Меню

Определить чувствительность по напряжению емкостного преобразователя



Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора определяется соотношением

где e — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; e 0 -диэлектрическая проницаемость вакуума; S — площадь пластины; d — толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.

Как видно, на емкость конденсатора можно влиять изменением площади перекрытия пластин (рис. 9.13, а), расстояния между ними d (рис. 9.13,б), диэлектрической проницаемости вещества, находящегося в зазоре между обкладками конденсатора e (рис. 9.13, в). Выбор того или иного изменяемого параметра зависит от характера измеряемой величины.

Емкостные преобразователи используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности, концентрации и др. Конструктивно они могут быть выполнены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми электродами, с наличием или отсутствием диэлектрика между пластинами.

Емкостной плоскопараллельный измерительный преобразователь с изменяемой площадью перекрытия S описывается уравнением преобразования

где а — ширина пластин конденсатора; х — длина перекрытия электродов (рис.9.13,а).

Емкостные преобразователи перемещения с переменной площадью перекрытия используют и для измерения угловых величин (рис. 9.14). В этом случае емкость измерительного преобразователя

где r 2 и r 1 — наружный и внутренний радиусы пластин; j 0 — начальный угол перекрытия пластин.

Из выражений (9.6) и (9.7) видно, что все входящие в них величины, кроме измеряемых х или j, постоянны, т. е. статическая характеристика такого емкостного датчика линейна (см. рис. 9.13 а). Преобразователи такого типа применяют для измерения сравнительно больших (до десятков сантиметров) перемещений.

Емкостной плоскопараллельный преобразователь перемещения с изменяющимся воздушным зазором (см. рис. 9.13,б) имеет нелинейную характеристику. Изменение его емкости описывается уравнением

а коэффициент преобразования

где d 0 — начальный зазор; х—перемещение пластины.

В связи с нелинейностью статической характеристики такие датчики применяют для измерения относительно малых перемещений, обычно не более 0,1d 0.

Преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды ε между электродами (рис.9.13,б) широко используют для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации и т. п. Они имеют линейную статическую характеристику.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используют для создания соответствующих измерительных преобразователей. Изменение проницаемости под воздействие температуры описывается выражением

где e T — диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т ; e 0— диэлектрическая проницаемость при температуре Т о; a — температурный коэффициент; DT=T- Т о.

Аналогичный вид имеет и зависимость изменения диэлектрической проницаемости материала от приложенного к нему усилия Р

где K SM — чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости; K SM=(De/e)DP.

Для повышения чувствительности и линейности характеристик используют дифференциальные преобразователи, у которых изменение состояния контролируемой величины приводит к изменению емкости одновременно у двух чувствительных элементов, включаемых в разные плечи мостовой измерительной схемы. В этом случае получаем реверсивную (двухтактную) статическую характеристику. При изменении направления перемещения подвижного элемента выходной сигнал преобразователя изменяет свою фазу на 180°С по отношению к фазе напряжения питания датчика, являющегося опорным напряжением.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжение повышенной частоты — от 1•10 3 до 10 8 Гц. Это один из существенных недостатков подобных преобразователей.

Начальная емкость преобразователя тем больше, чем меньше зазор δ между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды (для воздуха, например, напряженность электрического поля не должна превышать 10 кВ/см) и наличием силы электростатического притяжения пластин

Один из возможных способов уменьшения силы притяжения пластин использование дифференциальных преобразователей, на подвижную часть которых действуют электростатические силы противоположных направлений.

При проектировании емкостных преобразователей следует учитывать паразитные емкости С пар, создаваемые конструктивными элементами и соединительными проводами, которые шунтируют емкость С о преобразователя и могут значительно уменьшить его чувствительность. Относительное изменение емкости цепи С э, состоящей из параллельно соединенных емкостей С о и С пар, вызванное изменением емкости С о,

Отсюда следует, что чувствительность преобразователя при прочих равных условиях будет тем меньше, чем больше отношение С пар/С 0. Кроме того, с увеличением этого отношения растут дополнительные погрешности, так как емкость С пар изменяется под действием внешних факторов [4].

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Уменьшить погрешность можно, используя конструкционные материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, или с помощью герметизации датчиков.

Емкостные измерительные преобразователи являются практически безинерционными элементами с передаточной функцией W(P)=K, поскольку частота питания датчика на два порядка и более превышает частоту входного измерительного сигнала [5].

К достоинствам емкостных измерительных преобразователей можно отнести простоту конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъёмных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счёт выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Недостатки ёмкостных измерительных преобразователей состоят в относительно низком уровне выходной мощности сигналов, нестабильности характеристик, при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных ёмкостей.

Читайте также:  Как правильно установить провода высокого напряжения

Для того чтобы уменьшить потери ёмкости выходного сигнала применяют согласованные нагрузки с внутренним сопротивлением измерительной схемы. Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика, т.е. схему настраивают в резонанс.

Источник

Емкостные преобразователи. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением

где δ — расстояние между электродами; Q — их площадь; е — электрическая постоянная; еr — относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 14.3а) Q = b∙х и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 14.4б).

Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

постоянна, и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ.

Если изменяется расстояние δ между электродами, функция преобразования С = f(δ) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами δ. Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьшить δ. Предельное его значение определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых δ возможен электрический пробой между электродами. Пробой в сухом воздухе при атмосферном давлении происходит при напряженности Е = 3∙10 3 кВ/см. Однако расчетное значение напряженности обычно не превосходит 700 кВ/см.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 14.5а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью.

Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них Сε образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С — оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью er имеет толщину δ, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

где Q — площадь электродов; Qε — часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме.

Емкостный преобразователь включается в измерительную цепь; при этом изменение его емкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульсного тока. Существует довольно много различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Большинство из них основано на том, что конденсатор переменной емкости (датчик) включается в состав резонансного контура генератора. При изменении емкость меняется частота резонанса контура, которая измеряется и является выходной величиной.

Погрешность емкостного преобразователя. Электроды емкостного преобразователя монтируются на изоляционных деталях или разделяются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют различные коэффициенты линейного расширения, При изменении температуры это приводит к изменению расстояния между электродами. Хотя это изменение мало, оно может быть соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имеющей аддитивную и мультипликативную составляющие; Первая может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.

Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более 10 7 Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и выше, вплоть до нескольких мегагерц. Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присутствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а также идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянием изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах, когда токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности.

Особенности применения емкостных преобразователей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является их малая емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты, Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля.

Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Емкостные преобразователи широко применяются в научно-исследовательской работе, где имеется высококвалифицированный персонал для разработки, эксплуатации и ремонта датчиков и вторичных приборов. В условиях научного эксперимента ценным свойством датчиков является простота их конструкции и технологии.

Читайте также:  Что называют номинальный вторичным напряжением

Источник

Емкостной преобразователь напряжения, он же зарядовый насос

В 2019 году исполнилось 100 лет умножителю напряжения Грайнахера, изобретенному швейцарским физиком Генрихом Грейнахером (Heinrich Greinacher) в 1919 году. В 1932 году Дуглас Кокрофт (Douglas Cockcroft) и Эрнест Уолтон (Ernest Walton) использовали этот умножитель как базовую схему для источника питания ускорителя частиц, первой «дробилки атомов», что в итоге помогло им получить Нобелевскую премию по физике в 1951 году. По этой причине его чаще всего называют умножителем Кокрофта-Уолтона.

Основой этой схемы является использование цепочки ключей и конденсаторов для увеличения более низкого напряжения до более высокого. Первые схемы применялись для преобразования высокого переменного напряжения в еще более высокое постоянное напряжение (Рисунок 1). Теперь в большинстве случаев схемы на коммутируемых конденсаторах используются для DC/DC преобразования. Соединяя последовательно диодно-емкостные каскады, можно получать очень высокие напряжения, используя при этом диоды и конденсаторы с рабочими напряжениями, не превышающими напряжения внутри отдельных каскадов, поскольку на компоненты воздействуют только напряжения их собственных каскадов. Базовая схема преобразователя показана на Рисунке 2а. В этой схеме верхняя обкладка конденсатора C2 заряжается до напряжения Vp положительной полуволной входного напряжения, а нижняя обкладка заряжается до –Vp во время отрицательной полуволны. (Здесь Vp – пиковое значение входного переменного напряжения). Это означает, что напряжение на C2 равно 2Vp. Каскады умножения включены последовательно, поэтому каждый из них увеличивает напряжение на 2Vp. Выходное напряжение схемы на Рисунке 2б в 6 раз превышает пиковое входное переменное напряжение. С1, С3 и С5 пропускают переменное напряжение через себя, а С2, С4 и С6 соединяются последовательно для сохранения своих зарядов относительно земель каскадов. Также может быть реализована двухполупериодная версия этой схемы, как на Рисунке 1, тогда напряжение будет вдвое больше, чем в показанном однополупериодном примере.

Этот двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона был сфотографирован в Институте Кайзера Вильгельма в 1937 году. 3 МВ генерировались с помощью двух 4-каскадных умножителей. Обратите внимание на три фигурки стоящих внизу людей.
Рисунок 1. Этот двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона был
сфотографирован в Институте Кайзера Вильгельма в 1937 году.
3 МВ генерировались с помощью двух 4-каскадных умножителей.
Обратите внимание на три фигурки стоящих внизу людей.

Теперь вы, вероятно, скажете себе: «Это здорово, но в моем проекте не нужно дробить атомы». Это так, однако, очень похожая схема, скорее всего, есть в вашем компьютере или флэш-накопителе. Оказывается, для записи и стирания памяти и для возможности работы без отдельного источника питания флэш-память нуждается в более высоком напряжении, чем дает ее источник питания 1.8 В. Поэтому непосредственно в микросхему памяти встроен умножитель напряжения. Это не совсем то же самое, что мы здесь обсуждаем, но, возможно, очень похоже, и, поскольку он работает с постоянным током, а не с переменным, ему приходится, так сказать, создавать собственное переменное напряжение.

Рисунок 2. Одно- и многокаскадные умножители Грайнахера.

Слегка переставив диоды и конденсаторы, можно создать схему, известную как зарядовый насос Диксона. Зарядовый насос Диксона (Рисунок 3) был запатентован Джоном Ф. Диксоном (John F. Dickson) в конце 1970-х годов. Он используется главным образом в микросхемах EEPROM и флеш-пямяти для формирования напряжения программирования/ перезаписи, которое намного превышает напряжение питания схемы.

Рисунок 3. В зарядовом насосе Диксона используются диоды или включенные диодами МОП-
транзисторы.

Зарядовый насос Диксона на Рисунке 3а очень похож на удвоитель Грайнахера. Постоянное напряжение подается через вывод VIN на анод диода D1. Напряжение на катоде D1 будет меньше VIN на величину одного падения напряжения на диоде, а на аноде D2 напряжение упадет еще на столько же. Когда управляющий сигнал с амплитудой VIN подается на конденсатор C1, напряжение на верхней обкладке увеличивается до суммы напряжений на диоде D1 и амплитуды управляющего сигнала. Затем это напряжение, которое уже на одно падение напряжения ниже напряжения на D1, через диод D2 заряжает второй конденсатор C2. Теперь напряжение на втором конденсаторе равно удвоенному напряжению VIN за вычетом двух падений напряжения на диодах.

В многокаскадных зарядовых насосах Диксона на Рисунке 3 используется двухфазная синхронизация с уровнями управляющих сигналов, равными VIN, которые попеременно управляют разными конденсаторами, но если не требуется, чтобы коэффициент повышения напряжения был большим, можно использовать и однофазную синхронизацию. Напряжение на каждом последующем каскаде на амплитуду тактового импульса за вычетом падения на диоде больше, чем на предыдущем, или

N – количество каскадов,
VDIODE – прямое падение напряжения на диоде.

Потеря (падение) напряжения из-за тока нагрузки здесь не учитывается. На Рисунке 4 показаны результаты моделирования в LTspice 3-каскадного насоса Диксона с уровнями входного напряжения и тактовых импульсов, равными 5 В. Каждый каскад создает напряжение VIN плюс напряжение на каждом конденсаторе, через который подается тактовый сигнал. Верхняя сине-зеленая кривая соответствует достигнутому окончательному уровню постоянного напряжения. Обратите также внимание на фазовые соотношения между напряжениями повышенных уровней.

В зарядовом насосе Диксона используются диоды или включенные диодами МОП-транзисторы.
Рисунок 4. Этот 3-каскадный зарядовый насос Диксона повышает напряжение в четыре раза.

Включенные диодами МОП-транзисторы чаще всего используются в микросхемах памяти, однако диоды Шоттки обычно имеют более низкое прямое напряжение и, соответственно, вносят меньше потерь напряжения на каждый каскад. Для улучшения характеристик было разработано множество модификаций, особенно для случаев, когда доступное напряжение источника VIN очень мало. Это особенно актуально для устройств памяти, работающих от источников с напряжением 1.8 В или ниже.

Читайте также:  Нервное напряжение борьба со стрессом

Эти схемы можно назвать зарядовыми насосами на основе «пожарной цепочки», поскольку в них каждый каскад сбрасывает заряд в следующий каскад.

Следующий тип можно было бы назвать «парящим» зарядовым насосом, но он более известен как зарядовый насос с плавающим конденсатором. Такие насосы очень универсальны, так как их можно использовать для повышения, понижения или изменения полярности входного напряжения. Что делает их работу уникальной, так это то, что обе стороны конденсатора на мгновение одновременно отключаются от других цепей и, следовательно, парят. Опять же, ключи, функции которых почти всегда выполняют МОП-транзисторы, используются для управления направлением тока, но используются попарно, чтобы подключать верхнюю или нижнюю обкладку конденсатора либо к источнику заряда, либо к получателю заряда. Важно, чтобы между состояниями ключей при переключении между источником и нагрузкой было мертвое время, и ключи не закрывались одновременно. Это было бы плохо и могло бы привести к тому, что ток будет течь там и тогда, где и когда он не нужен, и конденсатор не сможет «парить».

На Рисунке 5 показан один пример зарядового насоса с плавающим конденсатором. В данном случае схема, порты которой обозначены как VIN и VOUT, работает в режиме снижения напряжения. Здесь VIN – это напряжение источника, а VOUT – генерируемое напряжение. В Фазе 1 конденсаторы C1 и C2 подключены последовательно через ключи SW1 и SW2, поэтому на каждом конденсаторе будет половина напряжения VIN. В Фазе 2 последовательные ключи размыкаются, а параллельные ключи SW3 и SW4 замыкаются, соединяя конденсаторы C1 и C2 в параллель, вследствие чего напряжение на каждом из них составляет ½VIN, а доступный выходной ток удваивается.

Рисунок 5. Это пример зарядового насоса с плавающим конденсатором.

Основными ограничивающими факторами здесь являются сопротивления ключей и емкости конденсаторов. Используя ключи с низкими сопротивлениями открытых каналов, можно обеспечить относительно большие токи. Емкости конденсаторов можно уменьшить, повысив частоту переключения, но лишь до определенных пределов. В конце концов, с ростом частоты доминирующим фактором станут потери переключения, поэтому существуют практические пределы того, до каких значений можно увеличивать частоту коммутации ключей. Эта базовая топология, способная обеспечивать нагрузку током от нескольких миллиампер до единиц ампер, используется во многих продуктах, доступных сегодня на рынке.

Объединив в одной схеме несколько плавающих конденсаторов, можно получить другие коэффициенты деления и умножения. Существуют также версии базовой схемы с отрицательным выходным напряжением, где происходит переход от положительного напряжения к отрицательному напряжению, привязанному к выводу земли. Они обычно используются с операционными усилителями, которые требуют источников отрицательного напряжения и потребляют небольшие токи.

Для преобразования положительного напряжения в отрицательное может использоваться и другая топология зарядового насоса. Она основана на конденсаторе, коммутируемом диодом. Все, что нужно – это тактовый сигнал с амплитудой, равной требуемому отрицательному напряжению.

На Рисунке 6 необходимый сигнал обеспечивается входными импульсами. На положительных фронтах импульсы проходят через C1 и D2 на землю. Когда уровень тактового сигнала сменяется на низкий, связанный по переменному току импульс открывает диод D1 и заряжает конденсатор C2 отрицательным напряжением. После нескольких циклов C2 будет заряжен до отрицательного напряжения, равного амплитуде импульсов за вычетом падения на диоде. Количество тока, которое можно забрать от преобразователя, зависит, прежде всего, от импеданса источника, частоты и емкости накопительного конденсатора.

Рисунок 6. В этом инвертирующем зарядовом насосе источником необходимой
энергии служат входные импульсы.

На Рисунке 7 представлен результат моделирования в LTspice схемы Рисунок 6, где фиолетовый цвет соответствует сигналу управления, а синий – выходному напряжению. То, что это похоже на работу зарядового насоса Диксона, – не случайно. По сути, это та же схема, но формирующая на конденсаторе отрицательное напряжение и не имеющая положительного смещения VIN, на котором построен традиционный Диксон. Все остальное идентично.

Это результат моделирования схемы на Рисунке 5.
Рисунок 7. Это результат моделирования схемы на Рисунке 5.

В большинстве случаев сферы применения зарядовых насосов были ограничены более низкими напряжениями и токами, но совершенствование технологических процессов производства МОП приборов в направлении увеличения как напряжения, так и мощности сделали высоковольтные и мощные зарядовые насосы реальностью. Бóльшие коэффициенты преобразования напряжения делают зарядовые насосы привлекательной заменой трансформаторам во многих приложениях электропитания. Даже тогда, когда они используются в качестве предрегуляторов напряжения для ШИМ-преобразователей, они могут помочь повысить общий КПД по сравнению с одноступенчатым ШИМ-преобразованием. Поскольку конденсаторы относительно дешевы и малы, они также могут уменьшить стоимость и размеры конструкций преобразователей напряжения. Хотя базовая технология емкостного преобразования напряжения существует уже более 100 лет, только сейчас появились полупроводниковые технологии, необходимые для ее повсеместного распространения. Ждите, что в будущем их станет больше.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Adblock
detector