Převodníky fyzikálních veličin P.Praus praus@karlov.mff.cuni.cz

1. Převodníky fyzikálních veličinP.Prauspraus@karlov.mff.cuni.cz • Definice převodníků fyzikálních veličin • Přehled typů převáděných veličin • Principy funkce jednotlivých převodníků • Přehled nejdůležitějších akčních prvků • Komparátor • Schmittův spínač • Vzorkování signálů • Princip D/A převodníku • Princip A/D převodníku • Připojení A/D a D/A převodníků k počítači

2. Převodníky vybraných základních fyzikálních veličin • Teplota • Optické záření • Magnetické pole • Napětí/frekvence • Tlak • Síla, zrychlení • Poloha • Průtok • vlhkost • Chemické senzory

3. Senzory pro měření teploty

4. Převodníky pro měření teploty Odporový teploměr Pt zpravidla 100 Ω pro 00C Vysoká přesnost a vynikající stabilita a linearita Rozsah použití zpravidla 0 až 450 0C, lze až 800 0C RL = odpor přívodních vodičů, kompenzace chyby měření pomocí 4 drátového zapojení

5. Termočlánek Seebeckovo napětí vznikající na kontaktu 2 různých kovů Široký rozsah teplot Rychlá odpověď na změnu Nízká cena Pasívní prvek Nutnost kompenzovat studený přechod hodnota nelineárně závislá na T

6. Elektronická kompenzace studeného přechodu

7. Digitální polovodičový teplotní detektor • Přímý převod teploty na digitální údaj, • Přesnost jednoduchých senzorů typ. ± 0.5 °C, teplotní rozsah dosti omezený -40 až +150 °C • Výstupem pulzní šířková modulace (PWM) nebo digitální sběrnice (I2C, PWM senzor

8. Analogový polovodičový teplotní detektor • Přímý lineární převod teploty na napětí nebo na proud

9. Teplotní senzor s digitálním výstupem

10. Detekce optického záření Kvantový výtěžek (QE) – měřítko efektivnosti konverze fotonů dopadajících na plochu detektoru na elektrický náboj, v oblasti viditelného záření je vždy menší než 1. Citlivost detektoru (A/W) – poměr fotoproudu a dopadající radiační zářivé energie

11. Náhradní elektrický obvod Voltampérová charakteristika Planární difusní typ PIN

12. Fotodioda v zapojení převodník I/U

13. Diodová pole (PDA Photodiode Array) • Počet detekčních prvků zpravidla 16 až 64, ale může jich být i 1024 a jsou určeny především pro určování polohy a pro multikanálovou fotometrii s nižšími nároky na citlivost a spektrální rozlišení.

14. Si fotodiody S vestavěným zesilovačem a chlazením Si PIN fotodiody – nízká kapacita, pro vysokorychlostní fotometrii

15. Fotonásobič • Vysoce citlivé detektory optického záření, hojně využívané ve především spektroskopii

16. Typy uspořádání dynod

17. Mikrokanálkový zesilovač • Vysoce citlivé detektory založené na principu fotonásobiče, používají se k „zesílení“ obrazu před vlastním fotodetektorem

18. CCD detektory • CCD = Charge Coupled Device (nábojově vázaná struktura) • Vysoká citlivost, často je třeba chlazení detektoru – term.šum (TE, LN) • Má integrační charakter podobně jako fotografický film

19. Princip funkce detekční buňky (pixelu) Vychází z technologie unipolárních tranzistorů. Na povrchu monokrystalického substrátu P je vytvořena velmi tenká dielektrická izolace (nejčastěji SiO2) a na ní řada těsně sousedících vzájemně izolovaných elektrod. Elektrody jsou periodicky připojeny k řadě sběrnic. Na začátku a na konci struktury jsou v substrátu vytvořeny ostrůvky N+, z nichž vedou ohmické kontakty k vnějšímu zdroji signálu a zátěži. Princip práce spočívá v tom, že na sběrnicích mohou být různá napětí. Při nenulovém napětí na sběrnici vznikne ekvivalent vodivého kanálu N. Protože se nejedná o kanál v pravém slova smyslu, užívá se termín potenciálová jáma , její „hloubka“ závisí na přivedeném napětí. Tam, kde sousedí „mělká“ a „hluboká“ jáma, existuje s povrchem rovnoběžná (laterální) složka intenzity elektrického pole, směřující od hluboké jámy k mělké. Proto budou elektrony z „mělké“ jámy přesunuty do jámy „hluboké“. Volné elektrony jsou v kanálu N (potenciálové jámě) nositeli majoritními, takže pravděpodobnost jejich rekombinace je malá a mohou se v ní udržet poměrně dlouho

20. Architektura detektoru a slučování detekčních buněk (binning) • Zvýšení citlivosti detekce sumací buněk • kapacita detekční buňky je limitována určitým • množstvím náboje.

21. Typy architektury čipu Full frame detektor Interline detektor

22. Front a Back illuminated architektura Osvětlení detektoru „zezadu“ eliminuje jeho zastínění strukturou elektrod a hradel a QE se zvyšuje na více než dvojnásobek.

23. Rozšíření citlivosti do UV oblasti Fosforová vrstva rozšíří citlivost v oblasti 200 až 430 nm

24. Tenzometr • Kovová folie nebo tenký vodič s proměnným odporem v závislosti na mechanickém napětí. • Změny odporu jsou malé - detekuje se v zapojení Wheatstoneova můstku

25. Detektory zrychlení (akcelerometry) • Měření vibrací a zrychlení (jednoosé a víceosé typy) Založeny jsou na principu připevnění tělesa o známé hmotnosti k piezoelektrickému elementu

26. Detektory stacionárního magnetického pole • Založeny na Hallově jevu, výstupní napětí je přímo úměrné intenzitě magnetického pole kolmého k povrchu pouzdra

27. Senzory polohy a posuvu • Čidlo lineárního posuvu LVDT (Linear variable differential transformer) • Převádí údaj o poloze na elektrický signál s velmi vysokou přesností • Konstrukce : NiFe jádro,pohybující se v soustavě cívek (jedna primární – budící a 2 detekční)

28. Obvodové řešení LVDT • Hybridní integrované detekční moduly, případně i vsuvné PC karty • Budící cívka je sinusově modulována z oscilátoru, základem detekční části je demodulátor a filtr, výsledkem je výstupní stejnosměrné napětí proporcionální k poloze jádra Buzení Detekce

29. Tlak • Založené na LVDT senzoru

30. Piezoelektrický princip

31. Optický princip

32. Detektor vakua • Termočlánkový princip založený na teplotní vodivosti mezi detektorem • a rozžhaveným drátkem 1- 10-3 torr • Emise elektronů z rozžhavené katody 10-2 až 10-10 torr

33. Průtokoměr • Lineární závislost na průtoku • Minimální závislost na viskozitě

34. Chemický senzor ISFET

35. Čidla vlhkosti Rezistivní/kapacitní typ IR typ

36. Převod napětí na frekvenci • Napěťově řízený oscilátor • Vynikající pro přenos analogového údaje na velkou vzdálenost beze ztráty informace • 2 typy : multivibrátorový a „charge balance“ (přesnější) Multivibrátorový typ

37. Princip „charge balance“ Obsahuje integrátor,přesný proudový zdroj a komparátor – v okamžiku dosažení přepnutí komparátoru je přepnut proudový zdroj, který nadávkuje přesné množství náboje Reset mód Integrate mód

38. Funkční generátor Založen na napěťově řízeném oscilátoru

39. Akční prvky • Jsou to hardwarové prostředky, určené se k přímému řízení požadovaných hodnot parametrů ovládaného procesu na základě výstupního elektronického signálu • Nejdůležitější typy : • Spínače elektrického proudu a napětí • Krokové motory (převod polohy) • Elektromagnetické ventily (regulace průtoku)

40. Elektronické spínače • Pasivní • elektronická relé • Aktivní • tranzistory (Bipolární a výkonové MOSFET) • Tyristory • Triaky • Polovodičová relé

41. Spínací a rozpínací relé

42. Tyristor Je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PNPN a používá se pro bezeztrátovou regulaci výkonu.

43. Tyristor Tyristor si můžeme představit jako dva bipolární tranzistory, jeden PNP a druhý NPN. Emitor tranzistoru PNP je přiložen na kladný pól zdroje napětí, emitor tranzistoru NPN na záporný pól, do řídicí elektrody G tyristoru nechť teče proud IG. Podle 1. Kirchhoffova zákona o proudech v uzlu musí platit I2=IG+I1 a také, uvážíme-li, že α1.I1 je kolektorový proud PNP tranzistoru a a2I2 kolektorový proud NPN tranzistoru (emitorový proud je I2), musí být I2= α1.I1+ α2.I2 (zanedbávali jsme zbytkové proudy a IG vůči α1.I1). Z těchto dvou rovnic pak máme pro I2 výraz I2=- α 1IG/(1-(α1+ α 2)). Pokud je součet proudových zesílení α1+ α2 přibližně roven jedné, může být proud I2 velmi veliký i když proud řídicí elektrodou IG je velmi malý. Jako proud IG může fungovat i závěrný proud kolektorové diody PNP tranzistoru, který, jak víme, může při překročení mezního dovoleného kolektorového napětí vzrůst lavinovitým průrazem kolektorového přechodu. Jakmile je jednou tyristor ve vodivém stavu, zůstává ve vodivém stavu tak dlouho, dokud se proud I2 nesníží pod určitou hodnotu, neboť tranzistory se vzájemně podporují v otevřeném stavu - sepnutým tranzistorem NPN teče záporný proud do báze tranzistoru PNP a opačně sepnutým tranzistorem PNP teče proud do báze tranzistoru NPN. Rozpojíme-li obvod, vrátí se za určitou krátkou dobu (řádově 100 ns) tyristor do výchozího stavu, ze kterého jej můžeme opět sepnout. Totéž se stane, zmenšíme-li proud tyristorem ne úplně na nulu, ale pod hodnotu tzv. přídržného proudu IH, který je parametrem daného typu tyristoru.

44. Použití tyristoru je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí. Nejjednodušší je použít pro řízení fáze jednoduchého RC členu s měnitelnou časovou konstantou RC například pomocí proměnného odporu. Je-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.

45. Triak Pro relativně malé výkony, tj. pro napětí typická v rozvodné síti a proudy do několika ampér byly vyvinut pětivrstvý spínací prvek - Triak. Je možno jej považovat za dvojici antiparalelně zapojených tyristorů, ale jeho řídící elektroda je zapojena tak, že ho lze ovládat proudem libovolné polarity. Je-li na anodě A1 záporné napětí vzhledem k A2, bude v propustném směru pólovaná levá část, pravá část je v závěrném směru. Přivedeme-li do obvodu řídící elektrody proud, sepneme tím obě poloviny triaku. které pracují stejně jako dva antiparalelně zapojené tyristory s tím rozdílem, že mají jen jednu řídicí elektrodu. Zatímco tyristory jsou určeny pro řízení výkonů až do řádu megawattů, triaky vzhledem ke své složitější struktuře a tím větší náchylnosti na průraz zůstávají doménou pro regulaci nízkovýkonových elektrických spotřebičů; jejich výhoda tkví v jednoduchosti zapojení. Výstupní charakteristiky tvoří soustavu symetrických křivek, parametrem je proud řídící elektrodou IGT, přičemž IGT může mít libovolný směr. Charakteristiky mají stejný tvar, jaký odpovídá dvěma antiparalelně zapojeným tyristorům. Oblast blokovací charakteristiky začíná u nulového napětí a končí u průrazného napětí. V této části charakteristiky představuje triak vysoký odpor, propouštěný proud je velmi malý. Přes oblast negativního diferenciálního odporu (čárkovaná čára) přechází charakteristika do propustné oblasti. Podobně jako u tyristoru představuje triak v této části charakteristiky malý odpor, proud musí být omezen zátěží. V této oblasti charakteristiky je důležitý vratný proud IL, který musí téci mezi hlavními elektrodami A1 a A2, aby při odpojení řídící elektrody zůstal triak v sepnutém stavu. Přídržný proud IH udává hodnotu, pod kterou nesmí klesnout proud triakem, aby se udržel v sepnutém stavu.

46. Fázové řízení spínacích prvků Pro fázové řízení triaků a tyristorů byly vyvinuty integrované obvody, které umožňují ”lineární” řízení fáze spouštění. V každé půlperiodě ”vyrobí” lineárně vzrůstající pilovité napětí a tyristor se sepne v okamžiku, kdy se toto napětí vyrovná konstantnímu napětí řízenému zvnějšku potenciometrem. Fáze sepnutí je tedy přímo úměrná

47. Polovodičové relé Pracuje stejně jako klasické relé. Pomocí malého výkonu na vstupu – řádově mW spínáme na výstupu výkony řádově W až kW. Vstupní a výstupní obvody jsou galvanicky odděleny, vazba je pouze optická uvnitř relé. Spínání je prováděno polovodičovými prvky – triaky nebo antiparalelně zapojenými tyristory. Díky vnitřním logickým obvodům spínají a vypínají v oblastech blízkých průchodu napětí nulou, takže se minimalizuje elektromagnetické rušení.

48. Krokové motory Dovedou přesně nastavit svoji polohu a tuto polohu i přes působící síly udržet. Stator krokového motoru je tvořen sadou cívek. Pólové nástavce statoru jsou vroubkovány se stejnou roztečí jako je rozteč magnetů na rotoru. Toto je jedna z částí zvyšující přesnost motoru při stejném počtu cívek. Rotor je tvořen hřídelí usazenou na kuličkových ložiskách a prstencem permanentních magnetů. Proud procházající cívkou statoru vytvoří magetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. Podle požadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného odběru volíme některou z variant řízení. - unipolární - bipolární krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok)

49. Metody řízení krokových motorů Při unipolárním řízení prochází v jednom okamžiku právě jednou cívkou. Motor s tímto buzením má nejmenší odběr, ale také poskytuje nejmenší kroutící moment. Výhodou tohoto řešení je jednoduché zapojení řídící elektroniky - v podstatě stačí jeden tranzistor na každou cívku. Při bipolárním řízení prochází proud vždy dvěma protilehlými cívkami. Ty jsou zapojené tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v tomto režimu poskytuje větší kroutící moment, ovšem za cenu vyšší spotřeby. Jednofázové a dvoufázové řízení Jednofázové řízení znamená, že magnetické pole generuje pouze jedna cívka (případně dvojice cívek při bipolárním buzení). Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole vždy dvě sousední cívky. Daní za vyšší kroutící moment je dvojnásobná spotřeba oproti řízení jednofázovému. Řízení s plným versus polovičním krokem Řízení s plným krokem znamená, že na jednu otáčku je potřeba přesně tolik kroků, kolik zubů má stator daného motoru. Dosáhneme ho použitím kterékoliv doposud uvedené metody řízení. Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti. Technicky se jedná o střídání kroků s jedno- a dvoufázovým řízením.

50. Unipolární jednofázové s plným krokem Unipolární dvoufázové s plným krokem Unipolární s polovičním krokem Bipolární jednofázové s plným krokem Bipolární dvoufázové s plným krokem Bipolární s polovičním krokem