книги из ГПНТБ / Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры

сопротивлении замкнутого ключа; 6"с — погрешность, обусловленная отличием от бесконечности сопротивления разомкнутого ключа и проявляющаяся в проникновении сигналов из отключенных каналов на общий выход ком­ мутатора.

Рассмотрим роль каждой из указанных составляющих при работе коммутатора в МБСТ.

Бесконтактные ключи в устройствах контроля темпе­ ратуры датчиками сопротивления коммутируют выходы мостовых схем, питание которых осуществляется пере­ менным током. Это позволяет произвести на выходе ком­ мутатора разделение постоянной и переменной состав­ ляющих. Так как собственная э. д. с. бесконтактного ключа изменяется значительно медленнее частоты пере­ ключаемого сигнала, то составляющая погрешности 6е практически полностью исключается при таком разделе­ нии.

В момент достижения контролируемой температурой заданного значения в мостовой измерительной схеме на­ ступает равновесное состояние. Этот момент фиксирует­ ся нуль-органом, состоящим обычно из двух элементов— усилителя напряжения и выходного порогового устройст­ ва. Параметры этих элементов и определяют главным образом величину погрешности б'с.

Для установления этой связи рассмотрим вначале случай с идеальным ключом, сопротивление которого в замкнутом состоянии равно нулю. При этом сигнал мостовой схемы Uc делится пропорционально внутренне­ му сопротивлению моста Rn и нагрузке коммутатора /?,„ равной входному сопротивлению нуль-органа. В момент регистрации на вход порогового устройства поступает напряжение U„, равное

<3 - 2 )

где К — коэффициент усиления усилителя нуль-органа. Реальный замкнутый ключ имеет отличное от нуля сопротивление R3, поэтому величина Un для реальной

схемы определится из выражения

<з-з>

где U'с — сигнал на выходе мостовой схемы, при котором происходит включение порогового устройства в схеме с реальным ключом.

50

В пересчете на выходное напряжение мостовой схемы абсолютная погрешность, вносимая замкнутым ключом,, будет равна разности U'c и Uc

где Um— максимальное значение сигнала иа выходе мо­ стовой схемы.

Из выражения (3-5) видно, что погрешность 6'с мож­ но сделать сколь угодно малой при повышении коэффи­ циента усиления и входного сопротивления нуль-органа,, что технически всегда дости­

Рассмотрим роль погреш­ ности 8"с. Предельное зна­

чение этой величины можно определить, применяя к эк­ вивалентной схеме части коммутатора, содержащей клю­ чи (рис. 3-6), принцип суперпозиции и полагая, что сиг­ нал на выходах всех отключенных мостовых схем имеет максимальное значение Um, а на выходе подключенной схемы равен нулю. При этом напряжение на нагрузке Rn будет равно:

где Rp — сопротивление разомкнутого ключа; я — коли­ чество мостовых схем; остальные обозначения соответст­ вуют указанным ранее.

Приведенная погрешность б"с равна:

Для количественной оценки величины этой погрешности рас­ смотрим, например, коммутатор, обеспечивающий поочередное под­

честве бесконтактных ключей полупроводниковых диодов с пара­

погрешность 6 " с определяется главным образом величиной сопро­ тивления ключа в состоянии «разомкнуто». У полупроводниковых

количестве переключаемых каналов (погрешность до 0,5% при числе каналов до 1 000).

Таким образом, анализ выражения (3-1) показал, что в МБСТ с мостовой измерительной схемой из трех составляющих погрешности коммутатора лишь одна со­ ставляющая 6"с имеет величину, оказывающую практи­ ческое влияние на точность прибора. Это позволяет сде­ лать вывод о возможности построения бесконтактных ключей МБСТ на полупроводниковых диодах, которые наряду с высоким сопротивлением Rv обладают такими достоинствами, как повышенная надежность, малые га­ бариты, высокая механическая прочность и низкая стои­ мость.

В заключение отметим некоторые особенности схем диодных ключей, рекомендуемых для применения в МБСТ.

Для переключения сигналов переменного тока наи­ большее распространение получил двухдиодный однопо­ люсный биполярный ключ (диоды Д ь Дг, на рис. 3-7,а). Отделение переменной составляющей коммутируемого сигнала от постоянного тока управления осуществляется

Рис. 3-7. Диодный ключ.

а — принципиальная схема; б — вольт-амперная характеристика.

52

при помощи разделительных трансформаторов или кон­ денсаторов. Вследствие простоты и дешевизны чаще ис­ пользуется схема с разделительным конденсатором. В этом случае для замыкания цепи тока управления дио­ да До, (рис. 3-7,а) перед разделительным конденсатором устанавливается резистор Rz, величина сопротивления которого во избежание шунтирующего влияния выбира­ ется большей, чем выходное сопротивление измеритель­ ной схемы Rn. В результате неравенства Rz^>Ru токи,

диода Дг и распределение токов между ними опреде­ лится, в основном, режимом диода Ди Это позволяет достаточно точно для практических целей рассчитать режимы диодов графическим способом по вольт-ампер- ной характеристике (рис. 3-7,б).

Рабочая точка (Л) диода Ду находится на пересече­ нии характеристики диода с нагрузочной прямой, прове­

соединения диодов равно абсциссе точки А. Нагрузочная

стику (принято допущение, что характеристики обоих диодов идентичны) в рабочей точке (Б) диода Дг-

Если рабочий ток диода Дг недостаточен для обеспе­ чения заданного динамического сопротивления откры­ того ключа, можно увеличить ток путем использова­ ния общего для всех ключей дополнительного источника смещения (/д (на рис. 3-7,а показан пунктиром).

Рассмотренный диодный ключ предназначен для ком­ мутации одного полюса источника сигнала. Однако на практике часто возникают случаи, когда необходима двухполюсная коммутация. Так, например, при питании группы мостовых схем от общего источника 0 (рис. 3-8) должно быть обеспечено полное отделение источников сигналов Ua (мостов) от нагрузки и разделение мостов между собой. Для этого каждый мост необходимо ком­ мутировать двумя однополюсными ключами Ki и K'i-

Двухполюсный ключ можно построить на основе из­ вестной схемы однополюсного мостового диодного клю­ ча. В мостовом ключе обычной конструкции (рис. 3-9,а) управляющее напряжение Uy подается в одну из диаго­ налей моста, а переключаемый источник сигнала Uc и

53

Рис. 3-8. Схема двухполюсной коммутации мостовых измеритель­ ных схем.

нагрузка Rm соединенные общим проводом, подключены к другой диагонали.

Для двухполюсного разделения с помощью мостового ключа источника сигнала и нагрузки последние необхо­ димо включить не в диагональ моста, а в его плечи (рис. 3-9,б). Полученный таким образом двухполюсный ключ позволяет строить весьма экономичные по числу элементов матричные коммутаторы, которые рассмотре­ ны в следующем разделе.

3-3. МАТРИЦЫ ДИОДНЫХ КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВ

Структура ключевых устройств коммутатора во мно­ гом определяется характером коммутируемых источни­ ков сигнала ИС. В случае, если ИС независимы и не имеют между собой гальванических связей, их переклю­ чение может быть осуществлено ключами К, число кото-

54

Рис. 3-10. Блок-схема линейного коммутатора.

Рис. 3-11. Блок-схема коммутатора с матричным рас­ пределителем и ключевым устройством.

рых равно числу ИС (рис. 3-10). Кроме того, такие ИС допускают построение матричных коммутаторов (рис- 3-11), в которых количество ключей и выходов уменьшится по сравнению с линейными коммутаторами

враз:

____N

(3-8)

Pl т + п'

где N — общее количество ИС; т, п — число строк и столбцов матрицы (N = mn).

55

Для квадратной матрицы, т. е. при т = п = Y N п0' лучим:

В обоих рассмотренных случаях коммутация осуще­ ствляется однополюсными ключами. Во многих устрой­ ствах, однако, НС имеют дополнительные гальваннче-

Рис. 3-12. Блок-схема коммутатора многоветвевых мосто­ вых схем.

скпе связи, в частности, в МБСТ, в которых отдельные мосты объединены в многоветвевую измерительную схе­ му при помощи общего источника питания. Схема комму­ татора для таких НС изображена на рис. 3-12. Здесь для переключения каждого источника требуется два ключа, обеспечивающих совместно двухполюсную ком­ мутацию. При этом, как видно из рисунка, даже для матричного коммутатора общее число ключей составляет 2N, т. е. столько же, сколько в линейном двухполюсном коммутаторе.

Рассмотрим схему двухполюсного матричного комму­ татора, построенного на биполярных диодных ключах

56

(рис. 3-13). Чтобы обеспечить открывание обоих ключей, соединенных с каким-либо ИС, эти ключи выполнены со взаимно противоположным включением диодов; с рас­ пределителей на ключи подаются разнополярные сиг­ налы.

При анализе рис. 3-13 нетрудно установить, что каж­ дая группа диодов Д, Д', Д", Д'", обеспечивающая ком-

Рнс. 3-13. Диодная матрица на биполярных ключах.

мутацию одного источника, представляет собой двухпо­ люсный диодный ключ (см. рис. 3-9,б ). Применение та­ кого ключа позволяет осуществить минимизацию диодов в матрице.

Действительно, как видно из рис. 3-13, все диоды Д' каждого столбца включены параллельно. Также парал­ лельно включены диоды Д "’ в каждой строке матрицы. Это позволяет заменить в каждом столбце и в каждой строке группу параллельно включенных диодов одним групповым диодом Д' и Д"' (рис. 3-14). Групповой диод, входя как элемент в ряд ключей, выполняет свои функ-

57

шш поочередно в каждом нз ключей, объединенных об­ щей с диодом шиной столбца или строки.

Благодаря использованию групповых диодов общее количество диодов в минимизированной матрице может быть уменьшено в рг раз:

минального количества (400 диодов).

Столь значительное уменьшение количества деталей дает возможность существенно уменьшить габариты уст­ ройства. Дальнейшее уменьшение габаритов п веса мо­ жет быть достигнуто применением элементов, построен-

Рис. 3-14. Диодная матрица с групповыми диодами.

58

ных на базе микроэлектронной технологии, которая потенциально позволяет строить миниатюрные схемы с очень большой плотностью упаковки.

3-4. РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ БЕСКОНТАКТНЫХ КОММУТАТОРОВ МЕСТ

Рассмотрим вторую составную часть коммутатора — распределитель. Схемные распределители обычно пред­ ставляют собой регенеративную схему млн набор реге­ неративных схем, генерирующих распределенные в про­ странстве п времени импульсы с резко выраженными участками быстрого изменения напряжения (фронтами) и участками медленного изменения напряжения (вер­ шинами).

Известно, что основным недостатком распределителя, выполненного в виде набора регенеративных схем (на­ пример, бистабильных триггеров), каждая из которых потребляет постоянно определенную мощность, является пропорциональная зависимость полной мощности от ко­ личества каскадов распределителя. Этот недостаток осо­ бенно усугубляется при переходе на микроминиатюрное исполнение коммутатора, при котором к схемам предъяв­ ляются весьма серьезные энергетические требования. От этого недостатка свободны многофазные релаксаторы: триггеры и мультивибраторы. Схемы этого типа описаны в литературе [Л. 4, 6].

Многофазные релаксаторы в зависимости от типа схемы могут работать в циклическом, старт-стопном, шаговом режимах, а также по заданной программе. В устройствах автоматического контроля чаще всего ис­ пользуются два режима работы коммутатора: цикличе­ ский н шаговый. Рассмотрим схемы, соответствующие этим режимам.

Основная схема транзисторного многофазного муль­ тивибратора изображена на рис. 3-15. Транзисторы вклю­ чены по схеме с общим эмиттером. Напряжение смеще­ ния, необходимое для нормальной работы схемы, сни­ мается с делителя R ь Нг и подается на базы транзисто­ ров через резисторы Rq. Элементом обратной связи слу­ жит общеэмиттерный резистор R3.

Схема многофазного мультивибратора весьма эконо­ мична по числу деталей, так как в ней используется лишь одни активный элемент на канал. Недостатками схемы,

59