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第十二章 其他传感器介绍

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图 12-1 行程开关. 第十二章 其他传感器介绍. 12.1 接近开关 12.1.1 概述 在工业控制中有两大类控制任务,一种是过程控制,它需要监测整个过程中持续不断的参数变化,随时进行调节与控制,适合执行此类任务的是前面所讲述的各种传感器。另一种是终点控制,又称端点位置控制,这是工业控制中最大量的一种控制任务,实现这类控制任务的是各种行程开关。早期的行程开关都是机械结构型的,机械型的行程开关有许多种形式以适应各种需要,如图 12-1 所示的形式是其中之一。.

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图12-1 行程开关

第十二章 其他传感器介绍

12.1 接近开关

12.1.1 概述

在工业控制中有两大类控制任务,一种是过程控制,它需要监测整个过程中持续不断的参数变化,随时进行调节与控制,适合执行此类任务的是前面所讲述的各种传感器。另一种是终点控制,又称端点位置控制,这是工业控制中最大量的一种控制任务,实现这类控制任务的是各种行程开关。早期的行程开关都是机械结构型的,机械型的行程开关有许多种形式以适应各种需要,如图12-1所示的形式是其中之一。

其工作原理是:在被控物体上装有碰头,当碰头随被控物体移动到行程终点时,撞到行程开关,使行程开关内的电接点发生改变,原来闭合的触点变为断开,原断开的触点变为闭合,由此发出行程终点到达的信号,利用触点通断的变化实现电路的控制。

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行程开关的优点在于可以直接控制高电压大电流的电气设备的动作——如电动机等。行程开关的缺点在于机械动作不可避免的会发生磨损,控制精度低,寿命短,允许的动作频率低。行程开关的优点在于可以直接控制高电压大电流的电气设备的动作——如电动机等。行程开关的缺点在于机械动作不可避免的会发生磨损,控制精度低,寿命短,允许的动作频率低。

随着电子测量技术的发展,一类新型的行程开关应运而生。这类行程开关采用非接触式测量,因而被称为接近开关。

电子式接近开关因为具有非接触、无触点的特性,控制精度高,寿命长,允许的动作频率远高于机械式开关。一般普通型至少达20Hz,即每秒20次开关动作,高频型可达1000多次/每秒。接近开关的弱势在于:只能控制低压小电流,不能直接控制高电压大电流的电气设备。通常接近开关与可编程序控制器PLC配合工作。根据操作原理,接近开关大致可以分为以下四类:利用电磁感应的高频振荡型、使用磁铁的霍尔型、利用电容变化的电容型及利用光电原理的光电型(又分反射式和透射式)。

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12.1.2 接近开关的主要用途

    (1)检验距离

检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置;检测车辆的位置,防止两物体相撞检测;检测工作机械的设定位置,移动机器或部件的极限位置;检测回转体的停止位置,阀门的开或关位置;检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。

(2)尺寸控制

金属板冲剪的尺寸控制装置;自动选择、鉴别金属件长度;检测自动装卸时堆物高度;检测物品的长、宽、高和体积。

(3)检测物体存在与否

检测生产包装线上有无产品包装箱;检测有无产品零件。

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(4)转速与速度控制

控制传送带的速度;控制旋转机械的转速;与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。

(5)计数及控制

检测生产线上流过的产品数;高速旋转轴或盘的转数计量;零部件计数。

(6)检测异常

检测瓶盖有无;产品合格与不合格判断;检测包装盒内的金属制品缺乏与否;区分金属与非金属零件;产品有无标牌检测;起重机危险区报警;安全扶梯自动启停。

(7)计量控制

产品或零件的自动计量;检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量;检测浮标控制测面高度,流量;检测不锈钢桶中的铁浮标;仪表量程上限或下限的控制;流量控制,水平面控制。

(8)识别对象

根据载体上的码识别是与非。

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(a)圆柱型 (b)方型

图12-2 电感型接近开关

12.1.3 接近开关分类及结构

目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型:

电感型:用以检测各种金属体

电容型:用以检测各种导电或不导电的液体或固体

光电型:用以检测所有不透光物质

超声波型:用以检测不透过超声波的物质

霍尔型:用以检测导磁或不导磁金属

按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔(贯通)型和分离型。园柱型比方型安装方便,但其检测特性相同;沟型的检测部位是在槽内侧,用于检测通过槽内的物体;贯通型在我国很少生产,而日本则应用较为普遍,可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。

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(a)透射式 (b)反射式

图12-4 光电型接近开关

图12-3 电容型接近开关

各接近开关的外形如图12-2电感型、图12-3电容型、图12-4光电型所示。

  • 接近开关按供电方式可分为:直流型和交流型,按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。如图12-5所示。
    • (1)两线制接近开关
  • 两线制接近开关安装简单,接线方便;应用比较广泛,但却有残余电压和漏电流大的缺点。
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图12-5 接近开关的接线方式

    • (2)直流三线式
  • 直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种,70年代日本产品绝大多数是NPN输出,西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近开关一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多,NPN输出接近开关用于控制直流继电器较多,在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。
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触发物

振荡电路

振幅检测电路

输出电路

  • 图12-6 电感型接近开关的工作原理

12.1.4 各种接近开关的工作原理

(1) 电感型接近开关的工作原理

电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场,当金属物体接近传感器检测面时,金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量,使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态,转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号,经功率放大后输出。见图12-6所示。

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图12-7 电容型接近开关的工作原理

图12-8 电容型检测原理

(2)电容型接近开关的工作原理

电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成,很象“打开的”电容器电极,该两个电极构成一个电容,串接在RC振荡回路内。如图12-7、图12-8所示,其中辅助电极C是可移动的,为感应目标。

电源接通时,RC振荡器不振荡,当一目标朝着电容器的电极靠近时,电容器的容量增加,振荡器开始振荡。通过后级电路的处理,将振荡和不振荡两种信号转换成开关信号,从而起到了检测有无物体存在的目的。

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磁性材料

检波

放大

输出

电路

H

图12-9霍尔型接近开关的工作原理

(3)霍尔型接近开关的工作原理

霍尔接近开关是一种由霍尔传感器、检波放大器和输出驱动电路三部分组成的磁感应开关,接通电源后,开关的感应面等待磁场感应,当磁性物体接近此表面时,霍尔传感器将输出感应信号,由电路处理后,转换成二进制的开关方式输出,从而起到无接触检测物体的作用。本开关适用于行程控制、转速检测等场合。

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图12-10 光电型接近开关工作原理

(4)光电型接近开关的工作原理

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送器,接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号并根据该信号作出输出电路的通断动作。见图12-10所示。

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此外,光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。此外,光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回,具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,还是从这根反射线返回。

光纤(又称光导纤维LWL),它扩大了光电传感器的使用范围,形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用,检测微小的物体。它在非常高的外界温度中,在结构受限制的环境里,都可以获得满意的答案。

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分类和工作方式

1.槽型光电开关

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电开关。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电开关便动作。输出一个开关控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

2.对射式光电开关传感器

若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光,简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开关控制信号。

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 3.反射式光电开关传感器

把发光器和收光器装入同一个装置内,在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。

4. 扩散反射式光电开关传感器

  它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的;当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到光信号,输出一个开关控制信号。

5. 光纤式光电开关

  把发光器发出的光用光纤引导到检测点,再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同,光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。

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12.1.5 接近开关的选型和检测

  • (1)接近开关的选型
  • 对于不同的材质的检测体和不同的检测距离,应选用不同类型的接近开关,以使其在系统中具有高的性能价格比,为此在选型中应遵循以下原则:
    • 1)当检测体为金属材料时,应选用电感型接近开关,该类型接近开关对铁镍、结构钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体,其检测灵敏度就低。
    • 2)当检测体为非金属材料时,如;木材、纸张、塑料、玻璃和水等,应选用电容型接近开关。
    • 3)金属体和非金属要进行远距离检测和控制时,应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。
    • 4)对于检测体为磁性材料时,若检测灵敏度要求不高时,可选用价格低廉的磁性接近开关(干簧管式)或霍尔式接近开关。
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若接近开关用于脉冲计数(测量行程、转速等),一定要注意脉冲的发生频率必须小于接近开关最大动作频率。一般常用的接近开关的最大动作频率约20Hz左右,高频响接近开关的最大动作频率可达5000Hz。若接近开关用于脉冲计数(测量行程、转速等),一定要注意脉冲的发生频率必须小于接近开关最大动作频率。一般常用的接近开关的最大动作频率约20Hz左右,高频响接近开关的最大动作频率可达5000Hz。

  • 另外还应注意接近开关的动作距离是否符合实际要求。
  • (2) 接近开关技术指标检测 
    • 1)动作距离测定;当动作片由正面靠近接近开关的感应面时,使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离,测得的数据应在产品的参数范围内。
    • 2)释放距离的测定;当动作片由正面离开接近开关的感应面,开关由动作转为释放时,测定动作片离开感应面的最大距离。
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3)回差H的测定;最大动作距离和释放距离之差的绝对值。3)回差H的测定;最大动作距离和释放距离之差的绝对值。

  • 4)动作频率测定;用调速电机带动胶木圆盘,在圆盘上固定若干钢片,调整开关感应面和动作片间的距离,约为开关动作距离的80%左右,转动圆盘,依次使动作片靠近接近开关,在圆盘主轴上装有测速装置,开关输出信号经整形,接至数字频率计。此时启动电机,逐步提高转速,在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下,可由频率计直接读出开关的动作频率。
  • 5)重复精度测定;将动作片固定在量具上,由开关动作距离的120%以外,从开关感应面正面靠近开关的动作区,运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时,读出量具上的读数,然后退出动作区,使开关断开。如此重复10次,最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差,差值大者为重复精度误差.
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霍尔型接近开关

超声波型接近开关

电感型接近开关

磁感应型接近开关

光电型接近开关

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12.2 震动测量

在安保防盗领域所需的传感器有多种,其中使用最多的有红外传感器和震动传感器。用于安保防盗领域的震动传感器与用于工业测量领域的振动传感器都基于相同的工作原理,但在各项技术、经济指标上有着不同的要求。安保防盗属于民用范围,要求价格低廉、工作可靠、性能稳定、耐潮湿。针对不同的需求,生产商提供了多种型号的震动传感器,在汽车、摩托车、珠宝展台等安全防盗方面得到了广泛的应用。

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压电传感器

放大整形

单稳态触发

OUT

延时设定

(a)外形

(b)内部电路结构框图

图12-11 CS01的外形及其内部电路结构框图

12.2.1 CS01微震动传感模块

CS01是一种微震动传感集成器件。该器件采用压电元件拾取震动信号,可检测出微震动、移动或撞击,具有灵敏度高、所需外围元件极少等特点,其输出能直接驱动小功率半导体三极管、小型继电器及晶闸管,适用于制作各种机动车、门窗、保险箱的震动防盗报警器。

CS01的外形及其内部电路结构框图如图12-11所示。当轻微的震动被压电传感器拾取后,输出的震动电信号经放大整形后送往单稳态触发电路,触发电路便会在输出端产生高电平。高电平维持时间由延时电路决定,触发一次,OUT输出端的高电平可维持3~8s,然后自动恢复为低电平,等待下一次触发。

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图12-12 CS01模块的典型应用电路

CS01模块的典型应用电路如图12-12所示。平时,CS01输出端无高电平输出,继电器K1处于释放状态,负载电路不工作。一旦CS01模块受到撞击、震动时,CS01模块的输出端便会立即输出高电平,使继电器K1吸合,其常开触点K1-1闭合,控制负载电路开始工作,负载可以是控制电路、报警电路等。每触发CS01一次,继电器便会吸合3~8s,然后自动释放,CS01恢复到待机状态,等待再次触发。

使用CS01时,应将CS01与被测物品紧密地粘贴在一起。

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12.2.2 ND.1全向震动传感器

ND.1是一种全方位震动传感集成器件,该器件采用全电子固态检测方式,因而具有灵敏度高、抗干扰能力强、工作可靠、一致性好、不受环境温度影响等特点。ND.1可用于检测门窗、保险柜、汽车、自行车、摩托车等物体的状态。当物体被撞击、敲砸、牵动、吊起时,ND.1传感器将检测到的震动信号转换为电信号,经内部电路处理后输出端将输出控制信号,以驱动报警电路或其他后续电路工作。ND.1对周围环境的声音信号不产生反应。

ND-1的外形及引脚排列如图12-13所示,其主要特性参数为:工作电压为1.5~12V;静态电流不大于2.5mA;灵敏度为0.1g;检测方向为全方位;工作温度范围在-30℃~+60℃之间。

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图12-13 ND-1的外形及引脚排列

图12-14 ND.1传感器的典型应用电路

ND.1传感器的典型应用电路如图12-14所示。R为外接灵敏度调节电阻,可在100~470KΩ之间选用,阻值越大,灵敏度越高。R电阻也可以不接,此时ND一1传感器的灵敏度为最高。C为延时控制电容,C的容量越大,延时时间越长,可根据需要选择,一般取值为4.7~10μF。当敲击、震动或晃动物体时,ND.1的③脚将输出高电平(平时为低电平)。该高电平使VT导通,继电器K1得电吸合,其常开触点K1-1闭合,驱动后续报警电路工作。图12-14 ND.1传感器的典型应用电路

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图12-15 T968的外形

12.2.3 T968一体化微震动传感模块

T968是一种微震动传感集成器件,它具有灵敏度高、工作可靠、使用方便、可根据需要对灵敏度进行调节等优点,适合用在门窗、展柜等许多场合作为震动报警装置。

T 968采用塑料壳封装,有3个导线输出端,其外形如图12-15所示。

T 968的内部电路结构由震动传感器、灵敏度调节电路、放大器、比较器、电源及指示电路等组成。传感器能全方位检测到微弱的震动,无死角,且可根据需要随时对灵敏度进行调节。

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图l2-16 震动式报警器电路

震动探测输出的是正极性高电平信号,可直接与半导体三极管、晶闸管以及数字逻辑电路接口。传感器的主要参数为:工作电压为5~12V;静态电流不大于2.5mA;传输方式为正极性震动脉冲;输出电平不小于5V;探测震动频率范围为100~3000Hz。

采用T968组成的震动式报警器电路如图l2-16所示,该电路主要由T968震动传感器及报警集成电路KD9561等组成。

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平时1968的OUT输出端无电压输出,达林顿三极管VT1处于截止状态,IC2断电流不工作,整个电路处于静止状态,无报警声发生。一旦与T968传感器接触的物体发生震动异常情况,震动波就会被T968拾取,经放大、比较等电路处理后,从IC1的输出端OUT输出高电平。该高电平经VD1使C1迅速充电至VT1的开门电平,VT1则从截止状态转为导通状态,IC2得电工作,扬声器B就会发出响亮的报警声响。电路报警后,若与传感器IC1接触的物体停止震动,因C1储存的电荷通过R1向VT1的基极泄放,仍使VT1能维持导通,所以报警不会立即停止,而要延迟一段时间。如果传感器IC1仍处于震动状态,则报警声长鸣不息。延迟时间主要由C1R1的时间常数确定,通过调节R1便可调整延迟时间的长短。平时1968的OUT输出端无电压输出,达林顿三极管VT1处于截止状态,IC2断电流不工作,整个电路处于静止状态,无报警声发生。一旦与T968传感器接触的物体发生震动异常情况,震动波就会被T968拾取,经放大、比较等电路处理后,从IC1的输出端OUT输出高电平。该高电平经VD1使C1迅速充电至VT1的开门电平,VT1则从截止状态转为导通状态,IC2得电工作,扬声器B就会发出响亮的报警声响。电路报警后,若与传感器IC1接触的物体停止震动,因C1储存的电荷通过R1向VT1的基极泄放,仍使VT1能维持导通,所以报警不会立即停止,而要延迟一段时间。如果传感器IC1仍处于震动状态,则报警声长鸣不息。延迟时间主要由C1R1的时间常数确定,通过调节R1便可调整延迟时间的长短。

由于6V电压对于IC2来说显得高了一些,所以,电路中设置了由VD2、R2、C2组成的简单稳压电路,输出3V电压,供IC2使用。

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图12-17 外形尺寸及引脚排列

12.2.4 XDZ-01微型震动模块

XDZ-0l是一种高灵敏度片状震动集成器件,可作为各种报警器的传感头安装于门窗、车辆及其他场合,也可用于自动控制装置上。

XDZ-01具有以下特点:

① 具有极高的灵敏度,可检测出极微弱的震动波。

② 抗干扰能力强,对环境中的声响无反应。

③ 具有极强的抗冲击强度,可在各种强烈震动条件下工作。

④ 防水能力强,能适应高湿度工作环境。

⑤ 性能稳定,安装方便。

⑥ 体积小,重量轻。

⑦ 工作电压低,功耗小,适合长期处于工作状态。

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图12-19 XDZ=01的典型应用电路

XDZ=01的典型应用电路如图12-19所示:使用时将传感器模块的黄铜面紧密贴在桌面或玻璃上,粘贴剂可选用502胶,也可使用乳胶,但会使灵敏度降低。当对桌面或玻璃进行敲击时,XDZ-01就会被触发,输出的高电平使三极管VT导通,继电器K1得电吸合,其常开触点K1-1闭合,使后续报警电路工作。十几秒后电路又进入守机状态。

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12.2.5 ZZ-9907智能震动集成传感器

ZZ-9907是一种智能震动集成传感器。该传感器的输出必须满足两个条件:一是必须有人接触到外接金属触摸电极板;二是与此同时产生震动。因此,ZZ-9907特别适用于防盗报警装置。

ZZ-9907的封装外形及引脚功能见图12-20所示。

ZZ-9907内部设置有震动传感器、放大电路及信号处理电路,电源电压为6V。当有人体接触到外接金属触摸电极板且产生震动时,其输出端可输出控制信号。

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图12-21 采用ZZ-9907智能震动集成传感器组成的防盗报警电路

图12-20 ZZ-9907的封装外形及引脚功能

图12-21所示的是采用ZZ-9907智能震动集成传感器组成的防盗报警电路,图中M为外接金属触摸电极板。当盗贼行窃触摸到M的同时进行敲击时,ZZ-9907同时接收到人体产生的杂波感应电压及震动信号,从③脚会输出控制信号。该信号使VT导通,有源蜂鸣器B得电工作,发出报警声响。也可以将输出的控制信号采用无线电发射模块远距离传送,做成无线远距离防盗报警装置。

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12.3 电流、电压测量

12.3.1 电流测量集成电路

利用电流测量集成电路芯片(或称集成电流传感器)能实现交、直流电流的在线监测、信号转换以及信号的远距离传输。电流测量集成电路芯片分交流、直流两种类型。交流电流测量集成电路是利用霍尔效应制成的半导体传感器,直流电流测量集成电路则是依靠内置非感应式电流传感电阻来检测电流的,二者都包含了信号调理器,能将线路电流转换成直流电压信号,适配数字电压表(DVM)准确测量线路电流。

(A).ACS750型交流电流测量集成电路芯片

ACS750是美国快捷微系统公司(Allegro MicroSystems.Inc.)新推出的由精密线性霍尔集成电路构成的隔离式电流传感器。ACS750分ACS750ILCA-075、ACS750ECA-100两种产品,二者可检测的最大电流分别为±75A(150℃)、±100A(85℃)。它适用于汽车及工业系统中的电流检测、电机控制、过程控制、伺服系统、电源转换、电池监控、过电流保护等领域。

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一、ACS750型集成电流传感器的性能特点

(1) ACS750属于工作在开环状态下的精密线性霍尔集成电路,内含霍尔元件和信号调理器,其输出电压与一次侧电流成正比,可直接配数字电压表测量电流。

(2) 输出电压灵敏度为19.75mV/A,输出阻抗为1Ω (均为典型值)。采用5V电源时的静态输出电压为2.5V。ACS750LCA-075和ACS750ECA-100的非线性失真分别为1.3%、2.4%,在25℃环境温度下的满量程精度分别为±1.0%、2.0%。ACS750LCA-075在-40~+85℃温度范围内的满量程精度为±2.4%,ACS750ECA-100在-40~+85℃范围内的满量程精度为±4.9%。

(3) 具有自校准和电流隔离功能,使用时不需要对增益及偏移量进行微调。超低功耗,其一次侧的电流检测电阻仅为120μΩ,即使测量100A的大电流,所产生的功耗仅为12mW。

(4) 采用+5V电源供电,电源电压的允许范围是+4.5~+5.5V。电源电流的典型值为7mA,最大不超过10mA。

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二、ACS750型集成电流传感器的原理与应用

ACS750的外形如图12-22所示。Ucc、GND分别为电源端和地。Uo为电压输出端。Ip+与Ip一为一次侧引脚,测量电流时这两脚应串入被测线路中。ACS750的内部电路框图及典型应用如图12-23所示。芯片中包含一次侧的电流检测电阻RSENSE、二次侧的霍尔元件、自动补偿电路、前置放大器(A1)、滤波器和输出电流放大器(A2)。开环霍尔电流传感器是由磁心和放置在磁心开口空气隙上的霍尔元件所组成的。当载流导线穿过磁心中心孔时就产生一个与导线电流成比例的磁场。这个磁场被磁心所集中并被霍尔元件检测到。ACS750含有温度补偿电路,它输出一个经过校正的电压,在输出端与地之间可接一块10V量程的3½位交流数字电压表(DVM)。在不同温度下,一次侧电流与输出电压的关系曲线如图12-24所示。该图分别绘出了当环境温度分别为25℃、85℃和150℃时的三条曲线。由图可见,在-80~+80A的测量范围内这三条曲线基本重合,并且Uo与I呈线性关系。

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图12-22 ACS750外形

图12-24 不同温度下,一次侧电流与输出电压的关系曲线

图12-23 ACS750的内部电路框图及典型应用

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(B).MAX471/472型直流电流测量集成电路芯片(B).MAX471/472型直流电流测量集成电路芯片

MAX471和MAX472是美国MAXIM公司生产的两种精密集成直流电流传感器,其同类产品还有MAX4072、MAX4373一MAX43780它们可应用于电池供电系统、电池充电器、电源管理系统及笔记本电脑中。

一、MAX471/472的工作原理

1.MAX471/472的性能特点

(1) MAX47l/472均属于精密电流传感器,适合检测3A以下的直流电流,在高温条件下测量精度为±2%。在电流输出端与地之间接一只电阻即可获得输出电压,再通过数字电压表测量线路电流。二者的区别是MAX471有内置的电流传感电阻及增益电阻,量程固定为3A,电流增益比(即输出电流与线路电流的比例系数Iout/I为0.500μA/A,并且允许将多片MAX471并联以实现量程扩展。MAX472则是依靠外部电流传感电阻和增益电阻来设定量程的,因此量程不受3A限制,使用也更加灵活。

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(a)MAX471 (b)MAX472

图12-25 MAX471/472的引脚排列

(2) 利用极性端(SIGN)输出电平的高低能反映线路电流的方向,进而判定电池充、放电状态,对电池充电器进行实时监控。

(3) 响应速度快,当线路电流在100mA~3A范围内变化时,响应时间仅为15μs。

(4) 电源电压范围宽、低功耗。电源电压的允许范围是3~36V。

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2.MAX471/472的工作原理

MAX471/472的引脚排列分别如图12-25(a)、(b)所示。二者的显著区别是.MAX471内含传感电阻和增益电阻,有两对RS+、RS-端,它没有电源端(Ucc),但可用RS+端来代替Ucc端。SHDN为掉电控制端,常态下该端应接地(GND),接高电平时芯片进入掉电模式,电源电流迅速降至1.5μA。两对RS+和RS-分别为内部传感电阻的正、负端。SIGN为极性端(集电极开路输出),当线路电流从RS+端流向RS-端时,SIGN端输出高电平;反之,电流从RS-端流向RS+端时,SIGN端输出低电平,由此可判定线路电流的方向。OUT为电流输出端,IOUT与线路电流成比例关系,该端的输出阻抗为3MΩ,只要在IOUT端与地之间接一只2KΩ电阻,就能使MAX471的输出电压比例系数为1V/A。图12-25 (b)中的RG1、RG2均为增益电阻引出端,所接的外部增益电阻为RG1、RG2,二者分别接电池和负载,并且要求RG1=RG2。NC为空脚。

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图12-27 MAX471构成±3A电流监测仪

二、MAX471/472的典型应用

1.MAX471的典型应用

由MAX471构成±3A电流监测仪的电路如图12-27所示。图中,E为+3~+36V电源或电池组。不用掉电功能时需要将SHDN端接地。R1为SIGN端的上拉电阻,可接5V逻辑电源。从SIGN端输出的信号经过晶体管VT(JE9013)驱动发光二极管LED,作为充、放电状态指示。充电时LED发光,放电时LED熄灭。

R2为基极限流电阻,R3为LED的限流保护电阻,R4是输出电阻。满量程为10V的直流数字电压表(DVM)并联在R4两端。该仪表满量程电流值被限定为3A,仪表能自动显示线路电流的正、负极性。

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图12-28 MAX472的典型应用电路

2.MAX472的典型应用

MAX472的典型应用电路如图12-28所示。Ucc端接负载或充电器,亦可接电源或电池组。RG1和R G2为外部增益电阻。R1、Rout分别为上拉电阻及输出电阻。

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12.3.2 电压测量集成电路

便携式电子产品的迅速发展,不仅促使电池业不断开发出各种新型电池以满足配套的要求,相应地也促使了集成电路的发展,开发出各种与电池有关的专用集成电路,如电池充电集成电路、电池保护集成电路及电压检测器集成电路等。

电压检测器集成电路除了用于电池电压的检测外,还可应用到许多场合,如微处理复位电路、控制电路及仪表显示电路等。

(A).AN051A电压测量集成电路芯片

AN05lA是一种集成电压检测器件,它具有以下特点:

① 采用CMOS工艺制造,功耗低。

② 工作电压范围宽,灵敏度高。

③ 检测电压分挡细,可满足不同用户的需要。

AN051A的用途很广,除了应用于微型计算机复位外,也可广泛用于电池电压检测、备用电源电压检测、电源故障监测等场合。它还可以扩展应用范围,如控制电路、仪表显示电路等。

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R

2

1

LED

AN051A

E

3

负载电路

图12-30 电池低电压指示电路

下面介绍一些AN051A的典型应用电路。

1.电池低电压指示电路

电池低电压指示电路如图12-30所示。该电路主要用于便携式电子产品中电池的低电压检测,以防止电池过放电造成对电池的损害。表12-1列出了便携式电子产品中常用电池低电压指示电路的有关参数,供选用AN051A型号时参考。当电池电压下降到检测电压以下时,AN051A输出低电平,发光二极管LED被点亮,提醒人们电池应充电了。R为限流电阻,可按表12-1给出的值选用。

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图12-31 电池低电压关闭电源电路

2.电池低电压关闭电源电路

电池低电压关闭电源电路如图12-31所示。该电路可以在电源电压下降4%时关闭电源,以防止逻辑负载电路中的逻辑电平产生混乱而影响电路的性能。

电路中的IC2为输出电压为5V的低压差稳压集成电路STP 11250。IC1为检测电压为5.2V的AN05lA产品。当电池电压由6V降到5.2V时,IC1输出低电平,该低电平加在IC2的SHDN控制端,使IC2关闭而无电压输出。同时发光二极管LED也被点亮,表示电池电压过低,说明该充电了。

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图12-32 简易恒压充电电路

3.简易恒压充电电路

图12-32所示的是利用AN051A组成的简易恒压充电电路,可对两节镍镉或镍氢电池充电。当电池电压低于2.8V时,IC1输出低电平,使VT1截止,继电器K1不吸合,其常闭触点K1-1处于闭合状态,+5V电源经R2向电池充电。

当电池电压充电到2.8V时,IC1的①脚呈高阻抗。VT1导通,继电器K1吸合,其常闭触点K1-1断开,+5V电源经R1和R2进行涓流充电,充电电流为5mA。

该电路也可对3节、4节镍镉、镍氢电池充电,但IC1相应的检测电压为4.2V及5.7V,R1、R2也要作相应的调整。

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图12-34 采用串接稳压二极管提高检测电压的电路

图12-33 采用分压法提高检测电压的电路

4.提高检测电压电路

AN05l A的最大检测电压为6V,但一些便携式电子产品使用的工作电压却很高,有的为9V或12V,有的达到15~24V。碰到这种情况,便可采用图12-33及图12-34所示的电路加以解决。

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图12-35 过压保护电路

5.过压保护电路

过压保护电路如图12-35所示。电路中IC采用开漏输出型电压检测器AN051A,检测电压为6V,VD1采用9.1V额定值的稳压二极管,这样IC提高后的检测电压为

VDET1=VZ+VDET =9.1V+6V=15.1V

若电源电压由于某些原因超过12V达到过压保护值15.1V时,IC输出呈高阻抗,VT1导通,继电器K1吸合,其常闭触点K1-1断开,负载电路断电,达到过压保护的目的。

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6.恒温控制电路

恒温控制电路如图12-36所示。该电路由PTC热敏电阻RT及电位器RP组成的测温电路、电压检测器及控制电路3部分组成。

当温度低于阈值温度时,IC的②脚的电压小于开漏输出型电压检测器的VDET+VHYS值,IC输出低电平,VT截止,继电器K1不吸合,其常闭触点K1-1使加热器RL通电加热,温度上升,如图12-37中的t1阶段所示。随着温度的升高,RT的阻值也随之增大,使IC的②脚的电压也增加。当②脚的电压略超过IC的VDET+VHYS值时,IC的①脚呈高阻抗,使VT导通,K1吸合,其触点K1-1断开,加热器断电而停止加热,但温度不会马上下降,还会上升一些,产生过冲现象。过冲后温度开始下降,一直到RT的阻值下降使IC的②脚的电压低于VDET时,IC的①脚输出低电平,继电器K1才释放,使加热器重新加热。从图12-37中可以看出,由于IC有滞后电压,才会有相应的滞后温度,使恒温控制工作保持稳定。

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图12-36 恒温控制电路

图12-37 恒温控制加热曲线

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图12-38 MAX6338引脚排列

(B).MAX6338系列四电压检测集成电路芯片

MAX6338系列是一种能检测4种电压的电压检测集成电路。在检测电压的阈值中,有的已由工厂设定,有的则由用户自行设定。工厂设定的固定检测电压有+5V、+3.3V、+3.0V、+2.5V、+1.8V及-5V。工作电压为2.2~5.5V,工作电流为25μA。监视电压的电源容差为5%或10%,即电压下降幅度小于5%或10%时,相应输出端为高电平;下降幅度大于5%或10%时,相应输出端的电平由高变低。产品的工作温度范围为-40℃~+80℃。

MAX6338系列采用10脚μMAX形式封装,其引脚排列如图12-38所示,各引脚功能见表12-3。

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图12-04带LED指示的四路电压检测电路

1.带有LED指示的四路电压检测电路

带有LED指示的四路电压检测电路如图12-40所示。

被监视的电压V1~V4分别接入MAX6338的4个输入端IN1~IN4,而输出端接LED1~LED4,用来指示输入电压的状况。当某路输入电压降低到原电压的10%(即低于阈值电压,例如设定的检测电压为5V时,实测电压低于4.5V)时,则相应的发光二极管被点亮,表示该路电源电压降得太低或有故障。

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图12-41 条形或柱形电压监测显示电路

2.条形或柱形电压监测显示电路

条形或柱形电压监测显示电路如图12-41所示。

被监视的电压同时接入MAX6338的4个输入端IN1~IN4,输出端的4个发光二极管LED1~LED4在焊接制作时排成条形或柱形。当输人电压较高时,LED1~LED4均亮。随着输入电压变化,LED1~LED4会依次亮灭,可比较形象地指示出被监测电压高低的变化。若输入端接上电阻分压器,则可扩大电压指示范围。