора сигнал 1/0 надходить на транзисторний ключ VT1, навантажений на виконавчий пристрій, в даному випадку – нагрівальний елемент ELI. Завдяки наявності теплової зв’язку джерело тепловиділення – Термодатчик пристрій здатний підтримувати задану за допомогою потенціометра R2 температуру.

Датчики-акселерометри або датчики прискорень використовують для вимірювання кута нахилу і переміщення в пристроях введення інформації (комп’ютери, ноутбуки, планшети- комп’ютери), ігрових та інших контролерах.

Рис. 25.10. Схема регулятора температури (термостабілізатора) на основі компаратора з використанням температурного датчика на мікросхемі IL135Z

Мікросхеми-датчики серії AXDL фірми Analog Devices – одно-, дво- або трехосевой акселерометри виконані в LCC корпусі 5x5x2 мм. Вони

здатні вимірювати прискорення в динамічному діапазоні ± 2 g з роздільною здатністю до 1 mg (що відповідає куту нахилу менше 0,1 °).

Рис. 25.11. Еквівалентна схема і цоколевка надмініатюрний одноосьового акселерометра ADXL103E

Одновісний акселерометр ADXL103E (рис. 25.11) здатний розрізняти зміни прискорення на рівні 1 mg і працює в діапазоні прискорень до ± 1,7 g. Вихідний сигнал мікросхеми пропорційний прискоренню, крутизна перетворення становить 1 Big. Напруга живлення мікросхеми – 5 Ву споживаний струм – менше 0,7 мА [25.2,25.10].

/ Двовісний акселерометр ADXL203E (рис. 25.12) має такі ж характеристики. Ємність конденсаторів Сх і Су, що визначають частотні характеристики експлуатації мікросхеми, може мати номінал від 0,002 до 4,7 мкФ.

Мікросхема ADXL311 – малопотужний двовісний акселерометр з потенційними аналоговими виходами має динамічний діапазон вимірювання прискорення ± 2 g.

ADXL311 (рис. 25.13) може вимірювати як динамічне прискорення (наприклад, вібраційне), так і статичну (наприклад, гравітаційне). При напрузі живлення 3 В шумовий поріг 300 да, що дозволяє

Рис. 25.12. Еквівалентна схема і цоколевка надмініатюрний двовісний акселерометра ADXL203E

Рис. 25.13. Еквівалентна схема і цоколевка надмініатюрний двовісний акселерометра ADXL311

Рис. 25.14. Типове включення магніточутливого мікросхеми TLE4905L

відслідковувати зміни прискорення менше 2 mg. Крутизна перетворення становить 0,167 Big. Напруга живлення мікросхеми від 2,7 до 5,25 В, споживаний струм – менше 0,4 мА.

Магніточутливого мікросхема TLE4905L (рис. 25.14) містить у своєму складі датчик Холла, підсилювач, пристрій порівняння, вихідний ключовий елемент. Якщо до корпусу мікросхеми піднести магніт (постійний електромагніт), то рівень вихідного сигналу переклю-чітся. Як навантаження мікросхеми можна використовувати резистори, обмотку реле, светоизлучающий або інший індикатор. Струм навантаження не повинен перевищувати 50 мА. Напруга живлення мікросхеми – від 6 до 24 В.

На основі магніточутливого мікросхеми можна створити радіоелектронні пристрої найрізноманітнішого призначення:

♦ порогові індикатори магнітного поля;

♦ елементи захисту неприпустимого наближення;

♦ індикатори відкритих / закритих дверей і кватирок.

Мікросхему можна використовувати в схемах охоронної сигналізації,

на її основі можна зібрати магнітоуправляємий електронний замок. Для цього досить використовувати кілька послідовно включених типових елементів, контакти реле (або рівні вихідних сигналів) включені за схемою збігів: за умови спрацьовування (або неспрацьовування) елементів замку пристрій спрацює лише при єдиному унікальному поєднанні ознак, заданих користувачем. У відповідності з розташуванням датчиків магнітного поля слід розташовувати мікромагніти, залиті полімерним компаундом.

Магніторезистивний датчик ΚΜΖ10 фірми Philips Semiconductor виконаний по мостовій схемі, рис. 25.15 [25.11]. Принцип його роботи заснований на магніторезистивному ефекті в тонких пермаллоєвих плівках (зміна електричного опору при зміні напруженості магнітного поля). Напруга живлення мікросхеми 5 В (граничне – до 9 В). Межі зміни напруженості магнітного поля

мВ / В

± 0,5 кА / м. Чутливість до 16 ——-. Опір моста 0,8-

кА / м

1,6 кОм. Зміна вихідної напруги ± 1,5 мВ / В. Температурний діапазон роботи від -40 до +150 ° С.

Передавальний пристрій ІЧ-діапазону, виконане на сучасній елементній базі (рис. 25.16), дозволяє транслювати ІЧ-сигнали або передавати аналого-цифрові сигнали, переключивши вхід підсилювача перемикачем SA1 [25.12].

Рис. 25.15. Еквівалентна схема і цоколевка магніторезистивного датчика KMZ10

В якості елементів широкосмугового підсилювача використані ТТЛ-інвертори 74HCU04 (К555ЛН1) і вихідний каскад на польовому транзисторі BS170. В якості чутливо фотоприймача при трансляції оптичних сигналів використана спеціалізована мікросхема TORX173.

Пристрій споживає 25 мА (без сигналу) і до 170 мА – при подачі на вхід сигналу.

Рис. 25.16. Схема передавача сигналів ІК-діапазону

Примітка.

Випромінюючі ІЧ-світлодіоди повинні бути розраховані на відповідний струм.

Найпростіший приймач сигналів інфрачервоного діапазону може бути зібраний з використанням спеціалізованої мікросхеми DAI SFH5110, рис. 25.17 [25.13]. Подібні мікросхеми широко використовують в оптоелектронних вузлах сучасних технічних пристроїв. Сигнал з виходу мікросхеми DA1 безпосередньо транслюється 1- або 2-каскадними інверторами ТТЛ-мікросхеми DD1 74НС04 (К555ЛН1) на виконуючий пристрій.

Рис. 25.17. Схема приймача сигналів ІК-діапазону для дистанційного керування

Мікросхеми інфрачервоних (ІЧ) енкодерів НОА0901> НОА0902, HCL2705 призначені для визначення швидкості обертання і точного кута повороту або лінійного переміщення [25.14]. Мікросхеми НОА0901 і НОА0902 складаються з двухканального інтегрального фотодетектора та ІЧ-випромінювача, укладених в корпус з непрозорого термопластика, рис. 25.18.

Ці датчики зазвичай використовують спільно з кодований диском або лінійкою, які механічно зв’язані з детектіруемих об’єктом.

Примітка.

Вони зазвичай мають прецизійну розмітку у вигляді просвітні смужок шириною до 0,03 мм (максимальний дозвіл для НОА0901).

У момент, коли розмічений диск здійснює обертання уздовж просветного вікна сенсора, схема обробки формує на виході два сигналу однакової форми і зсунутих по фазі на 90 ° (або -90 °, для обертання в противоположенную сторону).

Шляхом підрахунку імпульсів і аналізу фази вимірюється кут повороту і напрямок обертання осі. Сенсор HLC2705 має аналогічну внутрішню організацію, але не містить ІЧ-випромінювача.

Безконтактні оптичні твердотільні датчики рівня рідини призначені для визначення порогового рівня рідини в різних ємностях. Еквівалентна схема датчиків рівня рідини фірми Honeywell приведена на рис. 25.19 [25.14].

Рис. 25.19. Еквівалентна схема ІЧ-датчиків рівня рідини

Рис. 25.18. Еквівалентна схема ІЧ-енкодера НОА0901, НОА0902

Датчики серії LLE мають схему захисту від короткого замикання по виходу, перевищення напруги живлення і зміни його полярності. ІЧ-випромінювач і приймач розташовані всередині прозорого ковпака датчика.

У відсутності рідини ІЧ-сигнал відбивається від поверхні ковпака і приймається фотоприймачем. При зануренні ковпака в рідину відбувається зниження інтенсивності ІЧ-сигналу. Зміна струму через фототранзистор викликає переключення тригера і, відповідно, рівня вихідного сигналу.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.