К.т.н. Твердоступ Н.И., студент Шпак Д.Р.

Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНДУКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ

ИНТЕГРАЛЬНОГО ТАЙМЕРА

Существенным фактором повышения надежности радиоэлектронной аппаратуры является степень простоты схемной реализации. Создание аппаратуры с минимально возможным количеством составляющих элементов является актуальной задачей. Перспективным для построения простых и надежных преобразователей является интегральный таймер NE555, применяемый для преобразования параметров электрической цепи (емкости и сопротивления, напряжения) в управляемую последовательность прямоугольных импульсов [1,2]. Представляет интерес исследование особенностей построения на интегральном таймере преобразователя индуктивности в последовательность прямоугольных импульсов, т.к. сведения о таких преобразователях практически отсутствуют.

В аналоговых таймерах сигнал возбуждения поступает на вход внутреннего двухпорогового компаратора, что позволяет создавать преобразователи развертывающего типа [3] с линейной или экспоненциальной функцией развертывания.

Одна из возможных простых реализаций преобразователя индуктивности в период следования прямоугольных импульсов показана на рис. 1. Здесь L – преобразуемая индуктивность с собственным активным сопротивлением r. Индуктивность L и времязадающее сопротивление R образуют интегрирующую цепь, вход которой подключен к выходу таймера, а выход ко входу внутреннего двухпорогового компаратора с напряжениями переключения U/3 и 2U/3, где U – выходное напряжение таймера. При включении таймера на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения U, равный напряжению питания E_п, которое распределяется на элементах интегрирующей цепи в виде

, (1)

Рис.1 – Преобразователь индуктивности L в последовательность

прямоугольных импульсов

где - ток, протекающий с выхода таймера через элементы интегрирующей цепи. Решение дифференциального уравнения (1) при нулевых начальных условиях имеет вид

exp( )], (2)

где . Ток создает на сопротивлении падение напряжения, являющееся развертывающим напряжением преобразователя

[ exp )], (3)

где – постоянная времени интегрирующей цепи. Согласно (3) напряжение возрастает по экспоненциальному закону и момент времени достигает уровня нижнего порога срабатывания U/3, для которого

= [ exp )], (4)

С течением времени развертывающее напряжение продолжает возрастать и в момент времени достигает уровня верхнего порога срабатывания 2U/3, при этом

= [ exp )], (5)

и выходное напряжение U таймера скачкообразно становится равным нулю. Это приводит к изменению направления развертывания до следующего переключения при U/3. Моменты времени и , при которых таймер переключается, можно определить из (4) и (5) в виде

ln ,

ln .

Длительность сформированного выходного импульса таймера равна , а период их следования , следовательно

ln , (6)

иначе, характеристика преобразования имеет вид где ln – коэффициент преобразования индуктивности L в период следования T прямоугольных импульсов.

Из (6) следует, что преобразование индуктивности происходит по линейному закону; коэффициент преобразования определяется абсолютными значениями сопротивления интегрирующей цепи и собственного активного сопротивления индуктивности , а также их отношением , при этом коэффициент преобразования будет положительным числом только при условии

(7)

при значения не существуют, при k = ∞, что эквивалентно бесконечному периоду T, т.е. срыву колебаний. При выражение коэффициента преобразования становится ln. Управлять величиной можно сопротивлением , причем, для получения высоких значений коэффициента преобразования отношение должно быть как можно ближе к 2, с учетом (7), при этом абсолютные значения и должны быть минимальными.

Экспериментальная проверка выражений (6) и (7) проведена в схеме преобразователя (рис.1), собранного на интегральном таймере NE555. На рис.2 показаны экспериментальные зависимости длительности T периода следования прямоугольных импульсов от величины индуктивности L. Зависимости подтверждают линейность преобразования индуктивности и справедливость выражения (6) с отклонением экспериментальных данных от расчетных до 10%.

Рис.2 – Характеристики преобразования индуктивности L при

различных коэффициентах преобразования k

На рис.3 показаны экспериментальные зависимости коэффициента преобразования от логарифма отношения сопротивлений . Видно, что чем ближе

Рис.3 – Зависимости коэффициента преобразования k от отношения

сопротивлений R/r при их различных абсолютных значениях

lg к 0,301 (иначе к 2), тем больше коэффициент преобразования. Также при меньших абсолютных значениях сопротивлений коэффициент преобразования всегда выше (зависимость 1), чем при бльших (зависимость 2). При значениях lg 0,301 (иначе 2) колебания в схеме отсутствовали, что подтверждает справедливость условия (7).

Результаты исследования позволили сделать следующие выводы:

а) преобразователь на основе однотактного аналогового таймера преобразует индуктивность в период следования прямоугольных импульсов по линейному закону в достаточно широком диапазоне;

б) коэффициент преобразования индуктивности обратнопропорционален сумме активных сопротивлений интегрирующей цепи и зависит от их отношения;

в) для обеспечения колебаний необходимо учитывать величину активного сопротивления преобразуемой индуктивности, а именно: времязадающее сопротивление интегрирующей цепи всегда должно быть больше удвоенного активного сопротивления преобразуемой индуктивности;

г) преобразователь индуктивности на таймере имеет хорошие функциональные возможности при предельно простой схемной реализации, что предполагает его достаточно высокую надежность.

Литература:

1. Коломбет, Е.А. Таймеры [Текст] / Е.А. Коломбет. – М. : Радио и связь, 1983. – 128 с.

2. Функциональные устройства на микросхемах [Текст] / В.З. Найдеров, А.И. Голованов, З.Ф. Юсупов и др. / Под ред. В.З. Найдерова. – М. : Радио и связь, 1985. – 200 с.

3. Шахов, Э.К. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения [Текст] / Э.К. Шахов, В.Д. Михотин. – М. : Энергоатомиздат, 1986. – 230 с.