ГлавнаяСтатьиЭлектроника → Миниатюрный источник тока для тензодатчика

Миниатюрный источник тока для тензодатчика

12 октября 2012 года
Ключевые слова: питание , датчики

Большинство современных полупроводниковых датчиков давления выполнены по схеме тензометрического моста. Как известно тензомосты можно питать либо стабильным напряжением, либо стабильным током. Считается, что второй вариант лучше, поскольку в теории он позволяет добиться большей точности измерений. Если потребителю надо подключить датчик требующий токового питания к устройству сбора данных, то ему нужен прецизионный источник стабильного тока величиной 1..10мА. Такие источники встречаются редко. Гораздо удобней применять датчики с уже встроенным источником тока. Это позволяет использовать любые блоки питания с выходным напряжением в интервале 9-24В, а точность измерений уже не будет зависеть от их стабильности. В данной заметке описан один из возможных вариантов схемы источника тока.

Схема тензодатчика с источником тока и встроенными элементами настройки показана на Рис.1.

В состав чувствительного элемента входят резисторы тензомоста RB1-RB4 и терморезистор Rt, который компенсирует зависимость коэффициента тензочувствительности моста от температуры. Резисторы R1-R7 регулировочные, число и номинал этих резисторов зависят от схемы компенсации и подбираются в процессе ее настройки. Элементы DA1, R8-R10, VT1, C1 образуют собственно источник тока.

Расчет источника тока

1) Источник собран на прецизионном управляемом стабилитроне DA1 TL431B и транзисторе VT1. Напряжение на управляющем входе VREF с высокой степенью точности равно 2,5В. Если оно превышает это значение, то стабилитрон отпирается и напряжение на базе VT1 уменьшается снижая ток эмиттера VT1 и падение напряжения на резисторах R8 и R9. И наоборот, уменьшение напряжения VREF запирает стабилитрон и ток эмиттера VT1 увеличивается.
Таким образом ток эмиттера VT1 стабилен и задается резисторами R8 и R9 согласно формуле:

$$ I_E=\frac{2.5}{R8+R9} $$

Где IE ток эмиттера в миллиамперах, R8 и R9 сопротивление настроечных резисторов в килоомах. Например, для тока 1мА потребуется суммарное сопротивление 2,5кОм. Номинал резисторов грубой настройки R8 и плавной регулировки R9 выбирают из стандартного ряда E24. Отсюда R8=2,2 кОм, R9=300 Ом.
Ток через датчика равен току эмиттера VT1 за вычетом тока базы. Поэтому транзистор должен иметь возможно больший коэффициент усиления по току $$\beta$$

Оценить его можно так. Ток эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношениями: $$I_K=\alpha I_E$$ где $$\alpha={{\beta }\over{(\beta+1)}} $$ и $$\beta={{I_K}\over{I_B}} $$
Допустим, что при изменении температуры от -40 до +850С величина $$ \beta $$ меняется в k раз, т.е. $$\beta_2=\beta_1 k$$
Тогда погрешность величины тока равна:
$$\varepsilon=\frac{I_1-I_2}{I_1}=1- \frac{I_2}{I_1}=1-\frac{\alpha_2}{\alpha_1}=\frac{1-k}{\beta_2+1}$$
Иными словами она определяется максимальным усилением и отношением максимального усиления к минимальному. Например, если k=2, то для получения погрешности тока не более 0,25% нужен транзистор с $$\beta \ge 400$$

2) Выберем величину напряжения питания источника U не менее 7В но не более 24В. Для нормальной работы устройства также должно выполняться соотношение:

$$ U\ge 3.6+R_B I$$

Где RB - сопротивление моста, I - протекающий через него ток. Падение напряжения на источнике 3,6В складывается из VREF=2,5В , напряжения на переходе база-эмиттер 0,6В и технологического запаса 0,5В.

3)Теперь рассчитаем величину и мощность резистора R10. При минимальном напряжении питания 7В ток через стабилитрон должен быть на 30% выше наименьшего по паспорту (1мА), т.e imin=1.3мА. Напряжение на базе VT1 UB=VREF+UBE=2,5+0,6=3,1В.
Следовательно $$ R_{10}=\frac{U_{min}-U_{BE} }{i_{min} }=\frac{7-3.1}{1.3}=3k$$
Мощность, рассеиваемая резистором R10 равна $$P=\frac{(U_{max}-U_B)^2}{R_{10}}=\frac{(24-3.1)^2}{3}=146mW$$
Таким образом в качестве R10 подойдут два соединенные параллельно чип резистора 0603 сопротивлением 6,2кОм каждый.

Результаты расчета источника тока даны в Таблице 1:

Параметр

Значение

Рабочий ток I

1-10мА

Сопротивление нагрузки RB

1-10кОм

Напряжение питания, U

определяется по формуле $$U \ge 3.6+R_B I$$ но не менее 7В и не более 24В

Элемент

Тип или значение

Примечание

DA1

TL431IDBVR

Погрешность 0,5%, корпус SOT-23-5

VT1

BC817-40

UКЭ не менее 40В, коэффициент передачи тока не менее 400, корпус SOT-23

R8+R9

(R8+R9)(кОм)=2,5/I(мА)

Чип резисторы точностью не хуже 1% и ТКС 100ppm, рекомендуется 0,25-0,5% и 25-50ppm

R10

3кОм

2шт параллельно 0603 по 6,2 кОм каждый

С1

0,1мкФ

Чип на напряжение 50В

Схема настройки

В устройстве применена пассивная схема настройки на резисторах R1-R7. Резисторы R6, R3 и Rt компенсируют изменение коэфициента тензочувствительности моста от температуры. Резисторы R1 и R2 включены параллельно резисторам моста RB1 и RB2 и уравнивают температурные коэффициенты сопротивления противоположных плечей моста так, чтобы выходное напряжение при нулевом давлении (ноль датчика) как можно меньше зависело от температуры. Резисторами R4 и R5 добиваются баланса моста (нулевого выходного напряжения при нулевом давлении).

1) Схема настройки датчика со встроенным терморезистором показана на Рис.2

Применяемость элементов и их ориентировочные значения даны в Таблице 2

Элемент

Значение

R6

0-5кОм

R3

5-50 кОм, может отсутствовать

R1 и R2

100 кОм- 1МОм, могут отсутствовать

R4 и R5

0-100 Ом

R7

в схему не устанавливать

2) Схема настройки датчика без терморезистора показана на Рис.3

Применяемость элементов и их ориентировочные значения даны в Таблице 3

Элемент

Значение

R6

0-5кОм, может отсутствовать

R3

1-50 кОм, может отсутствовать

R1 и R2

100 кОм- 1МОм, могут отсутствовать

R4 и R5

0-100 Ом

R7

0-5 кОм

Конструкция и детали

Макет устройства был собран на миниатюрной печатной плате размером 22,3 на 3,55 мм. К контактным площадкам на плате согласно схеме были припаяны провода от датчика и выходного разъема. После сборки и настройки плата покрывалась 2-мя слоями лака УР231. Затем устройство помещалось внутрь металлической трубки и заливалось эпоксидным компаундом. Печатная плата с расположенными на ней радиоэлементами показана на Рис.4.


В устройстве применены следующие детали:
Транзистор VT1 BC817-40 или аналогичный с напряжением коллектор-эмиттер не менее 40В, коэффициентом передачи тока не менее 400 и допустимым током не менее 30мА в корпусе SOT-23. Микросхема DA1 производства Texas Instruments TL431IDBVR с погрешностью 0,5% в корпусе SOT-23-5. Чип резисторы и конденсаторы габарита 0603. Их номиналы выбираются согласно Таблицам 1-3 и технологической карте настройки чувствительного элемента.
При сборке устройства ножку 2 микросхемы DA1 надо оставлять свободной. Эта ножка соединена с подложкой кристалла и при подаче на нее напряжения работа микросхемы нарушается.

Замечания по конструкции.

Опыт сборки показал, что надо:
1) Оставить место для бандажа проводов от датчика и выходного разъема.
2) Изменить конструкцию крепежа проводов. Паять провода напрямую к контактным площадкам оказалось не технологично, лучше с обоих сторон предусмотреть обычные крепежные отверстия.
3) Если нет кассы резисторов с мелким рядом E192, то лучше вместо одиночных резисторов R1,R2 и R4,R5 предусмотреть по 2 резистора последовательно (грубая и плавная регулировка).
4) Нижний вывод резистор R3 надо подключить к точке соединения резисторов R4 и R5. Это упрощает настройку схемы.
5) Биполярный транзистор VT1 лучше заменить полевым.

Файлы схемы и печатной платы в формате DipTrace даны в архиве.

Комментарии

#1. 31 мая 2013 года, 17:55. Sergey пишет:
Неделю назад по рекомендации знакомых закупали в компании Скайвес тензодатчики (балка на сдвиг: http://skyves.ru/element/index/29). В общем, могу сказать, что нашли для себя адекватного поставщика комплектующих. Ребята очень квалифицированные и ответственные.
http://skyves.ru/element/index/29
#2. 3 марта 2014 года, 19:11. Андрей пишет:
Хм, я и не знал о существовании ограничителей тока, любопытная штучка. Недавно нашел статью про задатчик тока 4-20 мА, наверное будет полезно для киповцев http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=148331. Одно время хотел сделать миниатюрный цифровой источник тока, но потом что-то передумал.

Оставьте свой комментарий

Ваше имя:

Комментарий:

Формулы на латехе: $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$ превратится в $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$.
Для выделения используйте следующий код: [i]курсив[/i], [b]жирный[/b].
Цитату оформляйте так: [q = имя автора]цитата[/q] или [q]еще цитата[/q].
Ссылку начните с http://. Других команд или HTML-тегов здесь нет.

Сколько будет 35+9?