Компоненты и технологии 2020-01 (222)

12+

Components & Technologies

www.kit-e.ru № 1 ’2020 (январь) ISSN 2079-6811

Датчики

Реклама ПЛИС компании Guangdong

Gowin Semiconductor Corporation

Новая линейка контроллеров
«ЙоТик 32» на базе ESP‑32

Электронные нагрузки:
что это такое и зачем они нужны?

Реклама

Реклама

1 (222) '2020

1 (222) '2020 Содержание



44



52

14

18


60194 32
60195 37
38 84
Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован
Управлением Федеральной службы по надзору КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020
в сфере связи, информационных технологий
и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу
и Ленинградской области.
Свидетельство о регистрации
ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года.
Учредитель
ООО «Издательство Файнстрит»
Адрес редакции
197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,
д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в
Издатель ООО «Медиа КиТ»
197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,
д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в
Отпечатано в типографии «Премиум Пресс»
197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.

Подписано в печать 27.01.20
Тираж 6000 экз.
Свободная цена

Редакция не несет ответственности за информацию,
приведенную в рекламных материалах.
Полное или частичное воспроизведение материалов
допускается с разрешения
ООО «Медиа КиТ».

Журнал включен в Российский индекс
научного цитирования (РИНЦ).
На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU
(www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей.
Статьи из номеров журнала текущего года
предоставляются на платной основе.

Возрастное ограничение 12+



1 (222) '2020

1 (222) '2020 Содержание

Editorinchief Телекоммуникации
Pavel Pravosudov | [email protected]
Франк КеЛьсКи (Frank Kölske)
Deputy of editorinchief Соединительные коробки
Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected] оптоволоконных линий
для высокоскоростной передачи данных
Managing editor с учетом перспективных потребностей 87
Zhanna Gordeevceva | [email protected]
Автоматизация 104
Editor 108
Natalia Novikova | [email protected] павел серГеев, 121

Editorial staff ростислав варЗар
Alexander Frunze
Victor Liferenko Новая линейка контроллеров «ЙоТик 32»
Joseph Karshenbojm
Vladimir Mahov на базе микроконтроллера ESP-32 90

Design and layout Проектирование Технологии
Olga Vorchenko | [email protected]
николай ЛеМешКо, владимир рентюК
Advertising department павел струнин Электронные нагрузки:
Irina Milenina | [email protected] Управляемый джиттер 94 что это такое и зачем они нужны?
в цифровых системах
Subscription department и экспериментальная оценка
Natalia Vinogradova | [email protected] эффективности его использования
для снижения помехоэмиссии
Moscow
7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str.,
Moscow, Russia
Tel. +7 (495) 987-3720

St. Petersburg
b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb.,
St. Petersburg,
197101, Russia
Tel. (812) 4381538
Fax (812) 3460665
email: [email protected]
web: www.kit-e.ru

Belarus Republic
Minsk, Premier Electric
Tel./fax: (10*37517) 2973350,

2973362
email: murom@premierelectric.com

Circulation department
St. Petersburg:
Victor Zolotarev | [email protected]

Subscription index
for Components & Technologies
Rospetchat Agency catalogue
subscription index 80743

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

Реклама

6 датчики

Silicon Radar:
новые, сверхширокополосные

орбатов Компания Silicon Radar [1] основана в 2006 году во Франкфурте-на-Одере
[email protected] (Германия). Она специализируется на разработке и производстве широко-
полосных радарных модулей по технологии SiGe (фаб. IHP) как для ISM-
диапазонов 24,05–24,25; 61–61,5; 122–123 и 244–246 ГГц, так и за их преде-
лами.
Радарные модули ISM-диапазонов 24–122 ГГц с широкой перестройкой ком-
пания Silicon Radar выпускает серийно уже несколько лет, являясь лидером
на рынке в этом сегменте. Ранее данные продукты рассматривались в [2].
Компания осуществляет также заказные и инновационные разработки.
В статье речь пойдет о новых микросхемах Silicon Radar с широкой перестрой-
кой для различных диапазонов до 300 ГГц и о перспективах их применения.

О микросхеме T2R4_024_020 разрешающую способность по расстоянию На основе данной микросхемы также раз-
для диапазона 24 ГГц 4,17 см (1). Кривые перестройки по частоте для работан отладочный комплект EvalKit SiRad
этой микросхемы показаны на рис. 2. MIMO 24 ГГц [5]. Благодаря многоканально-
Диапазон ISM 24,05–24,25 ГГц уже хоро- му приему он обеспечивает пространствен-
шо освоен различными производителями. В данный момент T2R4_024_020 изготавли- ное разрешение по углу до 0,75° и позволяет
Например, ряд микросхем серии BGT24 вы- вается в мелкосерийном производстве, по про- реализовывать сложные алгоритмы обработ-
пускается компанией Infineon. Компания цессу MPW, поэтому ее цена пока относи- ки данных с помощью встроенного скорост-
Analog Devices изготавливает микросхемы се- тельно высока. Для нее компания Silicon Radar ного DSP фирмы Xilinx. Фотография ком-
рии ADF59, которые отличаются хорошими предлагает плату Radarboard T2R4_024_020, плекта со стороны антенн показана на рис. 3.
фазовыми шумами. Радарные модули с уже которая содержит микросхему, стабилизаторы
готовыми антеннами производятся компа- питания, усилители сигналов I/Q и разъемы, Широкая полоса перестройки для автомо-
нией RFbeam [3]. на которые выведены все основные сигналы. бильных радаров ближнего действия разре-
Верхний слой платы выполнен из материала шена нормативными актами. Так, 17 января
Микросхемы компании Silicon Radar от- компании Rogers RO4350B. 2005 года комиссией Евросоюза был выделен
личаются от своих конкурентов широкой,
до 3 ГГц, перестройкой. Так, одноканальные
радарные модули TRX_024_007 [4] серий-
но выпускаются уже несколько лет и нахо-
дят применение в автомобильных радарах
и уровнемерах. Широкая полоса перестрой-
ки позволяет, согласно формуле (1), при
ЛЧМ-модуляции получить гораздо лучшее
(3 ГГц/0,2 ГГц = 15), чем у конкурентов, раз-
решение по дальности.

R = c/2BW, (1)

где BW — полоса модуляции сигнала ЛЧМ, Рис. 1. Структурная схема T2R4_024_020
Гц; R — расстояние до объекта, м; c — ско-
рость света, м/с.

Для многих применений, кроме хорошего
разрешения по дальности, весьма желательно
иметь и хорошее разрешение по углу, что до-
стигается с помощью многоканального при-
ема. Этим требованиям удовлетворяет микро-
схема T2R4_024_020, ее структурная схема
показана на рис. 1. Она содержит ГУН для диа-
пазона частот 22,7–26,3 ГГц, делитель частоты
на 8 для ФАПЧ, два УМ, четыре независимых
приемника с балансными смесителями, SPI-
интерфейс. Полоса перестройки ЛЧМ-сигнала
у нее достигает 3,6 ГГц, что позволяет получить

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 7

Рис. 2. Перестройка по частоте для T2R4_024_020 Рис. 3. Плата 24 ГГц MIMO Radar EvalKit

диапазон частот 21,56–26,65 ГГц. В России
диапазон 22–26,65 ГГц выделен по решению
ГКРЧ при Минкомсвязи России от 2.10.2012
№ 12-15-05-8. Возможно, этот диапазон ско-
ро будет предназначен и для стационарных
радаров, которые используются для контро-
ля дорожного движения.

О микросхемах
для ISM-диапазона 60 ГГц

Упомянем сначала альтернативные реше- Рис. 4. Структурная схема HMC6300 Микросхема TR2_060_010 — это анало-
ния. Одним из первых был Infineon с радар- гичный радарный модуль, только с двумя
ным модулем BGT60 для телекоммуникацион- TRX_060_011 выпускается в виде кристал- каналами приема и раздельными антеннами.
ного рынка, который сейчас уже, впрочем, снят ла размером 1,420,72 мм, ее структурная Он выпускается в виде кристалла размером
с производства. Компания Analog Devices, как схема показана на рис. 6. Она содержит ГУН 1,651,05 мм, его структурная схема показана
и для диапазона 24 ГГц, отдельно выпускает пе- на 30 ГГц; делитель частоты на 32; умножитель на рис. 7. Радарный модуль содержит ГУН
редатчик и приемник. Эти микросхемы пред- на 2, обеспечивающий перекрытие по частоте на 30 ГГц; делитель частоты на 32; умно-
назначены в основном для передачи сигналов 58,31–63,91 ГГц; УМ; МШУ; квадратурный сме- житель на 2, обеспечивающий перекрытие
с помощью FSK, OOK, MSK и до 256 QAM- ситель; направленный ответвитель для развяз- по частоте 58,31–63,91 ГГц; УМ; два МШУ;
типов модуляции и отличаются низкими ки приемного и передающего каналов. Полоса два квадратурных смесителя. Полоса пере-
фазовыми шумами. Структурная схема пере- перестройки ЛЧМ-сигнала здесь составляет стройки ЛЧМ-сигнала тут также до 5,6 ГГц,
датчика HMC6300 представлена на рис. 4. Он до 5,6 ГГц, что позволяет получить разрешаю- что соответствует разрешающей способно-
содержит ГУН на 20 ГГц; умножитель на 3, обе- щую способность по расстоянию до 2,68 см (1). сти по расстоянию до 2,68 см (1). На осно-
спечивающий на выходе 57–64 ГГц; модуля- На основе данной микросхемы предлагается ве данной микросхемы предлагается плата
тор с полосой до 1,8 ГГц; УМ и SPI-интерфейс. плата Radarboard TRX_060_011, которая пред- Radarboard TR2_060_010, которая предназна-
Приемник HMC6301 содержит демодулятор назначена для использования в качестве смен- чена для использования в качестве сменного
и предназначен для совместного использова- ного модуля в составе универсального ком- модуля в составе универсального комплекта
ния с передатчиком HMC6300. плекта разработчика Evalkit SiRad Easy. Плата разработчика Evalkit SiRad Easy. Плата содер-
содержит чип, патч-антенны и разъем для под- жит чип, патч-антенны и разъем для подклю-
Микросхема IWR6843 компании Texas ключения к основной плате. Плата многослой-
Instruments создана для радарных приложе- ная, верхний слой выполнен из RO3003.
ний для диапазона частот 60–64 ГГц, имеет
три передатчика и четыре приемника. Полоса
непрерывной перестройки составляет 4 ГГц.
Ее структурная схема показана на рис. 5. Она
представляет интегрированное решение: ра-
дарный модуль + фазовращатели + АЦП +
микроконтроллер Cortex R4F 200 МГц. К ее до-
стоинствам относятся также высокая скорость
перестройки частоты, до 250 МГц/мкс; скорость
оцифровки I/Q-выходов до 25 Мвыборок/с
и их низкий дисбаланс по амплитуде и фазе.

Для этого диапазона компания Silicon Radar
выпускает одноканальный радарный модуль
TRX_060_011; двухканальный TR2_060_010
и многоканальный МИМО T4R4_060_029.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

8 датчики

Рис. 5. Структурная схема IWR6843

Рис. 6. Структурная схема TRX_060_011

чения к основной плате. Плата многослойная, верхний слой выпол- Рис. 7. Структурная схема TR2_060_010
нен из RO3003.
Новый радарный модуль
Микросхема T4R4_060_029 производится в виде кристалла раз- для ISM-диапазона 122 ГГц
мером 2,262,49 мм, ее структурная схема показана на рис. 8. Она
содержит ГУН на 20 ГГц; делитель частоты на 4; умножитель на 3, Для данного частотного диапазона ближайшим конкурентом
обеспечивающий перекрытие по частоте 55,5–64,6 ГГц; переключа- компании Silicon Radar можно считать компанию Texas Instruments.
тель источника частоты для умножителя; четыре независимых пе- Сравнительный анализ радарного модуля IWR1443, который рабо-
редатчика и четыре приемника. Полоса перестройки ЛЧМ-сигнала тает в диапазонах частот 76–77 ГГц, 77–81 ГГц, и радарного модуля
здесь 9,1 ГГц, что позволяет получить разрешающую способность TRX_120_001 был проведен ранее в [6].
по расстоянию уже 1,65 см (1). Данную микросхему можно легко
каскадировать, так как сигнал на умножитель может подаваться Одноканальные микросхемы TRX_120_001 [7], TRA_120_002 [8]
как с внутреннего ГУН, так и с внешнего входа. Выход гетеродина уже несколько лет выпускаются серийно, что говорит об отрабо-
тоже имеется. Это особенно важно для построения многоканальной
радарной системы с высоким разрешением по азимуту. Компания
Silicon Radar предлагает также плату Radarboard T4R4_060_029, где
установлена микросхема, стабилизатор питания и разъемы, на ко-
торые выведены все основные сигналы. Верхний слой платы вы-
полнен из RO3003.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 9

танной технологии и высоком уровне качества. Цена микросхем Рис. 8. Структурная схема T4R4_060_029
в серийном производстве также существенно ниже, чем экспери-
ментальных образцов. Они изготавливаются в корпусах QFN и име-
ют встроенные антенны, что позволяет существенно сэкономить
на разработке антенн и постановке их в производство. Желаемая
диаграмма направленности с углом раскрыва до 2–4° может быть
получена с помощью недорогой пластиковой линзы. Микросхемы
обеспечивают генерацию ЛЧМ-сигналов с типовой перестройкой
6,5 ГГц примерно за 1 мс, что соответствует разрешению по даль-
ности 2,31 см (1). Некоторые экземпляры микросхем обеспечивают
перестройку до 7,5 ГГц.

Новинка компании, микросхема TRA_120_031 [9], также являет-
ся одноканальной, выпускается в корпусе QFN-32 и имеет встроен-
ные антенны. Ее структурная схема и типовое включение показа-
ны на рис. 9. Микросхема состоит из ГУН 65 ГГц; делителя частоты
на 32; умножителя на 2, который обеспечивает на выходе частоту
117,4–142,3 ГГц; УМ; двух встроенных антенн на прием и передачу;
МШУ и квадратурного смесителя с дифференциальными выхода-
ми I/Q. Микросхема позволяет получить ЛЧМ-сигнал с перестройкой
до 24,9 ГГц, что соответствует разрешению по дальности 0,6 см (1).

При такой большой перестройке для управления ГУН использует-
ся два входа — по напряжению Vt и токовый Icont, которые работают
в противофазе. Схема усилителя для получения этих управляющих
сигналов приведена на рис. 10. Компания Silicon Radar предлагает
также плату Radarboard TRA_120_031, которая предназначена для
использования в качестве сменного модуля для универсального ком-
плекта разработчика Evalkit SiRad Easy.

Рис. 9. Схема включения TRA_120_031 www.kite.ru

Рис. 10. Усилитель для управления перестройкой TRA_120_031
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

10 датчики

Рис. 11. Структурная схема микросхемы TRA_300_030 и ее типовое включение

Рис. 12. Эпюры сигналов Vt, Icont при перестройке TRA_300_030 Рис. 13. Плата Radarboard TRA_300_030

Инновационная микросхема TRA_300_030, которая выпускается в фор- заны на рис. 11. Микросхема включает ши-
для диапазона 300 ГГц ме кристалла, а также в корпусе QFN-28 раз- рокополосный ГУН 75 ГГц; делитель часто-
мером 55 мм как в сборе с пластиковой ты для ФАПЧ; умножитель частоты на 4 для
Это новейшая разработка компании линзой, так и без оной. Структурная схема передатчика, который обеспечивает на вы-
Silicon Radar — одноканальная микросхема микросхемы и ее типовое включение пока- ходе частоту 287–328,5 ГГц; умножитель ча-
стоты для приемника (смесителя), встроен-
Рис. 14. Спектр сигнала ПЧ при отражении от двух объектов при использовании TRA_300_030 ную антенну; направленный ответвитель,
в составе комплекта разработчика Evalkit SiRad Easy обеспечивающий развязку между приемным
и передающим каналами. Микросхема по-
зволяет получить ЛЧМ-сигнал с рекордной
перестройкой до 41,5 ГГц, что соответству-
ет разрешению по дальности до 0,36 см (1).
Для управления ГУН здесь тоже предусмо-
трено два входа — по напряжению и токо-
вый. Эпюры сигналов на них при полной
перестройке по частоте показаны на рис. 12.
Примечательно, что весь частотный диапа-
зон 41,5 ГГц перестраивается за время, со-
ставляющее около 5 мс.

Компания Silicon Radar также предлагает
плату Radarboard TRA_300_030 [10], пред-
ставленную на рис. 13. Она предназначена
для использования в качестве сменного мо-
дуля в составе универсального комплекта
разработчика Evalkit SiRad Easy. Спектр сиг-
нала ПЧ, полученный с помощью данного
комплекта и упомянутой платы, показан
на рис. 14. На нем видно достигнутое превос-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 11

ходное разрешение — два отклика от объек-
тов на расстоянии 284 и 300 мм.

Заключение

Характеристики радарных модулей компа- Рис. 15. Приборы на основе микросхем компании Silicon Radar
нии Silicon Radar со сверхширокополосной пе-
рестройкой представлены в таблице. При ис- Таблица. Характеристики радарных модулей
пользовании модулей в ЛЧМ-радарах таким
образом удается достичь высокой точности Название Число каналов Антенны Диапазон Перестройка, Разрешение Корпус Размер, мм
определения расстояния по отсчетам БПФ — на передачу/прием частот, ГГц ГГц по дальности, см
4,17/2,14/1,65/0,6/0,36 см. Использование фа- TRX_024_007 Внешние QFN-20 3×3
зовой информации позволяет получить суб- T2R4_024_020 1/1 Внешние 22,8–26,4 4,17 3,6 QFN-32 5×5
миллиметровую точность. Компанией Silicon TRX_060_011 2/4 Внешние 22,7–26,3 4,17 3,6 Кристалл 1,42×0,72
Radar создан специальный демонстрацион- TR2_060_010 1/1 Внешние 58,31–63,91 5,68 2,68 Кристалл 1,65×1,05
ный стенд на основе Evalkit SiRad Simple. Он T4R4_060_029 1/2 Внешние 58,31–63,91 5,68 2,68 Кристалл 2,26×2,49
помогает верифицировать данные, получен- TRX_120_001 4/4 Встроенные 55,5–64,6 9,1 1,65 QFN-56 8×8
ные с помощью радара 122 ГГц по калибро- TRA_120_002 1/1 Встроенные 119,3–125,8 6,5 2,31 QFN-32 5×5
ванному микронному смещению стальной TRA_120_031 1/1 Встроенные 119,3–125,8 6,5 2,31 QFN-32 5×5
пластины. Достигнутая с помощью радара TRA_300_030 1/1 Встроенные 117,4–142,3 24,9 0,6 QFN-28 5×5
точность позволяет также идентифицировать 1/1 287–328,5 41,5 0,36
сердцебиение и дыхание на расстоянии, как
было показано ранее в [11]. нии Anlysun (Китай); велосипедные радары 7. Горбатов К. О точных измерителях дальности
от компаний Texas Instruments и Silicon Radar //
При треугольном ЛЧМ-сигнале можно из- Garmin (США); радар для сельского хозяй- Компоненты и технологии. 2018. № 2.
мерить сразу скорость и расстояние, а также
направление движения объекта с высокой ства Baumer Electric AG (Швейцария); радар 8. Спецификация на TRX_120_001.
точностью всего лишь за несколько милли- www.efo.ru/storage/pdf/Silicon%20Radars/
секунд. При необходимости получить узкий для определения качества дорожного покры- Datasheet_TRX_120_001_V1.3.pdf
луч с ДН до 2–4° можно использовать пласти-
ковые линзы с дальностью работы до 40 м. тия Streetscan (США); радар для отслежива- 9. Спецификация на TRA_120_002.
www.efo.ru/storage/pdf/Silicon%20Radars/
Микросхемы МИМО с многоканальным ния полета мячика для гольфа. Несомненно, Datasheet_TRA_120_002_V0.7.pdf
приемом позволяют также получить хо-
рошее разрешение по азимуту — до 0,75°. микросхемы компании Silicon Radar найдут 10. Спецификация на TRA_120_031.
Радары на миллиметровых волнах компак- www.efo.ru/storage/pdf/Silicon%20Radars/
тны и практически не имеют мертвой зоны. применение и в России. n Datasheet_TRA_120_031_V0.1.pdf
Быстрая перестройка по частоте предусма- SiRad Easy 300 GHz Front End board.
тривает выполнение нескольких сотен изме- Литература www.siliconradar.com/wiki/SiRad_Easy_300_
рений в секунду, что важно при наблюдении GHz_Front_End_Board
за быстро перемещающимися объектами. 1. Компания Silicon Radar. www.siliconradar.com
2. Горбатов К. Знакомство с компанией Silicon 11. Горбатов К. Silicon Radar: о дистанционном из-
Для сокращения затрат и времени на раз- мерении дыхания и пульса // СВЧ-электроника.
работку компания Silicon Radar выпускает Radar // Компоненты и технологии. 2017. № 5. 2017. № 3.
демонстрационные платы и комплекты для 3. www.efo.ru/storage/docs/23_190.pdf
всех микросхем. Платы и комплекты сокра- 4. Горбатов К. Радарные модули фирмы RFbeam 12. Gorbatov K.V., Mamaeva T.U. Radar Sensor Evalkit
щают затраты на изготовление прототипов, SiRad Simple 120 of Silicon Radar Company and its
позволяют быстро верифицировать пара- диапазона ISM 24,05–24,25 ГГц // Компоненты Usage in Bioengineering, materials of Russian-
метры микросхем и оценить реализуемость и технологии. 2015. № 4. German Conference on Biomedical Engineering
конкретного проекта заказчика. Наиболее 5. Спецификация на TRX_024_007. “RGC-2019”, 3–6 July 2019, St. Petersburg.
универсальным решением является комплект www.efo.ru/storage/pdf/Silicon%20Radars/
разработчика Evalkit SiRad Easy, который бла- Datasheet_TRX_024_007_V1.4.pdf
годаря сменным модулям позволяет начать 6. EvalKit SiRad MIMO 24 GHz.
работу почти со всеми выпускаемыми ком- www.siliconradar.com/evalkits/#sirad-mimo
панией микросхемами, в пределах 24–300 ГГц.

Микросхемы компании Silicon Radar на-
ходят применение в робототехнике, для об-
наружения малоразмерных препятствий;
в прецизионном контроле качества поверх-
ностей и материалов; в медицине [12] для
бесконтактной диагностики и для измере-
ния сердцебиения и дыхания; на производ-
стве; в автомобильном и железнодорожном
транспорте, для локализации объектов и из-
мерения их скорости. На рис. 15 представ-
лены разработки ведущих мировых произ-
водителей, показанные на стенде компании
Silicon Radar во время выставки EuMW-2019
в Париже: уровнемеры 24, 122 ГГц компа-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

12 датчики

Инерциальные системы (БИНС)
МЭМС российской разработки

Алексей ТОРОПКОВ Согласно прогнозу лаборатории Драйпера (США) до 2030 года (рис. 1)
[email protected] по перспективам развития инерциальных датчиков для систем стабили-
зации, управления и навигации, ожидается, что механические датчики
прочно удержатся в нише микро- и наномеханики на основе технологии
полупроводников. Нишу оптических датчиков займет технология воло-
конной оптики.

Инерциальными датчиками, осно- беспилотных автомобилей, робототехники на базе волоконно-оптических и кольцевых
ванными на перспективной техно- и другого оборудования, где в последние лазерных гироскопов для наземного, авиаци-
логии МЭМС, занимается ряд стран. годы и в России, и в мире лидирует несколь- онного и морского применений.
В России пока так и не освоено массовое ко европейских компаний.
производство МЭМС-гироскопов и акселе- Производство БИНС МЭМС модели
рометров, кроме того, первые образцы рос- Вообще, рынок инерциальных МЭМС- ГЛ-ВГ110 организовано с возможностью
сийской разработки не конкурентоспособ- систем сейчас имеет два ярко выраженных выпуска до 30 000 изделий в год. За полтора
ны на массовых коммерческих рынках из-за полюса. Одни производители выпускают си- года были произведены первые 1000 штук,
массо-габаритных и ценовых параметров. стемы высокой точности и качества в дорого- которые уже нашли применение в системах
стоящей ценовой категории. Это преимуще- стабилизации и в качестве гировертикали
Зато разработка российских инерциаль- ственно Америка и Европа. Другие же берут в составе пилотажно-навигационных ком-
ных систем (БИНС), в основе которых ле- ценой, имея при этом нарекания со стороны плексов (ПНК) для легкомоторной авиации.
жат несколько гироскопов, акселерометров, потребителей по точности и работоспособ- Применяются также в составе комплексов
сложная «математика», программное обеспе- ности, — Китай. малоразмерных необитаемых подводных
чение, алгоритмия и методики калибровки, аппаратов (АНПА), в робототехнике, в про-
находится на уровне мировых лидеров ин- Ниша инерциальных систем МЭМС для ектах беспилотных автомобилей.
дустрии. ответственных применений, оптимальных
по соотношению точность/качество/цена, В новом приборе использованы передо-
Инерциальные системы МЭМС проекти- до недавнего времени оставалась незанятой. вые решения, повышающие, прежде всего,
руют и выпускают несколько отечествен- Лишь в последние несколько лет с запуском функциональные возможности его приме-
ных предприятий — большинство из них в производство российской БИНС МЭМС нения, а также основные точностные пара-
являются государственными и ориентиро- ГЛ-ВГ110 (рис. 2) ситуация начала меняться, метры. Вместо трех одноосных акселеро-
ванными преимущественно на оборонную появилась достойная альтернатива зарубеж- метров предусмотрен кластер из четырех
промышленность и авиацию, а потому име- ным аналогам. трехосных акселерометров, рассчитанных
ют высокую цену и проигрывают в конку- на повышение точности измерений (за счет
рентной борьбе за массовые рынки, такие как Указанная модель разработана част- избыточности) и масштабируемости в диа-
малые и средние БПЛА (беспилотные лета- ной российской компанией «Гиролаб», уже пазоне ускорений до ±40 g. Теперь применен
тельные аппараты), зарождающийся рынок не первый год выпускающей целую линей- тот же высокопроизводительный микро-
ку инерциальных навигационных систем контроллер, что и в высокоточных системах
Рис. 1. Прогноз до 2030 года на базе волоконно-оптических и кольцевых
лазерных гироскопов. В состав БИНС вве-
дены два новых датчика — баровысотомер
(для демпфирования неустойчивого верти-
кального канала, что особенно актуально
для датчиков МЭМС) и трехосный магни-
тометр (для демпфирования курсового ка-
нала). Добавлен новый высокоскоростной
и гальванически развязанный интерфейс
Ethernet.

С точки зрения задач навигации инер-
циальные МЭМС-системы предназначены
в основном для кратковременной поддержки
(дублирования и сглаживания) спутнико-
вых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS/
Beidou. Для улучшения именно навигацион-
ных параметров и была разработана БИНС
МЭМС ГЛ-ВГ110 с реализацией новых воз-
можностей, о которых говорилось ранее.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 13

Сегодня достигнуты следующие точностные характеристики Рис. 2. Модель ГЛ-ВГ110

БИНС МЭМС ГЛ-ВГ110: более 100 изделий — цена БИНС МЭМС ГЛ-ВГ110 до 2–3 раз ниже,

• Угол рыскания, уход (σ): 50 °/ч. чем популярные зарубежные аналоги со сходными характеристика-
• Крен, тангаж (σ):
ми. Например, такую существенную разницу в цене по сравнению
– 0,4° (наличие одометра/СВС/лага или СНС);
с ГЛ-ВГ110 имеет получившая широкое распространение модель
– 1° (отсутствие одометра/СВС/лага и СНС).
MTI-30 от компании XSens (Нидерланды). Благодаря этому к россий-
• Точность счисления пройденного пути (σ) (требуется одометр/
СВС/лаг): 5% (от пройденного пути в течение 60 с после потери ской БИНС МЭМС проявляется повышенный интерес со стороны

данных от СНС). как российских, так и зарубежных потребителей. n

• Погрешность приращения угла рыскания (σ): 0,8%.
• Температура (устойчивость): –40…+55 °C.
• Температура (прочность): –55…+85 °C.
• Вибрация (прочность), случайная 20–2000 Гц: 6 g.
• Удары (прочность), длительность 1 мс, форма 1/2 синуса: 90 g.
• Время функциональной готовности: 0,5 с.
• Частота навигационных решений: 610 Гц.
• Выходной интерфейс: Ethernet (100 Мбит), RS-232, RS-485,

дискретные сигналы.

• Напряжение питания/потребляемая мощность: 9–30 В/<1,5 Вт.
• Массо-габаритные параметры: 895117 мм.
• Вес: 0,125 кг.
• Наработка на отказ: 40 000 ч.
• Срок службы: 10 лет.

За счет оптимально подобранных комплектующих и собственной

методики групповой калибровки изделий — единовременно кали-

бруются на калибровочном столе с термокамерой в течение суток

новости криптография

Первые в отрасли предварительно зарегистрированные решения
от Microchip упрощают реализацию аппаратной безопасности IoT-сетей

Компания Microchip Technology Inc. представляет первое в отрасли предва- безопасная загрузка, обновления по «воздуху» (OTA), IP-защита, защита
рительно зарегистрированное решение, которое предназначено для хранения пользовательских данных и ротация сетевых ключей. Время и сложность
криптографических ключей устройств в сетях любого размера с помощью настройки устройств уменьшаются, поскольку исключается необходимость
элемента безопасности ATECC608A. Платформа Trust Platform компании использовать номера компонентов. Тем заказчикам, которым необходимы
Microchip, разработанная для семейства CryptoAuthentication, позволяет ком- полностью настраиваемые системы, предлагается третий уровень платфор-
паниям любого масштаба легко реализовать безопасную аутентификацию. мы — TrustCUSTOM, обеспечивающий специализированную конфигурацию
и заказную регистрацию идентификационных данных.
Трехуровневая платформа Trust Platform предоставляет готовые, предвари-
тельно зарегистрированные и сконфигурированные или полностью настраивае- Компания Microchip совместно с веб-службой AWS (Amazon Web Services)
мые пользователем элементы безопасности, благодаря чему можно подобрать реализовала упрощенный процесс интеграции в сервисы продуктов, разра-
решение, которое в наибольшей мере отвечает потребностям конкретного ботанных с помощью всех вариантов платформы Microchip Trust Platform.
приложения. Первый уровень Trust&GO первого в отрасли решения для без-
опасной аутентификации устройств массового рынка обеспечивает автомати- Компоненты ATECC608A с установленной библиотекой Common Criteria
ческое развертывание готовых элементов безопасности. Минимальный объем Joint Interpretation Library (JIL) обеспечивают высоконадежное хранение
заказа этих элементов составляет 10 штук. В элементы ATECC608A поступают, криптоключей. Устройства защищены от физических атак всех известных
записываются и сохраняются идентификационные данные устройств для ав- типов благодаря использованию аппаратного корня доверия для хранения
томатизированной аутентификации в облаке или сетях LoRaWAN. При этом и другим контрмерам, хорошо зарекомендовавшим себя на практике.
соответствующие сертификаты и открытые ключи отправляются в «деклара-
ционный» файл, который можно загрузить в электронном магазине Microchip. www.microchip.com
Кроме того, у пользователя имеется возможность выбрать дистрибьютора.

Предлагаемое решение помогает не только сократить время разработки
на несколько месяцев, но и значительно упростить логистику, облегчив задачу
по обеспечению безопасности и управлению оконечными устройствами. При
этом отпадает необходимость оплачивать регистрационные услуги или услуги
сертификационных органов.

Платформа TrustFLEX компании Microchip, способная аутентифицировать
любую открытую или частную облачную инфраструктуру, обладает универ-
сальностью и способностью к настройке. Тем заказчикам, которым требует-
ся более высокая степень кастомизации, предлагаются решения на основе
уровней TrustFLEX и TrustCUSTOM. TrustFLEX, второй уровень платформы,
позволяет заказчику при желании реализовать собственное право на сер-
тификацию, а также применить заранее сконфигурированные сценарии.
К предлагаемым сценариям использования относятся базовые меры безопас-
ности, в том числе защищенная аутентификация при подключении к любой IP-
сети с помощью любой цепочки сертификатов, аутентификация LoRaWAN,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

14 датчики

Разработка малошумящей
системы управления
с обратной связью

с использованием МЭМС-гироскопов

Марк ЛУНИ (Mark LoonEy) Анализируется зависимость поведения систем управления с использова-
Перевод: Михаил РУССКИх нием МЭМС-гироскопов от уровня шума и приводится расчет характери-
стик устройства с его учетом.
[email protected]

Спомощью МЭМС-гироскопов мож- Понимание зависимости поведения систе- чтобы создать устойчивую платформу для
но реализовать простой способ из- мы от шума гироскопа позволяет установить персонала или оборудования, чувствитель-
мерения угловой скорости враще- соответствующие требования для датчика ную к инерционному движению. Одним
ния, к тому же они имеют удобные корпуса, в составе контура обратной связи или, на- из примеров применения является установ-
которые легко монтируются на печатные оборот, проанализировать реакцию системы ленная на платформе автономного транс-
платы, поэтому данные гироскопы весьма на шум при использовании конкретного ги- портного средства СВЧ-антенна, которая
популярны в качестве чувствительного эле- роскопа. Как только разработчики определят движется в жестких условиях окружающей
мента в цепи обратной связи в различных эту зависимость, они смогут сосредоточить- среды со скоростью, вызывающей резкие
системах управления движением. Но шум, ся на двух основных задачах, позволяющих изменения пространственной ориентации
присутствующий в сигналах угловых скоро- минимизировать влияние шума в конту- транспортного средства. Без управления
стей (выходных сигналах МЭМС-гироскопа), рах обратной связи по угловой скорости: углом наведения в реальном времени такие
может оказывать непосредственное влияние во-первых, на поиске наиболее подходящих направленные антенны не смогут поддержи-
на важнейшие характеристики системы, на- критериев для подбора МЭМС-гироскопа и, вать непрерывную связь, испытывая влияние
пример стабильность платформы, а также во-вторых, на обеспечении постоянных шу- инерционного движения.
он зачастую является фактором, определяю- мовых характеристик в течение всего про-
щим степень точности, которую обеспечи- цесса интегрирования выходных значений В представленной на рис. 1 системе ис-
вает система управления. В связи с этим при датчика. пользуется серводвигатель, вал которого
проектировании новых систем управления в идеале будет вращаться так, чтобы про-
движением разработчикам необходимо учи- Основы управления движением тиводействовать вращению, вызванному
тывать уровень шумов. Принимая во вни- остальной частью системы. Началом кон-
мание, что шумовые параметры влияют Установление зависимости между шумо- тура обратной связи является МЭМС-
на критически важные показатели устрой- выми характеристиками системы МЭМС- гироскоп, который наблюдает за скоростью
ства, в частности на точность поддержания гироскопа и основными действиями систе- вращения (jG) стабилизированной плат-
параметров системы, расчет характеристик мы зачастую начинается с понимания того, формы. Сигналы гироскопа с информацией
устройства в зависимости от уровня шума, как работает система. На рис. 1 представлен об угловой скорости поступают в подсисте-
обычно указанного в технической докумен- пример архитектуры системы управления му цифровой обработки сигналов, содер-
тации на МЭМС-гироскопы, является очень движением, на котором ее ключевые эле- жащую функции фильтрации, калибровки,
важной частью первоначальных проектных менты разбиты на функциональные блоки. выравнивания и интегрирования для реали-
работ. Цель такого типа устройства состоит в том, зации обратной связи по ориентации в ре-
альном времени (jE). Управляющий сигнал
для серводвигателя (jCOR) — это результат
разности сигнала обратной связи и установ-
ки пространственной ориентации (jCMD),
которая задается центральной системой
управления или просто представляет про-
странственную ориентацию, благодаря чему
поддерживается идеальная работа оборудо-
вания на платформе.

Пример применения

Рис. 1. Пример архитектуры системы управления перемещением Отталкиваясь от приведенного на рис. 1
архитектурного представления системы
управления движением и переходя к анали-
зу физических атрибутов конкретного при-
ложения, можно сформировать основные

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 15

Рис. 2. Промышленная система контроля с использованием камеры Рис. 3. Случайное блуждание угла (ADIS16460)

определения и идеи. Рассмотрим систему, Наиболее часто применяемый метод Наиболее распространенными метриками,
изображенную на рис. 2 и представляющую управления перемещением для такого типа которые имеются для описания шумовых ха-
собой стандартный вид автоматизирован- системы известен как стабилизация изо- рактеристик МЭМС-гироскопов, являются
ной системы контроля для производствен- бражения. В ранних системах стабилиза- плотность шума (RND) и дрейф угла (ARW).
ной линии. Эта система с использованием ции изображения использовались осно-
камеры проверяет объекты, которые входят ванные на гироскопах системы с обратной Плотность шума обычно измеряется
в ее поле зрения и выходят из него, переме- связью для управления серводвигателями, в °/с/√Гц и обеспечивает простой способ вы-
щаясь по ленточному конвейеру. В данном которые регулировали ориентацию датчика числения полного шума значения угловой
случае камера крепится к потолку с помо- изображения в пространстве при открытом скорости на основе частотной характери-
щью длинного кронштейна, определяюще- затворе. Появление технологии МЭМС по- стики гироскопа. Дрейф угла обычно из-
го ее высоту (расстояние D на рис. 2), что зволило значительно сократить размеры, меряется в °/√ч и зачастую является более
позволяет оптимизировать поле зрения ка- стоимость и энергопотребление таких си- полезным параметром при анализе влия-
меры по размеру проверяемых ею объек- стем, что привело к еще более широкому рас- ния шума на результаты определения угла
тов. Поскольку на фабриках присутствует пространению этого метода в современных в течение определенных периодов времени.
большое количество механизмов и прочих цифровых камерах. Достижения в области В уравнении (2) приведена общая формула
движущихся элементов, камера может вре- цифровой обработки изображений, для алго- для определения угла на основе измерения
мя от времени испытывать колебательные ритмов которой еще используются результа- угловой скорости. Кроме того, в нем также
движения (jSW(t) на рис. 2), что может при- ты измерений угловой скорости, полученные имеется простая формула, которая показы-
вести к появлению искажений на контроль- от МЭМС-датчиков, привели к исключению вает соотношение между плотностью шума
ных изображениях. С помощью красных серводвигателя во многих случаях приме- и дрейфом угла. Это соотношение представ-
пунктирных линий обозначается граница нения. Независимо от того, выполняется ли ляет собой некоторую адаптацию уравнения
полной угловой ошибки (±jSW), возникаю- стабилизация изображения с помощью сер- из IEEE-STD-952-1997 (приложение C):
щей в результате этого колебательного дви- водвигателя или с помощью последующей
жения, а зеленые пунктирные линии опре- цифровой обработки файлов с изображени- jn(τ) = ARW√τ,
деляют уровень угловой ошибки, в рамках ями, основная функция (передача измерен-
которого будут обеспечиваться целевые ных данных по цепи обратной связи) гиро- ARW = 60/√2RND,
показатели качества изображения (±jRE). скопа остается той же самой, как и влияние
Представленное на рис. 2 изображение его шума. Для простоты понимания в ста- jn(τ) = 60/√2RND√τ. (2)
определяет ключевую метрику системного тье будет рассмотрен классический подход
уровня (искажение изображения) в терми- (серводвигатель, управляющий положением Графический пример, представленный
нах погрешности линейного смещения (dSW, датчика изображения) с целью изучения наи- на рис. 3, помогает при дальнейшем рас-
dRE) на поверхности проверки объектов. более важных основ шумовых характеристик смотрении поведения сигнала, на который
Отношение этих атрибутов к высоте рас- и того, как они соотносятся с ключевыми влияет случайное блуждание угла. Зеленые
положения камеры (D) и угловым ошибкам физическими параметрами приложений по- пунктирные линии отображают значения
(jSW, jRE) можно выразить через простое добного типа. случайного блуждания угла при плотно-
тригонометрическое соотношение уравне- сти шума гироскопа 0,004 °/с/√Гц, что со-
ния (1): Случайное блуждание угла (дрейф) ответствует показателю дрейфа угла 0,17
°/√ч. Сплошные линии представляют собой
dSW = Dsin(jSW), (1) В результатах измерения угловой скоро- шесть отдельных процессов интегрирова-
jSW = a sin(dSW/D), сти всех гироскопов присутствует шум. Этот ния выходного сигнала этого гироскопа
dRE = Dsin(jRE), собственный шум датчика представляет со- за период 25 мс. Случайный характер угло-
jRE = a sin(dRE/D). бой случайное изменение выходного сигнала вых ошибок относительно времени пока-
гироскопа при его работе в условиях статики зывает, что основная полезность случай-
(без вращательного движения) и в нормаль-
ных условиях (без вибрации, ударов и т. д.).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

16 датчики

ного блуждания угла заключается в оценке Рис. 4. Плотность шума ADXRS290 с использованием фильтров
статистического распределения угловых
ошибок за конкретное время интегрирова- Когда τ становится равным 0,035 с: Когда частотная характеристика плотности
ния. Следует отметить, что такой тип ха- шума соответствует конфигурации фильтра
рактеристики предполагает использование нижних частот с одним полюсом или двумя
фильтрации верхних частот для устранения полюсами, ширина полосы шума (fNBW) от-
начальных ошибок смещения в процессе носится к частоте среза фильтра (fC) в соот-
интегрирования. ветствии с соотношениями уравнения (6):

Вернемся теперь к практическому при-
меру, приведенному на рис. 2. Объединение
уравнений (1) и (2) дает возможность связать
важные критерии (физические искажения
на контролируемой поверхности) с имею-
щими отношение к шуму характеристика-
ми (плотность шума, случайное блуждание
угла), которые, как правило, приводятся в до-
кументации на МЭМС-гироскопы. В этом
процессе допущение, что время интегриро-
вания (τ) в уравнении (1) равно времени за-
хвата изображения, приводит к еще одному
упрощению, которое может оказаться полез-
ным. В уравнении (3) наблюдается общая за-
висимость из уравнения (1) для оценки того,
что, когда камера находится на расстоянии
(D) 1 м от контролируемой поверхности
и максимально допустимая ошибка искаже-
ния составляет 10 мкм (dRE), угловая ошибка
гироскопа (jRE) должна быть менее 0,00057°:

dRE = Dsin(jRE), ARW ≤ 0,18 °/√ч, fNWB = 1,57fC
jRE ≤ arcsin(dRE/D), RND ≤ 0,18 °/√ч(√2/60), (однополюсный фильтр нижних частот),
jRE ≤ arcsin(0,00001 м/1 м),
RND ≤ 0,0043 °/с/√Гц. fNWB = 1,22fC
(4) (двухполюсный фильтр нижних частот). (6)

jRE ≤ 0,00057°. (3) Зависимость шума угловой Например, на рис. 4 представлены два раз-
скорости от полосы пропускания ных спектральных графика для оценки шума
В уравнении (4) объединены результаты гироскопа ADXRS290, плотность шума кото-
из уравнения (3) и общие отношения урав- Разработчики систем, обеспечивающих рого равна 0,004°/с/√Гц. На этом графике синяя
нения (2), что позволяет спрогнозировать непрерывное управление наведением, скорее кривая представляет собой шумовую характе-
требования к плотности шума и случайному захотят оценивать влияние шума по отноше- ристику при использовании двухполюсного
блужданию угла МЭМС-гироскопа в конкрет- нию к угловой скорости, поскольку в их случае фильтра нижних частот, частота среза которо-
ной ситуации. В рамках этого процесса пред- может не быть фиксированного времени ин- го равна 200 кГц, а зеленая кривая отображает
полагается, что время захвата изображения, тегрирования, которое позволило бы восполь- шумовую характеристику при использовании
равное 35 с, будет являться временем интегри- зоваться соотношением на основе случайного однополюсного фильтра нижних частот с ча-
рования (τ) из уравнения (2), в результате ста- блуждания угла. Для оценки шума относитель- стотой среза 20 кГц. В уравнении (7) приводят-
нет ясно, что для удовлетворения данного тре- но угловой скорости нередко требуется анализ ся расчеты полного шума для каждого из этих
бования случайное блуждание угла гироскопа плотности шума и частотной характеристи- фильтров. Как и ожидалось, вариант с часто-
должно быть менее 0,18°/√ч, или плотность ки сигнальной цепи гироскопа. На частотную той среза 200 кГц имеет более высокий уровень
шума должна быть меньше 0,0043°/с/√Гц. характеристику гироскопа обычно наиболь- шума, чем вариант с частотой 20 кГц:
Конечно, подобное требование может быть шее влияние оказывает фильтрация, которая
не единственным, обеспечивающим поддер- обеспечивает соблюдение специфических для TN = RND√1,22fc,
жание данных параметров, но эти простые со- приложения требований к показателям ста-
отношения служат примером того, как связы- бильности контура и подавление нежелатель- TN200 Гц = 0,004°/c/√Гц√1,22200,
вать известные требования и условия: ных выбросов датчика при воздействии таких
явлений окружающей среды, как вибрация. TN200 Гц = 0,062 °/с,
jRE ≤ jn ≤ 0,00057°, Уравнение (5) представляет собой простой
способ оценки шума, связанного с конкретной TN20 Гц = 0,004°/с/√Гц√1,5720,
jn ≤ 0,0057°, частотной характеристикой (шириной полосы
шума) и плотностью шума: TN20 Гц = 0,022 °/с. (7)

ARW×√τ ≤ 0,00057°, TN = RND√fNWB, (5) В тех случаях, когда для системы необхо-
ARW× ≤(√20,00057°)/√τ, дима более сложная фильтрация, а частотная
RND ≤ (√20,00057°)/(60√τ). где TN — полный шум, °/с (rms); RND — характеристика фильтра (HDF(f )) не соот-
плотность шума, °/с/√Гц; fNWB — полоса ча- ветствует простым однополюсным и двух-
стот шума, Гц. полюсным моделям в уравнениях (6) и (7),

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 17

для прогнозирования полного шума можно θ(fG,fC) = a tan(fG/fC), на основные параметры работы, поэтому
воспользоваться уравнением (8), в котором θ(20,200) = a tan(20/200) = ~5,7°,
приводится более общее отношение: θ(20,60) = a tan(20/60) = ~18,4°. (9) в процессе создания новой системы такой

(8) шум нужно учитывать как можно раньше.

Помимо влияния на полный шум угловой Те, кто может определить, как шум угловой
скорости, фильтры, применяемые с гироско-
пами, также вносят фазовую задержку в об- скорости способен повлиять на работоспо-
щую характеристику контура, что напрямую
влияет на еще один важный показатель в си- собность системы, смогут создать более ка-
стемах управления с обратной связью — за-
пас по фазе в зависимости от частоты при В современных системах управления неред- чественную конструкцию, нежели те, кто
единичном усилении. В уравнении (9) при- ко используются цифровые фильтры, име-
ведена формула для оценки фазовой задерж- ющие разные модели для вычисления их знает лишь то, что им нужен низкий уровень
ки (θ), которую будет иметь однополюсный фазовой задержки при критических для кон-
фильтр (fC = частота среза) на частотной ха- тура управления частотах. Например, в уравне- шума. Первые смогут задать цели для дости-
рактеристике контуров управления при часто- нии (10) приведена формула для оценки фазо-
те единичного усиления (fG). В уравнении (9) вой задержки (θ), связанной с КИХ-фильтром жения желаемых характеристик, благодаря
представлено два примера, демонстрирую- с 16 звеньями, работающим с частотой вы-
щих величину фазовой задержки при часто- борки, равной 4250 выб/с (fS) с ADXRS290, при которым в их приложениях будет присут-
те единичного усиления, равной 20 Гц, для той же частоте единичного усиления (fG), со-
фильтров с частотами среза 200 и 60 Гц соот- ставляющей 20 Гц. Данный тип соотношений ствовать наблюдаемая величина, и, соответ-
ветственно. Такое влияние на запас по фазе может помочь в определении количества от-
может привести к необходимости выбора счетов, которое поддерживает системная ар- ственно, лучше выполнить количественную
гироскопа с шириной полосы пропускания, хитектура для такого типа структуры фильтра:
которая в 10 раз больше частоты единичного оценку последствий на уровне системы,
усиления, что может еще больше увеличить
потребность в МЭМС-гироскопе с подходя- когда понадобится рассмотреть конкретный
щими (малыми) уровнями плотности шума:
МЭМС-гироскоп для удовлетворения других

целей проекта.

Как только разработчики системы пой-

мут эти основы, они смогут сосредоточиться

на выборе МЭМС-гироскопа, отвечающего

их требованиям к качеству работы с учетом

θ = ((NTAP+1)/2)(fG/fC), полосы пропускания, плотности шума или
θ = ((16–1)/2)(20/4250)360°,
дрейфа угла. В процессе оптимизации харак-

теристик системы, зависящих от выбранно-

го датчика, инженеры могут использовать

θ = 12,7°. (10) зависимость уровня шума от ширины по-

Заключение лосы пропускания (шум угловой скорости)

и времени интегрирования (ошибка угла).

И в дальнейшем определить другие важные

В системах управления движением шум системные параметры, обеспечивающие
в цепях обратной связи по угловой скорости
может оказывать непосредственное влияние наиболее подходящие характеристики для

работы приложения. n

новости АЦП/ЦАП

Серия AD402х АЦП последовательного приближения от Analog Devices

Компания Analog Devices выпустила серию но- цепи от перенапряжений. АЦП работает от одно- позволяет использовать более медленный SPI
вых АЦП последовательного приближения AD402х. го напряжения питания. Предполагается внешний
источник опорного напряжения. Малый входной для передачи данных. При напряжении питания
Данная серия АЦП состоит из трех микросхем: ток, особенно в режиме высокого входного со-
AD4020, AD4021 и AD4022, которые различают- противления (high-Z), в большинстве случаев по- 1,8 В интерфейс может работать с логическими
ся между собой только максимальной скоростью зволяет обойтись без отдельного драйвера АЦП
преобразования. Эти АЦП сочетают такие каче- без ухудшения характеристик. Все АЦП обеспе- уровнями 1,71–5,5 В.
ства, как высокая скорость, большая точность чивают гарантированное разрешение 20-бит без
и малое потребление. Микросхемы имеют вход- пропуска кодов. Быстрая скорость оцифровки Основные технические характеристики:
ной ограничитель, который защищает входные
• Количество разрядов АЦП: 20 бит.
• Максимальная частота дискретизации:

– AD4020: 1800 тыс. выб./с;

– AD4021: 1000 тыс. выб./с;

– AD4022: 500 тыс. выб./с.

• Отношение сигнал/шум:
100,5 дБ (при частоте входного сигнала 1 кГц

и VREF = 5 В).
• Полная потребляемая мощность:

– при частоте дискретизации 10 kSPS: 83 мкВ;

– при частоте дискретизации 1,8 MSPS: 15 мВт.

• Динамический диапазон:
– при коэффициенте передискретизации 2:

104 дБ.;

– при коэффициенте передискретизации 1024:

131 дБ.

• Корпуса:
– LFCSP 10 выводов 3×3 мм;
– MSOP 10 выводов 3×4,9 мм.
www.teson.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

18 датчики

TLI4971 — новый датчик
компании Infineon:

точное и надежное измерение тока

Владимир РеНТюК Датчики, в частности датчики тока, являются важной частью современной
[email protected] аппаратуры. На них основано не только регулирование, но и защита часто
весьма дорогостоящего оборудования. Проблема выбора датчика услож-
няется тем, что каждое приложение имеет собственные критерии в от-
ношении диапазона измерения, точности, причем как в абсолютном вы-
ражении, так и в поддержке на протяжении всего срока службы изделия.
Кроме того, важны его устойчивость к помехам, потери мощности, полоса
пропускания, размеры и стоимость. В качестве ответа на эти вызовы рынка
компания Infineon предложила новый малогабаритный помехоустойчивый
датчик TLI4971 с диапазоном измерения до ±120 А, расширяющий номен-
клатуру семейства XEnSIV [1].

Датчики тока находят применение в самых различных приложе- обеспечение гальванической развязки, что для датчиков измерения
ниях — от солнечных инверторов и электроприводов до обо- постоянного тока довольно сложно в реализации, или устойчивость
рудования электропитания, серверных и телекоммуникаци- к высоковольтному синфазному напряжению в случае применения
онных систем, управления освещением и бытовой техники, а также резистивных датчиков со схемой преобразования. Помимо этого, для
в электрических и гибридных транспортных средствах. Наиболее про- измерения тока существуют различные типы магнитных усилите-
стым решением для измерения тока является использование изме- лей, трансформаторов тока и датчики на основе магнитного поля.
рительного шунта — резистора с низкоомным сопротивлением с за- Такие датчики могут измерить как переменные, так и постоянные,
данным падением напряжения на номинальном токе (обычно 75 мВ). внося минимальные потери и неоднородность в тракт их измерения.
Низковольтный сигнал, снимаемый с шунта, как правило, усилива- Соответственно, наиболее предпочтительными для высокого напряже-
ется. Однако такое решение требует введения в цепь пусть и низко- ния становятся именно датчики на основе измерения магнитного поля,
омного, но резистора, на котором будет рассеиваться мощность (для продуцируемого протекающим через проводник током.
тока 120 А — 9 Вт). Одной из проблем при измерении тока становится
Принципы, лежащие в основе измерения тока
по магнитному полю

Рис. 1. Два основных принципа измерения тока Измерение тока методом оценки продуцированного им магнит-
с использованием магнитных сердечников ного поля выполняется с помощью нескольких базовых принципов,
которые могут быть разделены на имеющие сердечники (Core based)
и без них (Coreless). Еще одно разделение — на датчики прямого
усиления (Open Loop), то есть с открытой петлей магнитного поля,
и датчики тока компенсационного (Closed Loop), или с закрытой
петлей, с дополнительной обмоткой, компенсирующей основной
магнитный поток. Датчики тока на основе сердечников имеют три
составляющие: концентратор магнитного поля (магнитомягких ма-
териалов типа феррита), элемент Холла и усилитель. В общем виде
оба принципа с элементом Холла показаны на рис. 1.

Датчики тока на основе измерения магнитного поля, продуциру-
емого протекающим через проводник током, могут быть разделены
в основном на конфигурации с разомкнутым и замкнутым контуром
(компенсационный преобразователь тока). В разомкнутой системе
с тороидальным сердечником первичный ток генерирует магнитное
поле, которое затем с помощью магнитного датчика преобразуется
в измерительное напряжение. В этом случае магнитный поток, ин-
дуцированный первичным током, концентрируется в магнитной
цепи. В замкнутой системе магнитный поток, индуцированный пер-
вичным током, также концентрируется в магнитной цепи, но ком-
пенсируется посредством вторичной обмотки, а магнитный датчик
с соответствующей электронной схемой используется для управ-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 19

напряжение прямо пропорционально напряженности магнитного
поля, а следовательно, электрическому току, который его создал.

Однако и датчики на эффекте Холла, как и датчики на основе сердеч-
ников из магнитомягких материалов, имеют недостатки. Во-первых,
на точность измерения оказывают влияние внешние магнитные поля.
Во-вторых, на сопротивление проводника воздействует высокая тем-
пература, что в свою очередь сказывается на подвижности носителя
заряда и, соответственно, на чувствительности датчиков.

Датчик тока XEnSIV TLI4971

Рис. 2. Принцип прямого измерения тока с использованием датчика Холла Датчик тока XENSIV TLI4971 с использованием эффекта Холла —
и пример практической реализации от компании Infineon первый представитель нового семейства датчиков тока от Infineon,
презентация которых прошла в 2019 году на выставке PCIM [3], —
ления током компенсации, и на его основе выдаются данные о токе не проявляет ни одного из описанных выше отрицательных эффектов.
в силовом проводнике первичной цепи. В модификации датчиков Кроме того, этот датчик предлагает встроенную функцию самодиагно-
закрытого типа (Closed Loop Flux Gate) для измерения используется стики. Надежная и устойчивая к внешним воздействиям технология
не датчик Холла, а специальная катушка — индукционный детектор датчиков Холла, разработанная компанией Infineon, позволяет дат-
(Flux Gate), подробнее о данных технологиях в [2]. чикам TLI4971 проводить точные и высоколинейные измерения тока
в широком диапазоне токов и индустриальном диапазоне температур.
В любом случае выход таких преобразователей — это напряжение, Первые продукты нового семейства — это высокоточный датчик тока
пропорциональное току в первичной силовой цепи. Датчики рассмо- для двунаправленных измерений переменного и постоянного тока,
тренных типов с сердечниками достаточно эффективны и широко рас- которые охватывают диапазоны измерений до ±120 А (предваритель-
пространены, но их ахиллесова пята — потери в сердечнике, влияние но в [3] анонсирован и вариант на ±25 А). Они предназначены для
эффектов насыщения и гистерезиса, а также зависимость от темпера- таких промышленных приложений, как драйверы электроприводов
туры и долгосрочный дрейф, что требует их калибровки. Другой ми- мощностью до 50 кВт и инверторы солнечных электростанций. Более
нус — габариты, связанные с ферритовым сердечником и обмотками. широкая линейка датчиков появится в 2020 году.

Однако для целого ряда применений требуются датчики, которые Датчик TLI4971 имеет аналоговый интерфейс и два дополни-
занимают минимально возможное пространство, имеют низкие по- тельных выхода для быстрой реакции системы защиты конечного
тери и обеспечивают высокоточную, надежную и безопасную работу приложения на перегрузки по току. Принцип бесконтактного из-
в течение всего жизненного цикла. По сравнению с традиционными мерения без магнитного сердечника решает проблему габаритов,
системами с магнитными сердечниками, служащими концентра- а встроенный слой функциональной изоляции обеспечивают на-
торами поля, всем этим требованиям отвечают датчики Холла «без дежную гальваническую развязку. Датчик TLI4971 предназначен для
сердечника» (рис. 2). использования в высоковольтных приложениях и имеет электри-
ческую прочность изоляции до 1,15 кВ (максимальное повторяю-
В основе таких датчиков лежит принцип, открытый Эдвином щееся напряжение). Кроме того, принцип бесконтактного измере-
Холлом еще в 1879 году и получивший его имя, — явление возник- ния не вызывает дополнительных потерь и поэтому оптимален для
новения поперечной разности потенциалов при помещении прово- приложений, критических к энергоэффективности и переходным
дника с постоянным током в магнитное поле. Когда электрический процессам по основной шине. Интегрированный первичный про-
ток проходит через датчик, электроны движутся по нему по прямой водник (токовая полоса) отличается очень низким сопротивлением,
линии. Эффект Холла является продолжением силы Лоренца, дей- что вызывает незначительные потери мощности и обеспечивает ком-
ствующей на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, пактное расположение датчиков, превращая TLI4971 в высокоточный
например электрон. Если магнитное поле направлено перпендику- миниатюрный датчик тока.
лярно движению электронов, на электрон действует сила, которая
перпендикулярна и направлению движения, и направлению магнит- Отсутствие сердечника предоставило возможность создать датчик
ного поля. Сила Лоренца отклоняет носители заряда, и они движутся весом всего 0,2 г, он размещен в безвыводном корпусе QFN TISON-8
по изогнутой траектории. А потому электроны (отрицательные за- (Thin Interstitial Small Outline No leads) с размерами 881 мм (рис. 3) [1].
ряды) будут отклоняться к одной стороне датчика, а дырки (поло- Этот корпус для поверхностного монтажа обеспечивает автоматиче-
жительные заряды) — к другой. Из-за этого накопления электронов скую сборку печатных плат, что делает процесс сборки экономически
и дырок на разных сторонах проводника (это может быть металл эффективным. Несмотря на столь малые габариты, выбранное распо-
или полупроводник) возникает разность потенциалов. Полученное ложение первичной шины обеспечивает отличное тепловое поведение

Рис. 3. Датчик тока «без сердечника» XENSIV TLI4971 компании Infineon

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

20 датчики

при токах до 120 А без дополнительных затрат веренного рынком метода компенсации • Аналоговый выходной сигнал с полосой
на теплоотвод. Датчик предназначен для вы- температуры и напряжений, ошибка при пропускания 120 кГц.
соковольтных применений и гальванически комнатной температуре составляет лишь 2%.
развязан от напряжений до 1,15 кВ (VIORM). Интеллектуальная конструкция шины тока • Быстрое обнаружение перегрузки по току
Вместе со всеми интегрированными функци- (двойная U-образная форма) в сочетании для двух пороговых значений тока полной
ями в виде фильтров, компенсаторов макси- с дифференциальным считыванием сигнала
мального тока и гальванической развязки дат- делает датчик тока устойчивым к наводкам шкалы (IFSR), типовое время отклика:
чик TLI4971 позволяет не только значительно от внешних электромагнитных помех.
снизить занимаемую схемой измерения тока не более 1 мкс.
и защиты площадь, но и уменьшить себестои- Основные технические характеристики
мость конечного решения. TLI4971: • Сверхнизкие потери мощности (не более
• Измерение до 70 A (с. к.з.) при 690 В (с. к.з.) 3,25 Вт при токе 120 А) из-за крайне низко-
Использованная в датчике TLI4971 кон-
цепция аналоговых цепей в сочетании со спе- в пределах полной шкалы ±120 A. го сопротивления токовой шины.
циальным цифровым методом компенсации • Типичная погрешность измерения при
напряжения и температуры обеспечивает • Надежное измерение тока в течение всего
превосходную стабильность температуры +25 °C: не более 2% с одной точкой кали- срока службы изделия (без повторной ка-
и всего жизненного цикла. Благодаря при- бровки.
менению разработанного Infineon и про- • Сопротивление первичного проводни- либровки).
ка 225 мкОм (с учетом пайки на плату):
типовое. • Функциональная изоляция для высоко-
вольтного применения.

• Легкий компактный корпус позволяет про-
ектировать устройства с высокой удельной

плотностью мощности.

Основные области применения TLI4971:

• Индустриальные инверторы и приводы
напряжением до 690 В (с. к.з.).

• Управление батареями.
• Фотоэлектрические инверторы.
• Источники питания.
• Обнаружение перегрузки или перегрузки

по току в высоковольтных цепях питания.

• Бытовая техника.
• Электроинструменты.
• Робототехника.

Структура и принцип действия
датчиков TLI4971

Рис. 4. Блок-схема датчика TLI4971 компании Infineon Блок-схема датчика TLI4971 компании
Infineon показана на рис. 4. Ток, протекаю-
щий через проводник на первичной стороне,
создает магнитное поле, которое измеряет-
ся двумя дифференциальными элементами
Холла. Усилитель схемы кондиционирова-

Рис. 5. Схема применения датчика TLI4971 компании Infineon для трехфазной системы в полностью дифференциальной конфигурации
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 21

ния объединяет дифференциальный сигнал тока, сформированный по току своего источника питания. Для обоих выходов OCD1 и OCD2
от магнитного поля, с компенсирующими напряжениями, получа- программируются симметричные пороги, соответственно, датчик
емыми в результате измерения температуры и напряжения пита- TLI4971 отреагирует на недопустимое превышение для положитель-
ния. Добиться максимальной чувствительности при минимальных ного или отрицательного тока. Для подавления быстрых переход-
потерях мощности позволяет выбранная конструкция контактов ных процессов в устройстве также предусмотрен программируемый
силовой шины (рис. 3). В результате на аналоговом выходе получаем пользователем помехоподавляющий фильтр.
выходной сигнал, пропорциональный 10 мВ·А с частотой до 120 кГц
(здесь и далее [4]). Именно отдельная внутренняя схема для обнаружения перегрузки
по току в силовой шине обеспечивает очень быстрое время отклика,
В зависимости от опции программирования аналоговый выходной которое, как правило, не превышает 1,5 мкс при типовом значении
сигнал датчика TLI4971 компании Infineon может быть несимметрич- 1 мкс. При подключении к логическому входу микроконтроллера
ным, полностью дифференциальным или полудифференциальным. выходы OCD могут вызвать прерывание в микроконтроллере и при
В несимметричном варианте аналоговый сигнал поступает на выход необходимости отключить систему, чтобы защитить ее от повреж-
AOUT, а VDD выступает в качестве источника входного опорного дения. Кроме того, архитектура этих выходов с открытым стоком
напряжения. В полностью дифференциальном режиме в качестве позволяет подключать к одному входному порту микроконтроллера
выходных сигналов для удвоения размаха амплитуды выходного выводы OCD сразу нескольких датчиков TLI4971.
сигнала используются выводы AOUT (положительная полярность)
и VREF (отрицательная полярность). Принцип дифференциальных Гибкость TLI4971 для разнообразных применений
измерений компенсирует помехи, воздействующие на оба аналого-
вых выходных сигнала (рис. 5). Благодаря своей гибкой конфигурации датчик TLI4971 можно адап-
тировать к самым различным применениям. Это касается диапазона
В полудифференциальной конфигурации используется внутренний измерений, пороговых значений OCD, времени задержки и режимов
источник опорного напряжения, который обеспечивается через VREF. вывода. Они хранятся в энергонезависимой памяти (EEPROM) и всег-
Значение тока выводится через AOUT. Для измерения двунаправлен- да доступны пользователю. Датчик TLI4971 может быть запрограмми-
ного тока эталонное напряжение помещается в центр динамического рован даже на месте через последовательный интерфейс.
диапазона. Для передачи значения тока без изменения знака опорное
напряжение может быть скорректировано в соответствии с нижней Типичное применение TLI4971 — измерение фазного тока в при-
или верхней границей динамического диапазона. Кроме того, по ана- водах (рис. 6). В таких приложениях необходимы не только точные
логовым выходам предусмотрены фильтры низкой частоты. измерения тока и соответствующее управление двигателем, но и за-
щита выходных каскадов от перегрузок по току и короткого замы-
Быстрая защита при перегрузке по току кания. Причем не следует забывать, что все это нужно в жестких
условиях индустриальной среды эксплуатации, с требованием по вы-
Помимо достижения точного измерения тока, на основе соковольтной гальванической развязке, устойчивости к резким скач-
TLI4971 может быть реализована очень эффективная защита мощ- кам напряжения и переходным процессам в силовой шине. В этом
ных выходных каскадов, поскольку, например, внешние короткие отношении устройство TLI4971 обеспечивает погрешность, не пре-
замыкания способны привести к критическим для них перегрузкам вышающую 3% во всем диапазоне токов, температур и в течение
по току. Для достижения чрезвычайно короткого времени задержки всего жизненного цикла [5].
в датчиках TLI4971 предполагается параллельный путь сигнала.
Дополнительную гибкость дают и два независимых выхода для об-
Функция защиты от превышения тока в датчиках TLI4971 реали- наружения перегрузки, а также высокая устойчивость к паразитным
зована по выходам OCD1 и OCD2 (рис. 4), которые могут быть ис- магнитным полям и гальваническая развязка между токовой шиной
пользованы для предварительного предупреждения или отключения и датчиком. Исполнение шины обеспечивает минимальный нагрев
системы в случае потенциальной аварии конечного приложения из- корпуса (рис. 7) [5], который контролируется самим датчиком для за-
за перегрузки по току или короткого замыкания. щиты устройства и введения поправок в результаты измерения.

Для включения этой функции пользователи могут программи- С точки зрения конструкции системы все сказанное означает, что
ровать соответствующие пороговые напряжения, чтобы выделить не потребуется экранирование и дополнительная обвеска, соответ-
сигналы максимального тока и адаптировать их к условиям рабо- ственно, компоновка будет упрощена, а в сумме получается суще-
ты своих систем. Это позволит избежать использования дополни- ственная экономия места и снижение себестоимости.
тельных внешних компонентов. Кроме того, датчик будет выдавать
определенные сигналы и в случае перенапряжения или перегрузки Еще один важный момент — выполнение простой калибровки при
комнатной температуре, причем по одной точке, что снизит погреш-
Рис. 6. Пример применения: новые датчики тока TLI4971 компании Infineon ность измерения до уровня менее 2%. К тому же дифференциальное
оптимальны для измерения фазного тока в приводах электродвигателя измерение с помощью этих двух ячеек Холла обеспечивает высокую
точность даже в неблагоприятной электромагнитной обстановке
с перекрестными помехами от соседних шин высокого тока.

Для облегчения имплементации датчика тока TLI4971 в новые про-
екты компания Infineon уже представила бюджетный оценочный
комплект TLI4971 Shield 2Go [6]. Комплект показан на рис. 8, он по-
зволяет эффективно оценить датчик тока Infineon TLI4971 в реаль-
ных приложениях.

Аппаратные средства оценочного комплекта построены вокруг
целевого микроконтроллера XMC1100 Infineon, основанного на ядре
ARM M0. Кроме того, аппаратное обеспечение включает встроенный
отладочный микроконтроллер, реализованный с Infineon XMC4200,
на котором запущен отладчик SEGGER Jlink. Для подключения к ПК
требуется только кабель micro-USB.

TLI4971 Shield 2Go может быть сопряжен со стандартной пла-
той XMC2Go или альтернативно с адаптерной платой Arduino.
В комплекте имеется программное приложение с графическим ин-
терфейсом пользователя, которое можно загрузить со страницы про-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

22 датчики

Рис. 8. Оценочный комплект TLI4971 Shield 2Go

даемым на рынке продуктом, как датчик тока TLI4971. Более под-

робная информация, в том числе и полная спецификация, будут

доступны по ссылке [7] после начала его серийного производства.

До решения вопроса с поставками датчиков TLI4971 рекомендуется

использовать близкие по характеристикам и выполненные в том же

форм-факторе, коммерчески доступные датчики серии TLI4970

на токи ±25 и ±50 А с полностью цифровым выходом [1]. n

Рис. 7. Тепловые характеристики датчика тока TLI4971 компании Infineon Литература
в корпусе TICON-8 в сравнении с конкурентным изделием в корпусе SOIC

дукта. Графический интерфейс совместим с платформой XMC2Go. 1. XENSIV — sensing the world Sensor solutions for automotive, industrial and
Компанией Infineon будут представлены также соответствующие consumer applications. Infineon Technologies AG. 2019. www.infineon.com/
инструменты разработки, которые уже были продемонстрированы dgdl/Infineon-Sensor_Solutions_BR-2019_13062019-ProductSelectionGui
на выставке Sensor & Test 2019 в Нюрнберге (Германия). de-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462636cc8fb0164229c09f51bbe

Заключение 2. Ланге Э. Датчики тока компенсационного типа // Силовая электроника.
2014. № 3.
Производство датчиков XENSIV TLI4971 компанией Infineon было
запланировано на сентябрь 2019 года, и хотя их выпуск несколько 3. Scharfenberg O. Infineon XENSIV TLI4971: New current sensor for industrial
задержался, заявки на поставки от авторизованных дилеров уже applications. Infineon. Market News. May 3, 2019. www.infineon.com/cms/en/
принимаются, а образцы доступны. Первый доступный элемент about-infineon/press/market-news/2019/INFATV201905-064.html
из нового семейства датчиков тока TLI4971 будет измерять токи
до 120 А. Он предназначен для различных промышленных приме- 4. Precise and Robust Current Sensing — Infineon’s new XENSIV TLI4971 is suited
нений, таких как электроприводы мощностью до 50 кВт или фото- for currents up to 120A. July 15, 2019. www.powerpulse.net/precise-and-robust-
электрические преобразователи. Дополнительные продукты этого current-sensing-infineons-new-xensiv-tli4971-is-suited-for-currents-up-to-120a/
семейства датчиков, в том числе с током до 25 А, будут представле-
ны в 2020 году, среди них версии, пригодные и для автомобильной 5. Aichriedler L. XENSIV — coreless magnetic current sensors entering high power
электроники. Приведенные в статье сведения предназначены для A miniature sensor family for applications up to 120 A. Sensor+Test, Infineon
предварительного ознакомления с таким перспективным и ожи- Technologies AG. 2019. www.sensor-test.de/assets/de/Aussteller/Aussteller-
Aktionsprogramm/Fachforen/Manuskripte/LAichriedler-Infineon.pdf

6. TLI4971 S2Go Getting Started. Infineon Technologies AG. 2019. www.infineon.
com/dgdl/Infineon-TLI4971+Shield2Go+Getting+Started-GettingStarted-
v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626c1f3dc3016c296ed62a0e8f

7. www.infineon.com/cms/en/product/sensor/

новости источники питания

3-кВт buck-boost-конвертер RECoM в корпусе half-brick с КПД 98%

Компания RECOM анонсирует выпуск buck-boost DC/DC-конвертера мощ- восходным КПД 98%, RBBA3000 обеспечивает полную выходную мощность
ностью 3 кВт, выполненного в корпусе half-brick с отводом тепла от верхней в диапазоне рабочих температур –40…+85 °C при соответствующем охлаж-
стороны корпуса. дении. Ток нагрузки можно отслеживать, используя вывод current share, также
с его помощью можно организовать параллельное включение двух модулей
Неизолированный конвертер RBBA3000 реализован по топологии buck-boost для обеспечения выходного тока до 100 А с балансировкой. Конвертер соот-
(повышающий/понижающий) и обеспечивает максимальную выходную мощ- ветствует стандартам EN55024 и EN 55032 класс A и B по ЭМС с применением
ность 3 кВт. Входной диапазон составляет 9–60 В DC, а выходное напряжение внешнего фильтра. Области применения: преобразователи питания от батарей
и максимальный ток устанавливаются пользователем в диапазоне 0–60 В DC из 48 в 24 В или из 12 в 24 В, регуляторы для электротранспорта, стабилизаторы
и 0–50 А соответственно с помощью одного внешнего резистора или напря- напряжения батарей и лабораторные источники высокой мощности.
жением. Особенностью данной топологии buck-boost является возможность
установки выходного напряжения как выше, так и ниже входного. Обладая пре- www.recom-power.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

Реклама

24 новости

Новости сайта www.efo.ru

Infineon Technologies IST AG

Infineon Technologies внедрила новую технологию кристаллов TRENCHSTOP Компания IST AG представила новый сенсор для измерения скорости по-
IGBT7 в модули средней мощности в стандартном корпусе EconoDUAL 3. тока Silicon Flow Sensor (SFS) — первый сенсор потока IST AG, основанный
Анонсирован полумостовой модуль FF900R12ME7_B11 с наивысшим для дан- на кремниевой технологии. SFS предназначен для измерения скорости пото-
ного корпуса значением тока 900 А при блокирующем напряжении 1200 В. ка газов и является самым быстрым сенсором потока IST AG, время отклика
Применение новых модулей в инверторе позволяет получить на 30% больший составляет менее 5 мс.
выходной ток, чем на существующих серийных IGBT-модулях с максимальным
током в этом же корпусе. Основная область применения не только промыш- SFS отлично подходит для низких скоростей потока газа <3,5 м/с.
ленные приводы, но и коммерческий, строительный и сельскохозяйственный Симметричная конструкция датчика SFS позволяет легко интерпретировать
электротранспорт (CAV), а также солнечная энергетика и ИБП. измерительный сигнал.

Кристаллы транзисторов IGBT7 по сравнению с IGBT4 имеют существенно Сенсор характеризуется высокой чувствительностью и чрезвычайно низ-
меньшие статические потери. Это обусловлено меньшим на 30% напряжени- ким энергопотреблением.
ем «коллектор — эмиттер» во включенном состоянии при той же площади
кристалла. Дополнительно улучшена управляемость IGBT-ключа и его стой- SFS основан на калориметрическом принципе измерения и может опре-
кость к колебаниям в переходных состояниях. При перегрузках силовые делять не только скорость, но и направление потока.
модули имеют максимальную температуру кристалла +175 °C.
Подходящими областями применения датчика расхода SFS01 являются
Другое улучшение касается обратного диода (FWD), который также был измерения расхода:
оптимизирован для работы в приводах. Падение прямого напряжения на дио- • в аккумуляторных/переносных устройствах;
де седьмого поколения (EC7) теперь на 100 мВ меньше, чем падение напряже- • в автоматических системах отопления, вентиляции и кондиционирования
ния на диоде предыдущего поколения EC4, кроме того, снизилась тенденция
к колебаниям во время выключения диода. (HVAC);
• в системах автоматизации на производстве.
Повышенная мощность нового модуля позволит избежать параллель-
ного включения нескольких модулей, что упростит конструкцию и снизит Подробную информацию о сенсоре можно найти по ссылке:
стоимость преобразователей. Модуль EconoDUAL 3 поставляется с пред- www.ist-ag.com/en/news-events/news/silicon-flow-sensor-ultra-fast-
варительно нанесенной теплопроводящей пастой (TIM). Имеется исполнение response-time-and-low-power-consumption
с выводами EconoDUAL 3 под пресс-монтаж на печатную плату.
Terasic
Модули с током 900 А — первые в семействе EconoDUAL 3 с технологией
TRENCHSTOP IGBT7. В 2020 году планируется дальнейшее расширение. Компания Terasic анонсировала новый отладочный комплект T-Core
на базе Intel MAX 10 FPGA. Компактная и недорогая плата T-Core содержит
FF900R12ME7_B11 доступен для заказа. самую старшую ПЛИС семейства MAX 10 и может использоваться не только
FF900R12ME7P_B11 с предварительно нанесенной теплопроводящей па- для прототипирования, но и как готовый к производству модуль. Кроме того,
стой доступен с января 2020 года. она применяется как загрузочный кабель USB-Blaster II. Вместе с отладочным
Подробнее по ссылкам: www.infineon.com/econodual3 и www.infineon. комплектом Terasic поставляет ядро микропроцессора RISC-V, оптимизиро-
com/igbt7. ванное для ПЛИС MAX 10.

IAR Systems Основные особенности отладочного комплекта Terasic T-Core:
• Intel MAX 10 FPGA (10M50DAF484C7G) с логической емкостью 50 000 ло-
Компания IAR Systems выпустила новый компилятор для разработки и от-
ладки аппаратных устройств «Интернета вещей» — IAR Embedded Workbench гических элементов;
for Arm AWS edition. Текущая версия компилятора содержит анализато- • встроенный USB-Blaster II для программирования MAX 10;
ры кода C-STAT и C-RUN, поддерживает облачные сервисы AWS IoT Core • JTAG Master для внутрисхемного программирования ПЛИС Intel, установ-
и Amazon FreeRTOS, позволяет отслеживать параметры подключенных
IoT-устройств, анализировать трафик обмена данными и AWS-сообщения. ленных на других платах;
Среди поддерживаемых устройств специализированные микроконтрол- • поддержка синтезированного процессора RISC-V;
леры Cortex-M и платы прототипирования от ведущих производителей • поддержка программирования и загрузки синтезированного процессора
(ST B-L475E-IOT01A, NXP LPC54018, TI CC3220SF-LAUNCHXL).
RISC-V через встроенный USB-Blaster II;
*** • разъемы расширений, кнопки, DIP-переключатели, светодиоды.
Компания IAR Systems сообщила о выпуске первой профессиональной
интегрированной среды разработки для RISC-V-ориентированных прило- Подробная информация представлена на официальном сайте компании
жений — IAR Embedded Workbench for RISC-V V1.11.1. Настоящая ревизия Terasic.
по умолчанию включает статический анализатор кода C-STAT и пока под-
держивает только 32-разрядные RISC-V-ядра Andes N22, MicroSemi Mi-V Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А,
RV32 RISC-V, Syntacore SCR1. В качестве аппаратных средств отладки про- бизнес-центр «Аквилон», офис 441;
изводитель рекомендует использовать JTAG-адаптеры I-Jet. (812) 327-86-54; e-mail: [email protected].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 25

Преобразователи
тока, напряжения
и активной мощности

от российского производителя

иков Проблемы создания и использования автоматизированных систем управ-
ления технологическими процессами на предприятиях и в организациях
делают актуальными разработку и широкое распространение измеритель-
ных преобразователей (датчиков) основных электрических величин. Этим,
а также относительно низкой стоимостью определяется высокий спрос
на первичные преобразователи, номенклатура которых сегодня может
удовлетворить любого взыскательного потребителя.
В статье приводится подробный перечень и основные технические харак-
теристики измерительных преобразователей, разрабатываемых на протя-
жении 20 лет российской компанией «НПО «Горизонт Плюс». Среди них —
измерительные преобразователи силы тока серии ПИТ, измерительные
преобразователи постоянного и переменного напряжения серии ПИН,
преобразователи активной мощности серии ПИМ. Все устройства серти-
фицированы, включены в Госреестр СИ РФ. По мере снижения стоимости
таких первичных преобразователей спрос на них неуклонно растет.

Компания «Научно-производственная организация «Горизонт подбирают индивидуальные решения для нестандартных задач наших
Плюс» базируется в г. Истра Московской области и зарегистри- клиентов. Это, в свою очередь, приводит к расширению линейки из-
рована относительно недавно, в 2018 году. Но необходимо учи- делий, и сегодня в каталоге продукции ООО «НПО «Горизонт Плюс»
тывать, что ООО «НПО «Горизонт Плюс» является правопреемником присутствует около 300 модификаций разработанных датчиков, что
компании «Горизонт», известной многим российским разработчикам позволяет индивидуальным предпринимателям и крупным организа-
аппаратуры и систем управления уже более 20 лет. В настоящее вре- циям сделать оптимальный выбор необходимых решений.
мя в ООО «НПО «Горизонт Плюс» трудятся инженеры и техники,
которые на протяжении длительного времени создавали и предлага- Термины и определения в технических условиях
ли на рынок модели первичных датчиков основных электрических на преобразователи ООО «НПО «Горизонт Плюс»
величин. Это, а также накопленный опыт, в том числе эффективное
сотрудничество с потребителями, свидетельствует о надежности и уве- Большая номенклатура разработанных преобразователей и условия
ренности компании. Несомненным достоинством компании является сертификации приборов требуют четкого определения используемых
и то, что производство преобразователей полностью сосредоточено наименований и аббревиатур разработанной продукции. В частно-
в руках инженеров и рабочих ООО «НПО «Горизонт Плюс», начиная сти, чтобы избежать путаницы в терминах «датчик» и «преобразова-
от разработки самих преобразователей и заканчивая тестированием тель», в дальнейшем термином «преобразователь» будет именоваться
и отгрузкой готовых изделий. Для потребителей это означает, прежде устройство, предназначенное для восприятия и преобразования кон-
всего, гарантии надежного функционирования приборов, отсутствие тролируемой электрической величины в выходной сигнал. То есть
перебоев в поставках и минимальные отпускные цены. понятие «преобразователь» имеет более широкий смысл, а датчик, как
устройство, непосредственно принимающее или передающее какие-
Снижение цены на выпускаемые преобразователи основных элек- либо данные, может быть составной частью преобразователя.
трических величин — это вообще основа маркетинговой политики
ООО «НПО «Горизонт Плюс». Данных принципов компания при- В связи с вышеизложенным, при перерегистрации ООО «Горизонт»
держивается как при работе с потребителями, так и при взаимодей- в ООО «НПО «Горизонт Плюс» в последнем большое внимание было
ствии со своими многочисленными дилерами, среди которых та- уделено проведению организационно-технических мероприятий
кие известные фирмы-поставщики, как ООО «Электронприбор» по упорядочению наименований выросшей линейки преобразо-
(Фрязино), ООО «Диакин-Нева» (Санкт-Петербург), ООО «Эверест» вателей. Для этих целей все преобразователи разделены на четыре
и «Приборэлектро» (Москва), ООО «Промприбор» (Екатеринбург), крупные группы, каждая из которых объединена соответствующими
ООО «ТП-Консалт» (Минск). Уровень цен на преобразователи, опре- техническими условиями. По результатам комплексных испытаний
деляемый ООО «НПО «Горизонт Плюс», поддерживается одинаковым типовых приборов каждой группы были разработаны необходимые
во всех регионах, где работают дилеры. Отличия могут быть, лишь ког- документы для органов сертификации. Для всех четырех групп пре-
да инженеры ООО «НПО «Горизонт Плюс» перерабатывают серийные образователей и токоизмерительных клещей проведены испытания
датчики или модернизируют их под конкретные требования заказчи- и получены декларации на соответствие техническому регламенту
ков. В этом случае разработчики датчиков и их заказчики совместно Таможенного союза «Электромагнитная совместимость технических

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

26 датчики

средств» ТР ТС 020/2011. Кроме того, на базе ФГУП «ВНИИ метроло- Технические условия ЯЛНИ.411521.028 ТУ
гии и сертификации» все приборы прошли специальные испытания «Клещи токоизмерительные КТ»
с целью утверждения типа. Были разработаны описания типа, ме-
тодики поверки каждого типа приборов. Межповерочный интервал Клещи токоизмерительные КТ предназначены для преобразования
и гарантийный срок службы составляют два года. По результатам силы постоянного и переменного тока в пропорциональные значе-
проведенной работы Госстандартом РФ принято решение о вклю- ния напряжения постоянного и переменного тока, в пропорциональ-
чении всех типов преобразователей и токоизмерительных клещей ные значения силы постоянного тока, соответствующие требованиям
в Госреестр средств измерений РФ. стандартного интерфейса «токовая петля 4/20 мА», а также для ото-
бражения результатов измерений на индикаторе.
Технические условия ЯЛНИ.411521.003 ТУ
«Преобразователи силы тока измерительные ПИТ» Клещи КТ преобразуют:
• мгновенные значения силы постоянного, переменного (КТ-***-У)
Настоящие технические условия распространяются на преобразо-
ватели силы тока измерительные ПИТ (в дальнейшем — преобразо- и переменного (КТ-***-П) тока соответственно в пропорциональ-
ватели ПИТ), предназначенные для преобразования силы постоянно- ные значения напряжения постоянного, переменного тока и на-
го и(или) переменного тока в цепях, гальванически изолированных пряжения переменного тока;
от питания и выхода. • среднеквадратичные значения силы постоянного, переменного
тока (КТ-***-У-4/20) и переменного тока (КТ-***-П-4/20) в про-
Преобразователи ПИТ обеспечивают преобразование мгновенных порциональное значение силы постоянного тока, соответствующее
значений силы постоянного и переменного тока в: требованиям к стандартному интерфейсу «токовая петля 4/20 мА»;
• пропорциональные значения напряжения постоянного (преоб- • КТ-***-В преобразуют среднеквадратичные значения силы пере-
менного тока в цифровые значения, отображаемые на индикаторе.
разователь ПИТ-***-У) и переменного (ПИТ-***-Т) токов в диа- Типовой пример записи в документах и при заказе:
пазоне 0–5 В; • «Преобразователь силы тока измерительный
• пропорциональные значения силы постоянного и переменного ПИТ-1000-У-Б40 ЯЛНИ.411521.003 ТУ».
тока (ПИТ-***-УА); • «Клещи токоизмерительные КТ-500-П-Д54 ЯЛНИ.411521.028 ТУ».
• пропорциональные значения напряжения переменного тока в диа- В названиях устройств *** означает номинал измеряемого тока
пазоне 0–4 В (ПИТ-***-ТВ). или напряжения; Б — для монтажа преобразователя в блок; П —
Преобразуют среднеквадратичное значение силы постоянного для монтажа на печатную плату; Д — для монтажа на DIN-рейку;
и переменного тока в пропорциональное значение силы постоянно- Р — корпус преобразователя разъемный и его можно собрать вокруг
го тока, соответствующее требованиям к стандартному интерфейсу токовой шины без ее демонтажа; цифра после литер Б и П означает
«токовая петля 4/20 мА» (ПИТ-***-У-4/20). величину отверстия в корпусе преобразователя под токовую шину,
Преобразуют среднеквадратичное значение силы переменного а цифра после литеры Д в клещах — величину охвата токовой шины
тока в пропорциональное значение силы постоянного тока, соответ- в миллиметрах.
ствующее требованиям к стандартному интерфейсу «токовая петля
4/20 мА» (ПИТ-***-Т-4/20). Основные технические характеристики
и внешний вид типовых преобразователей
Технические условия ЯЛНИ.411522.022 ТУ
«Преобразователи измерительные напряжения ПИН» Далее представлены основные типы преобразователей каждой из че-
тырех описанных групп. C характеристиками остальных модифика-
Преобразователи ПИН предназначены для преобразования на- ций преобразователей можно ознакомиться на сайте компании [1], где
пряжения постоянного и переменного тока в цепях, гальванически представлены габаритные размеры и подробные характеристики при-
изолированных от питания и выхода: боров, выложена техническая документация, свидетельства об утверж-
• преобразуют мгновенное значение измеряемого напряжения по- дении типа средств измерений и указана стоимость преобразователей.

стоянного и переменного тока в пропорциональные значения силы Принцип действия всех преобразователей основан на бесконтактном
постоянного и переменного тока (ПИН-***-УА); измерении магнитного поля, создаваемого протекающим током, с по-
• преобразуют среднеквадратичное значение напряжения постоян- мощью магниточувствительного датчика. В качестве такого чувстви-
ного и переменного тока (ПИН-***-У-4/20) и переменного тока тельного элемента нами используются датчики Холла, основными пре-
(ПИН-***-Т-4/20) в пропорциональное значение силы постоянного имуществами которых являются малые размеры, линейность, высокая
тока, соответствующее требованиям к стандартному интерфейсу чувствительность к магнитному полю и, что немаловажно, низкая цена.
«токовая петля 4/20 мА».
Типовые представители измерительных
Технические условия ЯЛНИ.411523.001 ТУ преобразователей силы тока ЯЛНИ.411521.003 ТУ
«Преобразователи активной мощности
измерительные ПИМ» В качестве таковых на рис. 1 представлены наиболее широко ис-
пользуемые преобразователи ПИТ-150-УА-П15 для измерения посто-
Настоящие технические условия распространяются на преоб- янного и переменного тока в диапазоне от единиц до 150 А (рис. 1а)
разователи активной мощности измерительные ПИМ (в дальней- и преобразователи ПИТ 4000-У-4/20-Б40 для контроля токов
шем — преобразователи ПИМ), предназначенные для преобразова- до 4000 А (рис. 1б). Все преобразователи сохраняют работоспособ-
ния величины активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях ность при перегрузке по измеряемому току в 1,5 раза. На рис. 1 вид-
постоянного и переменного тока частоты 50 и 400 Гц, гальванически ны конструктивные отличия, которые важны при использовании
изолированных от питания и выхода, в пропорциональный сигнал того или иного преобразователя или для конструирования аппа-
токового интерфейса 0/20 или 4/20 мА. ратуры с соответствующими преобразователями. Первые (рис. 1а)
монтируются на печатную плату и благодаря большому отверстию
Преобразователи ПИМ линейно преобразуют величину активной под токовую шину (диаметр 15 мм) могут использоваться в одном
мощности в цепях: и том же корпусе для измерения тока 20, 50, 100 и 150 А (табл. 1).
• постоянного и переменного тока частоты 50 Гц (ПИМ-***-У); Преобразователь для измерения токов до 4000 А (рис. 1б) предназна-
• постоянного тока (ПИМ-***-П); чен для монтажа в блок, и диаметр отверстия составляет уже 40 мм.
• переменного тока частоты 50 Гц (ПИМ-***-Т).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 27

а

б

Рис. 1. Внешний вид измерительных преобразователей силы тока: Рис. 2. Внешний вид разъемного преобразователя тока
а) до 150 А; б) 4000 А под круглую токовую шину

Таблица 1. Основные технические характеристики измерительных преобразователей тока В таблице 1 приведены основные техни-
ческие характеристики типовых измери-
Преобразователи измерительные тока тельных преобразователей силы тока. Кроме
универсальных приборов, для измерения по-
постоянного ПИТ- переменного ПИТ- стоянного и переменного тока в таблице 1
представлены преобразователи для измере-
характеристика 20-УА-П15 ния только переменного тока. Последние по-
100-УА-П15 явились после общения с многочисленными
150-УА-П15 разработчиками приборов и аппаратуры,
750-У-4/20-Б30 причем разработчиками из самых разных от-
4000-У-4/20-Б40 раслей промышленности. Цена таких упро-
5-Т-4/20-Б14 щенных датчиков значительно ниже, что
300-Т-4/20-Б14 делает их привлекательными для решения
100-Т-4/20-Б30 большого круга задач.
4000-Т-4/20-Б40
Спрос со стороны разработчиков стимули-
Диапазон измеряемых 0–20 0–100 0–150 0–750 0–4000 0–5 0–300 0–100 0–4000 ровал развитие еще одного сегмента в серии
токов, А 1,5 описываемых приборов — разъемных пре-
образователей тока. Основное преимущество
Допустимая перегрузка 1,5 –10…+70 1,5 1,2 этих приборов — возможность монтажа
по измеряемому току, раз (–40…+70) преобразователя без разрыва токовой шины,
в труднодоступных местах или при необхо-
Диапазон рабочих –40…+70 0,5 –40…+70 димости проведения мониторинга токовых
температур, °С 0,2 цепей без остановки производства. Внешний
вид разъемных преобразователей представ-
Основная приведенная 1 0,7 4/20 0,5 лен на рис. 2, а их основные технические ха-
погрешность, не более, % – рактеристики — в таблице 2. Конструкция
преобразователя представляет собой разъ-
Нелинейность выходной 0,1 14 0,1 емный корпус, состоящий из двух ча-
характеристики, не более, % 70×36×55 стей — основания и размыкающихся губок.
В основании находится печатная плата элек-
Выходной сигнал 10 50 75 4/20 100 4/20 тронного устройства управления. В разъем-
при номинальном ных губках — магнитопровод (концентратор
измеряемом токе, мА – магнитного поля) и магниточувствительный
30–20 000 элемент — датчик Холла. При смыкании гу-
Коэффициент передачи 1:2000 – бок (диаметр отверстия под токовую шину
15–30 в замкнутом состоянии составляет 54 мм)
Полоса пропускания, Гц 0–50 000 датчик Холла регистрирует магнитное поле
40 проводника, по которому течет измеряемый
Напряжение питания, В ±15 (±5%) или +24 (±5%) ±14,5…±15,5 ±23,5…±36,5 ток, а электронная схема обработки выдает
100×95×102 120×110×106,5 сигнал о величине протекающего тока и по-
Диаметр отверстия 15 30 40 500 900 вторяет его форму, обеспечивая гальваниче-
под токовую шину, мм скую развязку цепей входа и выхода.

Габаритные размеры, мм 37×33×20,5 100×95×102 120×110×125 Из таблицы 2 видно, что такие преобразо-
ватели позволяют измерять ток 500–1500 А.
Масса, г 35 500 900 При этом преобразование переменного тока

Таблица 2. Основные технические характеристики разъемных измерительных преобразователей тока

Преобразователи измерительные тока разъемные ПИТ-

характеристика ххх-ТР-4/20-Б50 ххх-ТР-4/20-Б20х20 ххх-УАР-Б10х80 ххх-ТР-4/20-Б50х100 ххх-У-Б
500–1500 5–300 10 000–25 000
Диапазон измеряемых токов, А 1000–3000 3000–10 000
Допустимая перегрузка 1,5 1,5 1,2
по измеряемому току, раз 1,5
Диапазон рабочих температур, °С 4/20
Основная приведенная – –40…+70
погрешность, не более, %
Нелинейность выходной 0–50 1,5 1,3
характеристики, не более, % 15–30
Пробивное напряжение 0,1
между измеряемой 54
и измерительной цепями, 110×65×144 5 3
не менее, кВ
Номинальный 500 4/20 4/20 4/20 по согласованию
выходной сигнал, мА – с заказчиком
Коэффициент передачи 1:5000; 1:3000 – 1:3000
Полоса пропускания, Гц 0–50 0–50 000
Напряжение питания, В 15–30 0–50 0–50 ~ 220 В (50 Гц)

Диаметр отверстия 20×20 ±15…±36 ±15…±36 по согласованию
под токовую шину, мм 85×35×56 с заказчиком
прямоугольное отверстие
Габаритные размеры, мм 130 по согласованию
10×80 50×100 с заказчиком
Масса, г 12 000
195×116×67 302×214×116
700–900 8000

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

28 датчики

б

а Рис. 4. Внешний вид разъемного преобразователя больших токов
ПИТ-ххх-ТР-4/20-Б50х100
Рис. 3. Внешний вид: а) разъемного универсального преобразователя тока
под плоскую токовую шину; б) для измерения переменного тока

в постоянный осуществляется с помощью мена разъема на отдельные резьбовые выполненный по мостовой схеме. Нагрузкой
стандартного интерфейса «токовая пет- винтовые соединения. Крепление преобра- усилителя являются компенсационные ка-
ля 4/20 мА». Выходной сигнал 4/20 мА зователей осуществляется непосредственно тушки. Последовательно с катушками соеди-
в этом случае пропорционален среднеква- на токовой шине с помощью прижимной нен измерительный резистор, установлен-
дратичному значению измеряемого тока. струбцины. ный в блоке источника питания.
Преобразователь можно монтировать непо-
средственно на токовой шине или в блок, для Из таблицы 2 следует, что рассмотренные Разъемный измерительный контур мон-
чего в конструкции основания предусмотре- преобразователи позволяют контролировать тируется непосредственно на токовой шине,
ны специальные крепежные панели, а име- токи до 4000 А. Однако для многих крупных и при протекании тока в магнитопроводе из-
ющаяся ответная Часть разъема позволяет предприятий электрохимической и электро- мерительного контура наводится магнитное
быстро включить его в электрическую цепь. металлургической отраслей необходимо из- поле. Датчики Холла преобразуют магнитное
мерять ток на порядок и даже на два поряд- поле в токовый сигнал, пропорциональный
При необходимости измерения ма- ка больше. Кроме того, специфика данных полю, и сигнал поступает на вход усилите-
лых токов (до 300 А) можно использо- производств накладывает целый ряд ограни- ля. Далее усиленный сигнал подается на ком-
вать малые разъемные преобразователи чений на преобразователи больших токов, пенсационные катушки. Через компенсаци-
ПИТ-***-ТР-4/20-Б20х20. Монтаж преобра- что было учтено при создании преобразо- онную обмотку и измерительный резистор
зователя на проводнике обеспечивается на- вателей ПИТ-***-ТР-4/20-Б50х100 (рис. 4). течет ток, пропорциональный измеряемому
личием в конструкции квадратного «окна» Конструкция разработанных для таких целей магнитному полю токонесущей шины и, сле-
с размерами под токовую шину 20×20 мм. преобразователей обеспечивает измерение довательно, измеряемому току.
Указанные преобразователи используют- любого вида тока в диапазоне 3000–10 000 А
ся для контроля тока, который протекает с гальванической развязкой силовой цепи Основные параметры преобразовате-
по круглым шинам. Однако во многих видах и цепей контроля. ля больших токов приведены в таблице 2.
подвижного транспорта, в электрохимиче- Питание прибора осуществляется от про-
ском производстве, в электрометаллургии Преобразователь больших токов мышленной сети переменного тока 50 Гц,
для подачи больших токов используются ПИТ-***-У-Б*** решает задачу измерения 220 В ±10%, а максимальный измеряемый
плоские шины, и это требует другой кон- токов в пределах 10–25 кА. Прибор выполнен ток составляет 25000 А.
струкции преобразователей. по компенсационной схеме и состоит из двух
устройств — измерительного контура и ис- Существенным фактором является то, что
На рис. 3 представлена конструкция разъ- точника питания, обеспечивающего этот разработанный преобразователь в 3–4 раза
емного преобразователя тока с размерами контур питанием, и формирует выходной дешевле своих зарубежных аналогов. Однако
«окна» под токовую шину 1080 мм. Для сигнал. Измерительный контур в замкнутом поскольку прибор весьма материалоемкий,
удобства потребителей и снижения цены, состоянии представляет собой магнитопро- то изготавливается нами исключительно под
кроме универсального разъемного прибора, вод, выполненный в виде квадрата с вырезом, заказ. В связи с этим в таблице 2 не указаны
представленного на рис. 3а (он измеряет по- который охватывает и крепится на токонесу- его массо-габаритные данные, так как по тре-
стоянный, переменный и импульсный ток щей шине. Размер такого окна согласуется бованию заказчиков они могут изменяться
1000–3000 А), разработан упрощенный ва- с размерами шины заказчика. В зазорах маг- от образца к образцу.
риант. Этот преобразователь (рис. 3б) пред- нитопровода расположены магниточувстви-
назначен для измерения только переменного тельные элементы — датчики Холла. На маг- Типовые представители
тока, а принцип его работы идентичен функ- нитопроводе намотаны компенсационные преобразователей напряжения
ционированию описанных выше приборов. катушки и так называемая поверочная об- ЯЛНИ.411522.022 ТУ
Питание 8–36 В осуществляется по токовой мотка, в дальнейшем позволяющая прово-
шине, выходной сигнал пропорционален дить поверку этих приборов без демонтажа, Если измеряемое напряжение цепи пре-
действующему значению измеряемого тока. непосредственно на токовой шине. Сам маг- образовать в ток (для этого достаточно ис-
нитопровод с датчиками Холла и катушками пользовать токозадающее сопротивление),
С учетом специфики применения этих заключен в дюралюминиевый кожух, на ко- то его величина будет пропорциональна на-
приборов на подвижном транспорте, в кон- тором расположен двуполярный усилитель, пряжению в измерительной цепи. Именно
струкции преобразователей проведена за- этот принцип лежит в основе работы преоб-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 29

Таблица 3. Основные технические характеристики преобразователей напряжения
постоянного и переменного тока

характеристика Преобразователи измерительные напряжения ПИН-
-ххх-УА-П -ххх-Т-4/20-Д3 -ххх-У-4/20-Б -ххх-УА-БЦ

Диапазон измеряемых напряжений, В 50–700 120–400 3000 3000
Входной номинальный ток, мА 10 1 1,5 0,1
Выходной сигнал датчика, мА 40 4/20 5
Основная приведенная погрешность, 1 4/20
не более, % 0,5 1,5 0,5
Нелинейность выходной характеристики, 0,1
не более, % 0,3 0,1 0,1
Начальный выходной ток 0,2
при нулевом измеряемом напряжении, мА 4 4 0,1
Пробивное напряжение между измеряемой 3
а б и измерительной цепями, не менее, кВ ±15 3 12 12
Напряжение питания, В 50 9–36 ±24 ±15
Рис. 5. Внешний вид преобразователя напряжения: Ток потребления по цепи питания, 85×39×52,5 35 35
а) для монтажа на печатную плату; б) в блок и на DIN-рейку не более, мА 100 24 120×115×117 120×115×117
Габаритные размеры, мм 97,5×53×65 2000 1000
Масса, г
250

разователей напряжения, а наличие в их кон- В таблице 3 также приведены характери- Типовые представители
струкции датчика Холла обеспечивает галь- стики нового преобразователя ПИН-***-У, преобразователей активной
ваническую развязку силовых цепей и цепей который преобразует мгновенное значение мощности ЯЛНИ.411523.001 ТУ
контроля. (выход 50 мА) или действующее значение
(выход 4/20 мА) напряжения постоянного или Логическим продолжением описанных
На рис. 5 представлен типовой универ- переменного тока. Отличительной способно- выше приборов является преобразователь
сальный преобразователь напряжения стью этих приборов (рис. 6) также является их мощности, который аппаратно реализует
постоянного и переменного тока, предна- питание по токовой петле 4/20 мА, что весьма вычисление мощности р = IUcosj и преоб-
значенный для крепежа на печатной плате удобно для последующей обработки сигнала. разует активную мощность, потребляемую
(рис. 5а). С помощью такого прибора мож- В преобразователях напряжения используют- нагрузкой, в пропорциональный сигнал ин-
но контролировать напряжение до 700 В ся новые схемотехнические решения и совре- терфейса 0/20 мА или 4/20 мА, гальванически
в широком температурном диапазоне менная база комплектующих, благодаря чему изолированного от измерительных цепей.
(табл. 3). Для монтажа преобразователя величина входного тока снижена до 1 мА.
напряжения в блок предпочтителен стан- ПИН-***-У обеспечивает гальваническую раз- Конструктивно преобразователь мощ-
дартный корпус KZ-107, который к тому же вязку входной цепи и цепей контроля до 12 кВ ности серии ПИМ состоит из первичного
допускает монтаж прибора на DIN-рейку. и неплохую величину погрешности ±1,5% датчика тока (трансформатора или шунта)
В таком удобном для потребителей корпусе в широком диапазоне температур окружа- и печатной платы, на которой установлены
спроектировано несколько моделей преоб- ющей среды –40…+70 °C, что позволяет ис- элементы электронной схемы обработки
разователей напряжения. В качестве при- пользовать их на тяговых подстанциях и под- сигнала. Преобразователь ПИМ выполняет
мера представлен компактный трехфазный вижном электрическом транспорте. Поставка аналого-цифровое преобразование (АЦП)
преобразователь напряжения (рис. 5б), со- указанных преобразователей на предприятия мгновенных значений тока и напряжения,
держащий три независимых, гальванически РЖД и испытание их в натурных услови- поданных на соответствующие входы, пере-
изолированных канала. ПИН-***-Т-4/20-Д3 ях подтвердили их конкурентоспособность множение соответствующих цифровых
преобразует действующее значение напря- по сравнению с аналогичными зарубежными кодов и выдачу результата на цифро-ана-
жения переменного тока в пределах 120, образцами. Это делает привлекательным ис- логовый преобразователь. Гальваническая
250 и 400 В в стандартный токовый выход пользование преобразователей для импорто- изоляция от входных цепей осуществляется
4/20 мА. Остальные характеристики прибо- замещения и локализации производства соот- применением оптопары при передаче дан-
ра указаны в таблице 3. ветствующей техники. ных внутри преобразователя и использова-
нием изолированного источника питания
Рис. 6. Внешний вид преобразователя напряжения Дальнейшая модернизация преобразовате- для входных каскадов. Интегральный изме-
ПИН-ххх-У до 3000 В с гальванической развязкой лей напряжения должна решить следующие ритель активной энергии ADE фирмы Analog
до 12 кВ (50 Гц, 1 мин) задачи: Devices выдает частотный сигнал, пропор-
• снижение величины потребляемого тока циональный измеряемой активной мощно-
сти. Для преобразования этого частотного
от измеряемой цепи; сигнала в выходной сигнал токового интер-
• уменьшение основной приведенной по- фейса 4/20 мА вместо обычно применяемой
дорогостоящей связки — микроконтроллер
грешности до 0,5%; с кварцевым резонатором и ЦАП — ис-
• улучшение помехозащищенности и тем- пользован прецизионный преобразователь
частоты-напряжения с термостабильным
пературной стабильности. конденсатором. Это позволило повысить на-
Эти цели решает разработанный нами дежность системы в целом и, что немаловаж-
электронный преобразователь напряжения, но, снизить ее себестоимость.
в котором отсутствует датчик Холла, а галь-
ваническая изоляция осуществляется с по- Наше предприятие сегодня производит
мощью передачи полезного сигнала в циф- линейку преобразователей в модульном ис-
ровом виде по оптоволокну. Получившие полнении, измеряющих электрическую мощ-
название ПИН-3000-УА-БЦ преобразователи ность в цепях переменного тока. Примером
были разработаны и в настоящее время про- могут служить ПИМ-1-Т-Д на 1 кВт, включае-
ходят типовые испытания перед постанов-
кой их на производство.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

30 датчики

Таблица 4. Основные технические характеристики преобразователей
активной мощности

Преобразователи измерительные активной мощности
ПИМ-
характеристика
а
1-Т-Д Т-Б30 ххх-У-Б40 ххх-П-Б40

Диапазон измеряемых мощностей, кВт 0–1 1–400 1–400 5–1500

Выходной сигнал датчика, мА 4/20

Входной ток, А 0–5 5–1000 50–1000 50–1500

Входное напряжение, В 0–250 15–400 100–1000

Основная приведенная погрешность, 1 2
не более, %

Пробивное напряжение между измеряемой 2,5
и измерительной цепями, не менее, кВ

Напряжение питания, В 15–35 10–30

Диаметр отверстия под токовую шину, мм – 30 40 40

Габаритные размеры, мм 94×53×65 100×95×102 120×110×106,5 120×110×106,5

б Масса, г 100 600 700 700

Рис. 7. Внешний вид преобразователей мощности: приборов на рынке огромна и отличается как по техническим, так
а) в корпусе для монтажа на DIN-рейку; б) в корпусе с отверстием под токовую шину и по ценовым показателям. Далее представлены образцы клещей, ко-
торые разработаны в ООО «НПО «Горизонт Плюс» и сегодня присут-
мые в разрыв токовой цепи (рис. 7а). Другие варианты преобразовате- ствуют на рынке вместе с зарубежными приборами этого класса. При
лей (ПИМ-***-Т-Б30 на рис. 7б) выпускаются в корпусах с отверстием, конструировании отечественных клещей ставилась задача создать
через которое пропускается токовая шина. Номинальная измеряемая приборы с оптимальным соотношением параметров цена/качество.
мощность таких типов преобразователей варьируется от нескольких
ватт до сотен киловатт, в зависимости от требований заказчика. Наиболее дешевыми представителями этого класса стали кле-
щи-адаптеры, или клещи-прищепки. Они действительно крепятся
Для измерения активной мощности в больших диапазонах на токовой шине как стандартная прищепка. Отсутствие индикатора
(до 1500 кВт) можно рекомендовать преобразователи ПИМ-***-У и упрощенная схема измерений делают подобные адаптеры значи-
и ПИМ-***-П (табл. 4). Первый линейно преобразует величину ак- тельно дешевле стандартных токовых клещей.
тивной мощности в цепях постоянного и переменного тока частоты
50 Гц. Второй — величину активной мощности в цепях постоянного В таблице 5 приведены типы и основные характеристики разра-
тока. Конструктивно оба преобразователя выполнены в пластмассо- ботанных адаптеров. Клещи КТ-***-У-Д25, например, предназначе-
вом корпусе с диаметром отверстия под токовую шину 30 или 40 мм, ны для измерения постоянного, переменного и импульсного тока
аналогично указанному на рис. 7б. Питание приборов осуществляет- 20–400 А. Диаметр охвата губок клещей составляет 25 мм. Малые
ся от однополярного источника 10–30 В, потребляемый ток — не бо- габариты и масса клещей обеспечивают удобство работы (рис. 8а).
лее 100 мА. Предел допустимой основной приведенной погрешности Форма выходного сигнала полностью повторяет форму измеряемого
преобразования активной мощности — менее 2%. Выходной сигнал тока; полярность выходного сигнала изменяется при изменении на-
токового интерфейса — 0/20 или 4/20 мА. правления протекания измеряемого тока.

Типовые представители токоизмерительных клещей При необходимости измерения больших токов можно исполь-
ЯЛНИ.411521.028 ТУ зовать клещи КТ-***-У-Д54, имеющие диаметр губок уже 54 мм,
благодаря чему можно контролировать токи 500–1000 А (рис. 8б).
Адаптеры этого типа значительно повышают точность измерений.

Отдельный подкласс разъемных преобразователей тока составляют
токоизмерительные клещи — приборы, предназначенные, прежде
всего, для мобильных разовых измерений тока. Номенклатура этих

Таблица 5. Основные технические характеристики токоизмерительных
клещей и адаптеров

характеристика Клещи токоизмерительные КТ-
ххх-У-Д25 ххх-У-Д54 ххх-П-Д54
1000-В

Диапазон измеряемых токов, А 20–400 500–1000 500–1000 1–1000 аб
Напряжение в измеряемой цепи, 1 1 1 10 Рис. 8. Внешний вид клещей-адаптеров: а) КТ-50-У-Д25; б) КТ-500-П- Д54
не более, кВ
Выходной сигнал при номинальном 1 2 2 индикатор
измеряемом токе, В
Нелинейность выходной характеристики, 0,5 0,5 0,2 0,2
не более, %
Основная приведенная погрешность, 2,5 1 1 1
не более, % –40…+60 –20…+60
Диапазон рабочих температур, °С 0–10000 0–10 000 40–10 000 40–1000
АЧХ в пределах 2%, не хуже, Гц – 60/90
Ток потребления в режиме холостого 10 20 –
хода, мА 7–15 10–15 54 6
Напряжение питания, В 54
Диаметр отверстия под токовую шину, мм 25 54 120×110×106,5 705×370×80
Габаритные размеры, мм 130×60×31,5 226×112×44 700 2000
Масса, г
110 700

Примечание. КТ-1000-В измеряют ток при напряжении на шине до 10 кВ.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 31

Рис. 9. Внешний вид токоизмерительных высоковольтных клещей КТ-1000-В Рис. 10. Наплечная сумка-чехол для высоковольтных
токоизмерительных клещей КТ-1000-В

Чтобы добиться необходимой точности ного контроля токов на высоковольтных измеряемый ток менее 5 А, то по истечении
и повторяемости, в клещах предусмотрена шинах не так просто. До недавнего времени
специальная конструкция губок, которая у энергетиков пользовались популярно- примерно 5 мин клещи переходят в режим
позволяет свести к минимуму влияние тем- стью импортные клещи Ц-4502. Устаревшая
пературы окружающей среды на механиче- схемотехника этих клещей, наличие стре- энергосбережения «Сон». Электронная схе-
ское напряжение в магнитопроводе губок. лочного индикатора и другие недостатки
Кроме того, в КТ-***-У-Д54 и КТ-***-П-Д54 компенсировались относительно низкой сто- ма, светодиодный индикатор и светодиод
применена так называемая плавающая кон- имостью прибора.
струкция губок, что обеспечивает линей- подсветки в данном режиме отключаются.
ную и повторяемую зависимость влияния В целях импортозамещения в качестве
механической системы губок на результаты альтернативы этим клещам нами были раз- Таким образом, в процессе работы клещи
измерений. Снижение пoгрешности измере- работаны и сертифицированы новые, совре-
ний до 0,5% обеспечивается и специальной менные токоизмерительные высоковольт- внезапно не «заснут» в неподходящий мо-
электрической схемой, включающей термо- ные электронные клещи КТ-1000-В (рис. 9).
коррекцию по показаниям датчика Холла. Конструкция клещей КТ-1000-В состоит мент. При отсутствии измерений клещи «за-
Наличие ее в схеме микроконтроллера по- из корпуса, включающего разъемный транс-
зволяет программно, при технологической форматор тока, печатную плату с электрон- снут» и перейдут в режим энергосбережения.
калибровке адаптера, проводить коррекцию ной схемой обработки сигнала, цифровой
усиления и регулировку смещения входно- светодиодный индикатор и съемные изоли- При разрядке элементов питания клещей
го каскада схемы. К недостаткам адаптеров рующие ручки. Основа электронной схемы
можно отнести требование наличия внеш- клещей — 8-разрядный микроконтроллер измерения могут стать недостоверными.
него источника питания 7–15 В, что, впро- со встроенным АЦП. При протекании пере-
чем, легко решается комплексной поставкой менного измеряемого тока по силовой шине, Прибор сигнализирует об этом, поперемен-
клещей КТ и миниатюрного блока питания охватываемой магнитопроводом, на на-
БП-30 [2]. грузке трансформатора тока индуцирует- но отображая показания измеряемого тока
ся ЭДС, пропорциональная измеряемому
Стандартные клещи-адаптеры преобразу- току. Выходной сигнал с нагрузки поступает и специальный мнемосимвол. Важной функ-
ют измеряемый ток в выходное напряжение, на детектор, который формирует на выходе
пропорциональное мгновенному значению напряжение, пропорциональное средневы- цией клещей является возможность передачи
тока (линейный выход). По требованию за- прямленному значению измеряемого тока.
казчиков выходной сигнал также может Микроконтроллер преобразует его в цифро- результатов измерений по беспроводному
быть пропорционален среднеквадратично- вой сигнал и индицирует на 3-разрядном све-
му значению измеряемого тока. Для этого тодиодном индикаторе в виде действующего интерфейсу Bluetooth (в процессе разработ-
стандартная схема клещей дополняется де- значения измеряемого тока. В обоих рабочих
тектором истинных среднеквадратичных диапазонах — 100 и 1000 А — обеспечивается ки) на смартфон, планшет или компьютер.
значений (True RMS). Добавочное расшире- высокая точность измерений, основная при-
ние схемы за счет интерфейса «токовая пет- веденная погрешность составляет менее 1%. Для удобства пользователей съемные длин-
ля» позволяет получить на выходе адаптеров
токовый сигнал (4/20 или 0/20 мА), пропор- Клещи оснащены светодиодным индика- ные ручки клещей (60 см) и измерительная
циональный истинному среднеквадратично- тором высокой яркости, что позволяет без-
му значению измеряемого тока. ошибочно считывать показания даже при головка с губками помещаются в удобную,
ярком солнце. При работе в условиях недо-
Описанные модели токоизмерительных статочной освещенности можно восполь- носимую на плече специальную сумку-чехол
клещей-адаптеров относятся к приборам зоваться функцией подсветки зоны изме-
массового применения, что и обусловливает рения, предусмотренной в клещах. Клещи (рис. 10). n
в первую очередь их широкую номенклату- КТ-1000-В снабжены интеллектуальной
ру. В то же время найти клещи для мобиль- функцией сбережения заряда батарей. Если Литература

1. www.gorizont-plus.ru
2. www.gorizont-plus.ru/accessories/power_supply.

html

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

32 датчики

Новые датчики
высокого давления
Honeywell серии PX3 —

экономичность, прочность,

универсальность

Владимир РеНТюК Датчики давления американской компании Honeywell, ведущей свою исто-
[email protected] рию с 1906 года, хорошо известны на рынке и завоевали популярность
благодаря широкой номенклатуре и высокой надежности. Они находят
применение в самых разнообразных отраслях индустрии, таких как аэро-
космическая, медицинская, транспортная, сельскохозяйственная, пище-
вая, в том числе и в коммунальном хозяйстве. Предлагаемая компанией
новая серия датчиков давления PX3 предназначена для тяжелых условий
эксплуатации, где компактность, коррозионная стойкость и долговечность
в приоритете.

Введение ления, благодаря особенностям конструктивного решения и характери-
стикам измерения, давно признаны в качестве недорогих и тем не менее
Компания Honeywell выпустила серию PX3 как ответ на требования эффективных решений, кроме того, они дешевле, чем емкостные датчи-
рынка — с учетом общей тенденции к использованию компактных, ки давления. Именно поэтому они находят самое широкое применение.
экономичных, универсальных и механически прочных датчиков вы-
сокого давления для тяжелых условий эксплуатации. Такие датчики Пьезорезистивный эффект — это изменение удельного электри-
востребованы в первую очередь для контроля в гидравлических систе- ческого сопротивления полупроводника или металла при механи-
мах и для управления компрессорами. Они используются в системах ческом воздействии. Пьезорезистивные датчики давления выполня-
охлаждения, отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, ются по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).
в воздушных компрессорах, системах регулирования давления тормоз- Они формируют сигнал, удобный для дальнейшей обработки, имеют
ного и моторного масла, для управления насосами и клапанами. приемлемую точность, технологичны и отличаются малыми разме-
рами и весом. Кроме того, они обеспечивают высокую чувствитель-
Принцип работы и особенности датчиков давления ность и лучшую линейность, а их конструкция позволяет повысить
серии PX3 надежность и гарантировать долгий срок службы в самых жестких
условиях эксплуатации.
Новая серия датчиков, как и предыдущие линейки этого направления,
выполнена на базе пьезорезистивной технологии, но расширяет диа- Такие устройства состоят из чувствительной мембраны и уста-
пазон измерения давления до 1–50 бар. Пьезорезистивные датчики дав- новленных на ней резистивных элементов (активный элемент —
Si или поли-Si), как показано на рис. 1б,в, образующих измеритель-
ный мост Уитстоуна (рис. 1а) [2].

аб в

Рис. 1. Эквивалентная схема и структура чувствительной к давлению микросхемы: а) схема моста Уитстона; б) вид чипа сверху; в) увеличенный вид пьезорезистора

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 33

Рис. 3. Базовый вариант датчика давления серии PX3 компании Honeywell
в сравнении с датчиками предыдущих серий

Рис. 2. Общий вид сборки пьезорезистивного датчика давления Внесенные изменения в конструктивное исполнение новой серии
со встроенной схемой температурной компенсации и формирования сигнала датчиков позволяют им надежно и долговечно работать со многими
хладагентами следующего поколения, включая R448A — замену R404A
При колебании внешнего давления происходит передача дефор- под маркой Honeywell Solstice N40 [1]. Кроме того, серия PX3 обеспечи-
мации изолирующей металлической мембраны на полупроводни- вает морозоустойчивость (допускает многократное обледенение и раз-
ковую структуру тензорезистора. Область резистора деформируется, мораживание), имеет широкий диапазон рабочих температур и долго-
в результате изменяются условия протекания тока в этой области, вечную конструкцию с высокой помехоустойчивостью.
что в свою очередь влечет изменение сопротивления. Для увели-
чения чувствительности область, на которую передается давление, Примеры практического применения датчиков
расположена на утонченной за счет нижнего травления части кри-
сталла. Резисторы собраны по мостовой схеме, одно ее плечо состоит Важное условие для надежной работы датчиков высокого дав-
из измерительных резисторов на полупроводниковой мембране, ления — правильный выбор среды, в которой и для которой они
второе — из резисторов, не подвергающихся деформации, которые должны использоваться [4]. Несмотря на то, что среда эксплуатации
находятся на удалении от полупроводниковой мембраны. Мост изна- датчика изначально может быть совместимой с используемыми в его
чально сбалансирован. При изменении тока в одном плече возникает конструкции материалами, с течением времени некоторые среды
разность потенциалов в противоположных точках. Данный сигнал могут претерпевать те или иные химические изменения. Примером
пропорционален оказываемому давлению. такого изменения является случай, когда совместимый газ, в частно-
сти диоксид азота (NO2), в сочетании с высокой влажностью образует
Функции калибровки и компенсации обеспечиваются специально азотную кислоту (HNO3), которая при определенных концентрациях
разработанными интегральными схемами (ASIC). Схема усилителя травит кремниевый датчик, что приводит к изменению показаний
формирует сигнал в нужном диапазоне тока или напряжения, а также данного устройства.
термокомпенсацию и компенсацию дрейфа нуля. Уровни могут быть
TTL, reel-to-reel или 4–20 мА. Коэффициенты ошибок, характерные В качестве примера рассмотрим две основные области применения
для отдельных датчиков, постоянно хранятся во встроенной электри- датчиков серии PX3. Первая — использование в промышленных хо-
чески программируемой памяти. В общем виде конструкция такого лодильных системах (рис. 4) [5].
датчика представлена на рис. 2 [2].
Холодильная установка действует по обратному циклу Карно,
Датчики давления Honeywell серии PX3 (рис. 3) выпускаются в ла- в таких циклах работа сжатия превышает работу расширения.
тунном корпусе и имеют несколько конфигураций монтажа и под- Соответственно, для перехода теплоты от тела с меньшей темпе-
ключения. Что касается потребности именно в малогабаритных ратурой к телу, температура которого выше, холодильная машина
и экономичных датчиках давления, она связана с необходимостью должна получать механическую энергию от внешнего источника.
оптимизировать эффективность систем отопления, вентиляции В компрессоре осуществляется сжатие насыщенного пара, в результа-
и кондиционирования воздуха, а также холодильных систем, чтобы те чего его температура повышается и пар переходит в перегретое со-
использовать в них новые хладагенты. стояние. Затем пар поступает в охладитель (конденсатор), где за счет
его обдува воздухом происходит конденсация пара. Образовавшаяся
Проблема в том, что нормативно-правовое регулирование в этом жидкость поступает в холодильную камеру, где, испаряясь, отнимает
секторе требует перехода на более безопасные для экологии и не несу- теплоту из возвратного воздуха и опять превращается в газ.
щие угроз климату хладагенты. Новые датчики давления Honeywell
отвечают именно этим требованиям, предлагая разработчикам си- Холодильный цикл работает потому, что при переходе хладагента
стем, производителям оригинального оборудования и конечным из одного состояния в другое происходит значительное выделение
пользователям возможность употреблять хладагенты на базе новой или поглощение скрытой энергии. Контролируя давление хладагента,
технологии с применением гидрофторолефинов (ГФО) с ультраниз-
ким потенциалом глобального потепления1 при высокой энергоэф- 1 Потенциал глобального потепления (Global Warming Potential, GWP) — коэффициент, определяющий
фективности. степень воздействия различных парниковых газов на глобальное потепление.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

34 датчики

Рис. 4. Типовая промышленная холодильная установка. 1 — места установки датчиков давления серии PX3

можно регулировать температуру изменения фазы. При низком дав- треннюю среду того или иного помещения. Три компонента системы
лении хладагент из жидкого состояния превращается в газ и погло- отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — это:
щает скрытую тепловую энергию при более низкой температуре. • Отопление — процесс подачи тепла в зону. Система отопления —
При высоком давлении газ хладагента может превращаться из газа
в жидкость при более высоких температурах, высвобождая скры- это использование котла, печи или теплового насоса для нагрева
тую энергию. Из-за высокой стоимости энергии холодильные си- воды, пара или воздуха и их распределения в зоне.
стемы должны быть эффективными. Управление давлением на сто- • Вентиляция — процесс замены воздуха в помещении для измене-
роне высокого и низкого давления в соответствии с потребностями ния температуры и улучшения качества воздуха путем удаления
в охлаждении повысит эффективность системы и поможет снизить влаги, пыли, дыма и других частиц в воздухе.
энергозатраты. • Кондиционирование воздуха и охлаждение. Тепло можно отво-
дить, поглощая и отводя его с помощью цикла охлаждения.
Датчики давления серии PX3 компании Honeywell предназначе- Однако из-за высокой стоимости энергии такие системы кондицио-
ны для непрерывного контроля давления на выходе компрессора нирования должны быть максимально эффективными. Как и в первом
и давления на выходе испарителя, что обеспечивает контроль потока случае, повысить эффективность и снизить затраты на электроэнер-
хладагента. В отличие от предыдущей серии датчики линейки PX3 гию поможет контроль давления всасывания и нагнетания компрес-
разработаны для более эффективного противодействия нескольким сора в соответствии с потребностями в кондиционировании воздуха.
циклам замерзания/оттаивания без повышения интенсивности от- Оптимальное решение здесь также помогут обеспечить датчики
казов (рис. 5). давления серии PX3, которые успешно используются для непрерыв-
ного контроля давления на выходе компрессора, давления на вы-
Следующий пример показывает более широкое применение дат- ходе из охлаждающего теплообменника, а также давления на выходе
чиков давления серии PX3 для работы в жестких условиях потен- из змеевика испарителя и давления подачи градирни. Это позволяет
циального использования в промышленных системах отопления, контролировать поток нагревающей/охлаждающей среды в условиях
вентиляции и кондиционирования воздуха [6]. частичной нагрузки (рис. 6).
Датчики давления серии PX3 совместимы с обычными гидро-
Системы отопления, вентиляции, кондиционирования и охлаж- фторуглеродными (HFC) хладагентами, такими как R410 и R134A.
дения помогают поддерживать комфортную или приемлемую вну- Кроме того, серия PX3 совместима с хладагентами следующего по-
коления с низким потенциалом глобального потепления — R32,
R1234ZE и R448A (Solstice N40).

Основные технические характеристики
датчиков давления серии PX3

Рис. 5. Датчики давления серия PX3 компании Honeywell В датчиках давления Honeywell серии PX3 [7] используется тех-
в реальном промышленном холодильном оборудовании нология пьезорезистивного измерения с преобразованием сигнала
ASIC (специальная интегральная схема). Она выполнена в латун-
ном корпусе и электрических соединениях Metri-Pack 150, DIN или
с помощью жгутов проводов. Внешний вид вариантов исполнения
датчиков давления рассматриваемой серии представлен на рис. 7.

Преимущества датчиков серии PX3:
• Откалиброваны и имеют температурную компенсацию для работы

в диапазоне рабочих температур –40…+125 °C.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 35

Рис. 6. Датчики давления серии PX3 для жестких условий эксплуатации в потенциальных применениях в промышленных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
1 — места установки датчиков давления серии PX3

• Общее значение суммарной ошибки (TEB) не превышает ±1% Рис. 7. Варианты исполнения датчиков давления серии PX3 компании Honeywell
FSS (величины полного размаха шкалы) в диапазоне температур
ственно, заказчик должен определить, совместим ли преобразователь
–20…+85 °C, что говорит об истинных характеристиках измерения с носителем и подходит ли он для целей конечного применения. Серия
PX3 не рекомендуется для использования со средами, включающими
датчика в заданном температурном диапазоне. Столь малая по- воду и насыщенный водой воздух, в том числе пар, а также со средами,
содержащими аммиак.
грешность повышает работоспособность конечной системы и ее
Отличия от конкурентных датчиков:
эффективность. • Дополнительный режим диагностики: полезен в тех случаях, когда

• Более высокое сопротивление изоляции и диэлектрическая проч- критически важна функциональность датчика и необходимо знать
ность: защищает пользователя и датчик в условиях высокого пере- режимы внутреннего или внешнего сбоя.
• Разные варианты исполнения обеспечивают гибкость использова-
напряжения и обеспечивает соответствие устройства отраслевым ния в приложении без дополнительных расходов.
• Долговечность: обеспечивает работоспособность в условиях жест-
стандартам. кой окружающей среды.
• Высокое сопротивление изоляции и диэлектрическая прочность.
• Более высокая эффективность ЭМС: работает более надежно в при- • Устойчивость к замерзанию/оттаиванию.
сутствии электромагнитных полей, таких как беспроводные сигна- • Выполнение требований по электромагнитной совместимости
с высокой помехоустойчивостью (до ±1000 В относительно «зем-
лы, радиочастотная связь и электрические устройства. ли») согласно стандарту IEC 61000-4-5.
• Выход 4–20 мА с температурной компенсацией до +125 °C.
• Более высокое внешнее сопротивление замерзанию/оттаиванию:
выдерживает воздействие мороза, обычно встречающегося в хо-

лодильных системах.

• Пониженное потребление тока: помогает снизить энергозатраты
и увеличивает срок службы изделия, если используется в системах

с батарейным питанием.

• Совместимость с большинством сред, причем как с обычными хла-
дагентами, так и с хладагентами следующего поколения с низким

потенциалом глобального потепления.

Что касается вопросов совместимости материалов, используемых

в конструкциях датчиков серии PX3, то, согласно [4], датчики про-

тестированы со следующими типами носителей:

• хладагенты широкого применения;
• хладагент R245fa (пентафторпропан) и транс-дихлорэтилены;
• фреон R410A;
• моторное масло 10W30;
• хладагент R134A;
• тормозная жидкость DOT3;
• хладагент R1234ZE;
• гидравлическая жидкость;
• R32;
• сухой воздух;
• хладагент R448A (Solstice N40);
• гидравлическое масло DTE 25.

Этот список предназначен только для справки и содержит лишь

часть всех носителей, совместимых с датчиками серии PX3, соответ-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

36 датчики

Основные технические характеристики: Литература

• Диапазон измерения давления: 1–50 бар (для абсолютного 1. Honeywell sensors help reduce energy costs. www.coolingpost.com/products/
honeywell-sensors-help-reduce-energy-costs/
(absolute)2 и относительного измерения (sealed gage)3).
2. Yao Z., Liang T., Jia P., Hong Y., Qi L., Lei C., Zhang B., Xiong J. A High-
• Ратиометрическое4 выходное напряжение: 0,5–4,5 В или 0,33–2,97 В. Temperature Piezoresistive Pressure Sensor with an Integrated Signal-
Conditioning Circuit // Sensors. 2016. Vol. 16. Iss. 6. www.mdpi.com/
• Выход для подключения в токовую петлю 4–20 мА поддерживает 1424-8220/16/6/913/htm

передачу выходных сигналов на большие расстояния. 3. Heavy Duty Pressure Transducers Line Guide. 008154-15-EN, 2019 Honeywell
International Inc. www.sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-heavy-
• Поступает откалиброванным на завод-изготовитель и с темпера- duty-pressure-transducers-lineguide-008154-15

турной компенсацией. 4. Media Compatibility for Heavy Duty Pressure Transducers, PX2 Series and
PX3 Series. A Technical Note. 008254-6-EN 2018 Honeywell International Inc.
• Сопротивление изоляции: >100 МОм, 1500 В DC (в сухом, неио- www.sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-heavy-duty-pressure-
transducers-px2-series-px3-series-media-compatibility-technical-
низированном воздухе). note-008254-6-en2.pdf

• Диэлектрическая прочность: 1500 В AC, 1 мин или 1800 В AC, 5. PX2 Series and PX3 Series Heavy Duty Pressure Transducers for Potential
Use in Industrial Refrigeration. 008256-5-EN 2018 Honeywell International Inc.
1 с (в сухом, неионизированном воздухе). www.sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-heavy-duty-pressure-
transducers-px2-series-px3-series-industrial-refrigeration-application-
• Потребляемый ток: 3,5 мА (max). note-008256-5-en2.pdf

• ЭМС согласно ISO 11452-2 (устойчивость к излучаемому радио- 6. PX2 Series and PX3 Series Heavy Duty Pressure Transducers for Potential
Use in Industrial HVAC/R Applications. An Application Note. 008255-5-EN
частотному электромагнитному полю): 200 В/м (для ратиометри- 2018 Honeywell International Inc. www.sensing.honeywell.com/honeywell-
sensing-heavy-duty-pressure-transducers-px2-px3-series-hvacr-application-
ческого выхода), 140 В/м (для токового выхода). note-008255-5-en2.pdf

• Степень защиты IP67 (разъем Metri-Pack), IP69K (жгут проводов), 7. Heavy Duty Pressure Transducers PX3 Series, 1 bar to 50 bar | 15 psi to 700 psi.
32313757 Issue F. 32313757-F-EN 2019 Honeywell International Inc. www.
IP65 (разъем DIN). sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-heavy-duty-pressure-px3-series-
datasheet-32313757.pdf
• Соответствует требованиям RoHS, REACH и CE.
8. Installation Instructions for the Heavy Duty Pressure Transducers PX3 Series,
• Шесть стандартных типов портов давления, включая трубный 1 bar to 50 bar | 15 psi to 700 psi. 32313758 Issue F. 32313758-F-EN 2019
Honeywell International Inc. www.sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-
порт, который обеспечивает герметичное соединение со средой heavy-duty-pressure-px3-series-installation-instructions-32313758.pdf

измерения.

Полная информация о датчиках давления серии PX3 компании

Honeywell приведена в спецификации [7], а указания по их монта-

жу — в техническом документе [8]. n

2 При измерении абсолютного давления (absolute) выход датчика калибруется так, чтобы быть пропорци-
ональным разнице между приложенным давлением и фиксированной привязкой к идеальному вакууму
(абсолютное нулевое давление).

3 Конструкция датчика в режиме относительного измерения давления (sealed gage) идентична абсолютной
версии со встроенным эталоном при нулевом давлении, что позволяет минимизировать погрешность измере-
ния по температуре. Выход откалиброван так, чтобы быть пропорциональным разнице между приложенным
давлением и эталоном в одну стандартную атмосферу (подробнее пример и график в [7]).

4 Особенность ратиометрического выходного сигнала состоит в зависимости значения сигнала от напряжения
питания. То есть сигнал является безразмерным и представляет собой процентное отношение к напряжению
питания. Если же напряжение питания изменится, пропорционально ему изменится и выходной сигнал.

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

на правах рекламы 37

Высоконадежный
интегральный датчик
температуры 5306НТ015

Интегральный датчик температуры 5306НТ015 предназначен для пре- Однопроводной интерфейс
образования значения температуры в 16-разрядный цифровой код
(пять старших разрядов знаковые) и передачи кода управляющему ми- Взаимодействие с микросхемой 5306НТ015
кроконтроллеру по однопроводному/последовательному интерфейсу. осуществляется через однопроводной интер-
Датчик обладает высокой надежностью и стойкостью к СВВФ. фейс — низкоскоростной двунаправленный
последовательный протокол обмена дан-
Таблица. Технические характеристики датчика 5306НТ015 ными с одним сигнальным проводом DQ.
Тип выхода — открытый сток.
Ток Ток Ошибка определения температуры, °С
потребления потребления Благодаря адресации имеется возможность
Напряжение в активном в диапазоне в диапазоне объединять на одной шине несколько неза-
питания, В в режиме режиме, мА –10…+60 °С –60…+125 °С висимо работающих датчиков.
ожидания, мА
3–5,5 7 ±1 ±2 Рекомендуемая схема применения приве-
0,9 дена на рис. 3а.

Основные характеристики датчика Диапазон рабочих температур датчика: Последовательный интерфейс
представлены в таблице, а структур- –60…+125 °C. Наработка до отказа не менее
ная схема — на рис. 1. 130 000 ч. Погрешность определения темпе- Дополнительно в микросхеме реализова-
ратуры (рис. 2): но управление через последовательный ин-
Рис. 1. Структурная схема датчика 5306НТ015 • ±1 °C (в диапазоне –10…+60 °C); терфейс. Рекомендуемая схема применения
• ±2 °C (в диапазоне –60…+125 °C). приведена на рис. 3б. При использовании
последовательного интерфейса доступно два
Термодатчик имеет высокую стойкость типа сигналов:
к СВВФ, включая факторы космического • запрос преобразования;
пространства: • считывание результатов преобразования. n
• стойкость к 7.И не менее 4Ус;
• стойкость к ТЗК не менее 60 МэВ·см2/мг. ао «Дизайн
Центр «союЗ»
В микросхеме реализован режим рабо-
ты с низким энергопотреблением (режим Москва, г. Зеленоград
shutdown), а также функция адресации кон-
кретного температурного датчика. www.dcsoyuz.ru
e‑mail:
Микросхема является функциональным [email protected]
аналогом DS18B20 (Maxim Integrated). тел.:
8 (499) 995–25–18
Датчик выполнен в 6-выводном металло-
керамическом корпусе 5221.6-1 с размерами
4,65,27 мм.

Рис. 2. График статического распределения погрешности измерения температуры аб
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020
Рис. 3. Рекомендуемая схема применения при использовании:
а) однопроводного интерфейса; б) последовательного интерфейса.
VDD — вывод напряжения питания; DQ — информационный вход/выход;
CS — вход выбора микросхемы (Chip Select); CLK — вход тактовой частоты;
MOSI — вход данных; MISO — выход данных; GND — общий вывод

www.kite.ru

38 датчики

Времяпролетный
метод измерения
глубины изображения

и прототип ToF-камеры

от Analog Devices

Дмитрий ВАСИЛеНКО В статье представлен обзор решений для измерения глубины изображе-
[email protected] ний различными способами. Рассматриваются и сравниваются наиболее
популярные методы измерения — на основе времяпролетного принципа,
методов триангуляции и структурированного света. Наибольшее внимание
уделено обсуждению времяпролетного принципа и детальному описанию
прототипа ToF-камеры от Analog Devices.

Введение для камер определения лиц, которые гаран- Рассмотрим подробнее каждый из спосо-
тированно не сработают на плоскую фото- бов измерения глубины.
Современные электронные системы ма- графию. Выделение объектов на каком-либо
шинного зрения продолжают активное разви- фоне может понадобиться для точного опре- Импульсный
тие в сторону доступности создания трехмер- деления количества посетителей или пасса- времяпролетный метод
ных изображений. Необходимость измерения жиров, а также для более уверенной работы
глубины изображений требуется для различ- машинного зрения робота. Глубина изобра- Начнем с детального обзора времяпро-
ных применений: систем идентификации, жения также является ключевым параметром летного метода (рис. 1). Измерение глубины
точной фокусировки многообъективных для некоторых медицинских применений объекта производится ToF-камерой на осно-
камер, определения окружающих объектов (например, прецизионное позиционирова- ве временной задержки между моментами
роботами и многих других задач. Развитие ние пациента при МРТ). излучения света и его приема. В связи с тем,
технологии сопровождается использованием что скорость света в вакууме постоянна
все больших процессорных ресурсов, которые Обзор решений и имеет значение c = 299,792106 м/с, рассто-
требуются для более совершенных расчетов яние можно вычислить как половину прой-
и обработки фотографий. Существует несколько методов построе- денного сигналом пути:
ния трехмерных изображений, на сегодня
Основное преимущество алгоритмов с до- наиболее популярные и развитые из них: d = 1/2cΔt. (1)
бавлением третьего измерения (глубины) • метод структурного света;
изображения — возможность точнее вы- • метод стереозрения (триангуляции); При этом предполагается, что излуча-
делить объемные объекты на фоне заднего • времяпролетный метод. тель и приемник расположены максималь-
плана. Такая функция важна, в частности, но близко друг к другу. Для измерения
временной задержки используется два наи-
Рис. 1. Иллюстрация принципа времяпролетного способа измерения глубины более употребительных метода: импульс-
ный (pulsed based, PB) и непрерывной вол-
ны с амплитудной модуляцией (amplitude
modulation continuous wave, AMCW).

Временные диаграммы импульсного мето-
да представлены на рис. 2.

Исходящий сигнал имеет вид П-образной
волны с шириной импульса wp. Отраженный
сигнал возвращается к измерительному при-
бору с временной задержкой Δt, которая
пропорциональна расстоянию до объекта.
Регистрация отраженного сигнала выпол-
няется на каждом пикселе в двух режимах,
которые называются «окна» (gates). Старт
первого окна синхронизируется с нараста-
ющим фронтом исходящего сигнала, старт
второго — с падающим фронтом исходя-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 39

окон детектирования, старт которых син-
хронизируется с окончанием предыдущего
окна. Например, в системе 3D ToF от Analog
Devices добавлено третье окно, синхронизо-
ванное с падающим фронтом второго окна
(рис. 3), что позволяет производить измере-
ния времени Δt > wp.

Времяпролетный метод
непрерывной волны

Альтернативный времяпролетный метод
измерения расстояния (подробно описан
в [1]) — непрерывной волны с амплитудной
модуляцией (amplitude modulation continuous
wave, AMCW). Данный способ измерения
базируется на синусоидальных излучаемых
и отраженных сигналах, при этом излуча-
емый сигнал пропорционален cos(2πfmt),
а принятый сигнал будет сдвинут по фазе:

Рис. 2. Временные диаграммы импульсного времяпролетного метода Δj = Δt/2πfm. (4)

щего сигнала. В случае если все временные го сигнала возможно от различных поверхно- Подставляя формулу (1), получаем рассто-
задержки (ширина импульса исходящего стей, а прохождение луча может наблюдаться яние до объекта:
сигнала, ширина каждого окна) одинаковы, при различных внешних условиях.
а также внешняя фоновая засветка остается (5)
постоянной при достаточном соотношении Очевидно, при увеличении временного ин-
сигнал/шум, задержку и, соответственно, тервала излучаемого сигнала возможно сни- При использовании метода непрерывной
расстояние можно рассчитать по формулам, зить влияние дрожания тактовых сигналов волны для определения фазы выполняется
как показано в работе [5]: (проявляющихся, в частности, при переход- четыре измерения, сдвинутые на π/2, A1–A4,
ных процессах включения и выключения окон при этом фаза рассчитывается по формуле:
(2) и элементов системы и нарастании фронтов),
при этом увеличивается диапазон расстояний (6)
где wp — ширина импульса исходящего измерения глубины сигналов. С другой сто-
сигнала; g1 и g2 — временные интервалы ак- роны, при увеличении дальности (глубины) Как следствие периодичности несущего
тивного отраженного сигнала внутри соот- возрастают эффекты влияния отношения сиг- сигнала метод непрерывной волны подвер-
ветствующих окон регистрации. При этом нал/шум в связи с ослаблением отраженного жен эффектам наложения. Объект может
можно отметить, что существует макси- сигнала. Разработчик должен тщательно рас-
мальная дальность измерения, достигаемая считать компромиссные параметры системы.
при g1 = wp:
Усовершенствование импульсного метода
возможно при добавлении дополнительных

d = 1/2cwp. (3)

На реальном объекте времяпролетный ме- Рис. 3. Временные диаграммы усовершенствованного импульсного времяпролетного метода
тод подвержен ряду ограничений:
• влиянию внешних источников, интерфе-

ренции сигналов;
• снижению соотношения сигнал/шум в свя-

зи с ослаблением отраженного сигнала,
особенно из-за различного коэффициента
отражения ИК-света объектом;
• неоднородности характеристик системы
(как оптических, так и электрических),
деградации динамического диапазона;
• ошибкам синхронизации, дрожанию так-
товых сигналов;
• температурному дрейфу элементов систе-
мы излучения и измерения.
Одна из важнейших задач системы — под-
держание во всем динамическом диапазоне
соотношения сигнал/шум, достаточного для
уверенного измерения. Эти характеристики
важны и в связи с тем, что отражение лазерно-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

40 датчики

а б
Рис. 4. Иллюстрации методов: а) структурного освещения; б) стереозрения

отразиться в принимаемом сигнале с перио- Таблица. Сравнение методов измерения глубины изображения
дом 2π. С такими эффектами можно бороть-
ся при помощи сопоставления измерений Параметр Метод стереозрения Метод структурного Времяпролетный принцип
на разных частотах и выделения «реальных» освещения Непрерывной волны Импульсный
объектов. Разрешение
Скорость создания облака пикселей Зависит от камеры CIF, QVGA CIF, QVGA VGA, SXGA
Одна из важных особенностей импульс- Средняя (зависит Средняя (зависит
ного метода и метода непрерывной вол- Энергопотребление от сложности алгоритма) от периода цикла освещения) Высокая
ны — различное поведение коэффициентов Диапазон расстояний
заполнения модуляции излучаемого сигна- Точность определения глубины Среднее Высокое Среднее или низкое
ла. Для импульсного метода коэффициент Работоспособность (для отдельных длин волн)
заполнения может гибко настраиваться, что при уличном (фоновом) освещении От десятков см до десятков м От десятков см до 1–2 м Зависит от мощности лазера
позволяет задавать уровень мощности излу- Работоспособность От мм до см От мкм до мм
чения лазера. При этом система может быть при низком фоновом освещении ±0,5–1%
подстроена под изменяющиеся оптические Стоимость системы (зависит от расстояния) (зависит от расстояния)
условия измерения. В таком случае уровень
потребления устройства будет оставаться Хорошая Худшая Средняя Наилучшая
примерно одинаковым. Для метода непре-
рывной волны коэффициент заполнения Низкая Хорошая Хорошая
должен иметь значение около 50%, что не по- Невысокая Высокая Средняя, невысокая (для 950 нм)
зволяет системе быть достаточно гибкой,
например в условиях применения сенсора ростей видео, а объект должен находиться Метод стереозрения
на улице при сильном фоновом излучении. в минимальном движении на время цикла. Другой вариант измерения глубины изо-
Помимо этого, метод структурного освеще-
ния подвержен влиянию интерференции бражения может быть построен на принципе
с внешними источниками, что ограничивает триангуляции, известном также как принцип
его использование на улице. стереозрения (рис. 4б). При этом использу-
ются две камеры, отстоящие друг от друга

Конкурирующие способы
измерения расстояний

Метод структурного освещения Рис. 5. Максимально допустимые уровни экспозиции лазерного излучения для человеческого глаза
Один из альтернативных методов созда- от длины волны и длительности импульса

ния трехмерного образа объекта — освеще-
ние объекта светом, имеющим регулярную
структуру (рис. 4а, подробно об этом речь
идет в работе [2]). В данном случае для ос-
вещения объекта используется массив гори-
зонтальных или вертикальных световых по-
лос. Такая регулярная структура повторяет
контуры предмета измерения расстояния,
видеокамера системы считывает отраженное
изображение. При помощи алгоритмов про-
цессор восстанавливает трехмерный образ
в виде цифрового массива данных.

В ходе этого метода зачастую используют
циклически изменяемые массивы, при этом
для расчета расстояния требуется получить
данные всего цикла. Как следствие, такой
способ не позволяет достигать высоких ско-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

датчики 41

на расстояние b, а дальность d до объекта рас-
считывается по известной формуле:

(7)

Одна из самых важных задач для измерения Рис. 6. Спектр солнечного излучения с низкой интенсивностью в районе 950 нм
расстояния методом стереозрения — точное
сопоставление пикселей, снятых двумя раз- на длинах волн 1500 нм излучение рассеива- длинах волн 950 нм. Точность измерения
личными камерами объекта. Задача решается ется на глазном яблоке. При этом на длинах задержек и синхронизация достигает 174 пс,
сложными алгоритмами поиска корреляции волн 900 нм излучение не встречает таких что позволяет проводить измерения с раз-
изображений и требует достаточно больших ограничений и практически полностью до- решением около 5 см. Интерфейсы с внеш-
ресурсов процессора. Сопоставление фото- стигает глазного дна с фокусом на сетчатку. ними процессорными платами обеспечива-
графий особенно сложно для объектов с од- ются по шинам MIPI-CSI 2 и I2C. Процессор
нородной окраской и структурой, расчеты В то же время подбор регистрирующего генерирует синхросигнал старта импульса
расстояния могут иметь в таком случае се- сенсора для 900 нм проще и дешевле, по- и сигналы для окон измерения, обеспечивая
рьезную погрешность. скольку можно использовать коммерчески реализацию импульсного времяпролетного
доступные CCD-сенсоры. Для длин волн метода.
Сравнение методов измерения глубины 1500 нм требуются специальные устройства
изображения собрано в таблице. В связи и сенсоры, изготовленные по технологии Блок-схема системы представлена на рис. 7.
с развитием CMOS/CCD-сенсоров стоимость InGaAs или InP, что значительно дороже. На основе ADDI9036 разработана оценоч-
времяпролетной камеры снижается и для ная плата AD-96TOF1-EBZ (рис. 8) с лазерны-
некоторых длин волн лазера (например, для Преимуществом конкретной длины волны ми диодами на 940 нм (4 шт.) и ПЗС-матрицей,
950 нм) уже сравнима со стереоскопически- в 950 нм является и меньшая интерференция обеспечивающей трехмерный видеопоток
ми системами. с фоновым уличным излучением. Именно 640480 30 кадров/с. Объектив камеры имеет
на этой длине волны интенсивность солнеч- обзор 9069,2°, настройки тайминга системы
Медицинские аспекты ного света имеет малые значения (рис. 6). (при использовании оценочного ПО) имеют
лазерного излучения. три режима (диапазоны измерений глуби-
Оптимальная длина волны Программно-аппаратное ны 25–80 см, 30 см – 4,5 м, 3–6 м). В настоя-
решение ADI щее время процессор ADDI9036 совместим
Все системы машинного зрения с приме- с ПЗС-матрицами фирмы Panasonic.
нением лазерного излучения должны про- Компания Analog Devices выпустила Открытое программное обеспечение по-
ходить тщательный контроль на безопас- процессор ADDI9036 для проведения из- зволяет создавать проекты на популярных
ность для зрения человека. Особенно важно мерений задержки отраженного сигнала, языках, таких как C++ и Python. Инженеры
соблюдать правила для систем безопасно- в качестве принимающего устройства ис- Analog Devices разработали SDK для под-
сти, где прямое лазерное излучение может пользуется ПЗС-матрица. По некоторым держки платформы AD-96TOF1-EBZ, ко-
с большой вероятностью попадать в чело- параметрам она предпочтительнее, чем бо- торая включает API-функции верхнего
веческий глаз. Существует ряд медицинских лее доступные структуры CMOS, посколь- и нижнего уровней, позволяющие создать
ограничений, в частности максимально до- ку имеет более высокую чувствительность приложение на платформах Dragonboard 410,
пустимые уровни экспозиции лазера в за- в ближнем ИК-диапазоне, например при
висимости от длины волны и времени им-
пульса (рис. 5).

Для нужд времяпролетного метода рас-
сматриваются лазеры ИК-диапазона, в част-
ности на длинах волн 900 и 1500 нм. Из мак-
симально допустимых значений экспозиции
импульса следует, что при 900 нм имеет ме-
сто существенно большее ограничение до-
пустимых значений, связанное с тем, что

Рис. 7. Блок-схема системы с процессором ADDI9036. Процессорный модуль обеспечивает связь с внешними устройствами и облачными сервисами www.kite.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

42 датчики

Рис. 8. Внешний вид оценочной платы AD-96TOF1-EBZ тально изучены преимущества и недостатки
алгоритмов, при этом наибольшее внима-
ние уделено времяпролетному методу, реа-
лизованному в референс-решении от Analog
Devices AD-96TOF1-EBZ. Данная платфор-
ма становится одним из наиболее удобных
инструментов для проверки систем измере-
ния глубины. Этому способствует не только
хорошо проработанная аппаратная часть,
но и поддержка программного обеспечения
на основе SDK c открытым кодом.

В результате исследований на основе плат-
формы AD-96TOF1-EBZ инженеры могут
продвинуться в разработках систем безопас-
ности, машинного зрения и медицинских
применений. Analog Devices создает совмест-
ные проекты с рядом компаний, которые
в самое ближайшее время выведут на рынок
законченные ToF-модули, предназначенные
для встраивания в приложения заказчиков. n

Литература

Рис. 9. Структура SDK системы для оценки ToF-камеры от Analog Devices. SDK, примеры программ и аппаратная часть 1. Hansard M., Lee S., Choi O., Horaud R. Time-
предоставляются производителем, а также партнерами (Arrow Electronics) of-Flight Cameras: Principles, Methods and
Applications. Springer Brief in Computer Science,
Raspberry PI 2/3 и Thor96. API-функции Заключение 2012.
верхнего уровня, входящие в SDK, предна-
значены для конфигурирования системы В статье рассмотрены варианты измерения 2. Geng J. Structured-Light 3D Surface Imaging:
и обработки данных, API-функции нижнего глубины изображений на основе наиболее a Tutorial // Advances in Optics and Photonics.
уровня — для наиболее глубокой настройки доступных способов — времяпролетного 2011. Vol. 3. Iss. 2.
аппаратных средств. Структура SDK пред- принципа, методов триангуляции и струк-
ставлена на рис. 9. турированного света. В ходе обсуждения де- 3. Gokturk S. B., Yalcin H., Bamji C. A Time-Of-
Flight Depth Sensor — System Description, Issues
and Solutions. IEEE Computer Society Conference
on Computer Vision and Pattern Recognition
Workshops, 2004.

4. Bartels J. Applications for Time-of-Flight Cameras
in Robotics, Logistics and Medicine. Basler AG
White paper, 2017.

5. Sarbolandi H., Plack M., Kolb A. Pulse Based Time-
of-Flight Range Sensing // Sensors. 2018. Vol. 18.

6. Buettgen B., Oggier T., Lehmann M., Kaufmann R.,
Lustenberger F. CCD/CMOS lock-in pixel for
range imaging: Challenges, limitations and state-
of-the-art. 2005.

7. Slattery C., Shida Y. ADI ToF Depth Sensing
Technology: New and Emerging Applications
in Industrial, Automotive Markets, and More //
Analog Dialogue. 2019. Vol. 53. Iss. 4.

новости источники питания

6-Вт DC/DC-преобразователи от Crane Electronics с широким диапазоном
входного напряжения для авиационно-космических применений

Компания Crane Aerospace & Electronics (поставляет изделия под торговой обеспечить более плотное размещение модулей на печатной плате. Новые
маркой Interpoint) объявила о начале выпуска DC/DC-преобразователей се- устройства также отличаются присущей всем изделиям компании надеж-
рии MSA+ повышенной мощности для замены популярной серии MSA. Новая ностью при работе в жестких условиях внешней среды, имеют компактный
серия является ответом на запрос заказчиков на преобразователи напряже- корпус и способны обеспечивать полную мощность в диапазоне температур
ния с площадью основания 732 мм2 с повышенной мощностью, расширенным –55…+125 °C. Размер стального корпуса, покрытого никелем, составляет
диапазоном входного напряжения и пониженным уровнем пульсаций в вы- 27,05×27,05×8,89 мм (исполнение без крепежных фланцев).
ходном напряжении.
DC/DC-преобразователи компании Crane Interpoint широко применяют-
DC/DC-преобразователи напряжения линейки MSA+ характеризуются ся в бортовой аппаратуре спутников, военных и гражданских самолетах,
значением удельной мощности 926 Вт/дм3, диапазоном входного напря- включая Mars Rovers, Ariane 5, Joint Strike Fighter F-35 и вертолетах Apache.
жения 15–50 В, а также трансформаторной развязкой в контуре обратной
связи. Вариант исполнения со смещенными крепежными фланцами позволяет Для поставки в Россию не требуется оформления экспортной лицензии.
www.prochip.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

Реклама

44 компоненты дроссели

Синфазные дроссели
TDK-EPCoS
как решение проблемы…
синфазных дросселей

Владимир РеНТюК Синфазные дроссели — универсальное классическое средство, по-
[email protected] зволяющее решить задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП)
и, соответственно, выполнить требования по электромагнитной совме-
стимости (ЭМС). Эти устройства настолько привычны, что воспринимают-
ся как нечто, не создающее проблем. Но всегда ли синфазный дроссель
синфазный? Вот в чем вопрос, но на него есть ответ. И дело здесь в пра-
вильном выборе не только дросселя, но и его изготовителя и поставщика.

Когда разработчику радиоэлектронной фазные помехи. Для того чтобы оно соответ- полнить обмотки, поэтому в условном обо-
аппаратуры (РЭА) срочно приходится ствовало требованиям безопасности (не вы- значении дросселя данного типа (рис. 1в)
решать проблемы электромагнитной ходя за пределы тока утечки), необходимо используется две точки, чтобы указать, как
совместимости и подавления синфазных, использовать дроссели с высоким значением должны быть выполнены обмотки.
а попутно и дифференциальных помех, он асимметричной эффективной индуктив-
буквально, как утопающий за соломинку, ности. Для этой цели оптимальны дроссели Подводя итог, отметим, что синфазный
хватается за синфазный дроссель. И это пра- с компенсацией тока в топологии с закры- дроссель выглядит как простой проводник
вильно. Казалось бы, тут все просто и понят- тым сердечником. Проблема насыщения для дифференциальных сигналов и как ин-
но, про синфазные дроссели и их примене- сердечника за счет полезного тока в этих дуктивность для синфазных сигналов. Одно
ние написано много, да и выбор их богатый, конструкциях решается выбором материа- из преимуществ этих видов дросселей за-
в конце концов, можно и самому его сделать, ла сердечника, но самое главное — намот- ключается в том, что они не будут насыщать-
намотав, например, на ферритовое кольцо кой двух катушек с равным числом витков ся токами дифференциального режима. Для
две проволочки. Однако проблемы, как и на сердечнике. Катушки связаны таким обра- этих связанных индуктивностей коэффици-
дьявол, кроются в деталях. зом, что магнитный поток, индуцированный ент связи k может быть рассчитан по фор-
верхней катушкой, компенсируется нижней муле (1):
В общем представлении синфазный дрос- катушкой.
сель — это связанная индуктивность, в нем k = M√L1L2, (1)
на одном сердечнике намотаны как мини- Для подобного идеального дросселя маг-
мум две катушки (бывает, и три, и четыре). нитный поток в сердечнике обусловлен тем, где M — коэффициент взаимной индуктив-
Кстати, для получения синфазного дросселя что токи дифференциального режима iDM ности, а L1, L2 — индуктивности для обеих
очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это (рис. 1а) компенсируют друг друга, что при- обмоток.
разработчикам РЭА хорошо известно. Но в водит к нулевому сопротивлению (точнее,
нашем случае, чтобы понять, где тут «дья- импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Значения индуктивностей для синфазного
вол», воспользуемся принципом «повторе- Φ1 и Φ2, вызванные синфазными токами iCM и дифференциального режимов могут быть
ние — мать учения». Для ясности и простоты (рис. 1б), суммируются, что значительно уве- получены по формулам (2):
остановимся на дросселе с двумя обмотками. личивает полное сопротивление (импеданс).
Для получения такого прекрасного со всех LDM = 2(L–M) и LCM = (L+M)/2. (2)
Компактное электрическое и электронное точек зрения эффекта важно правильно вы-
оборудование в основном генерирует син- Учитывая, что индуктивности L1 и L2 рав-
ны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1,
аб в взаимная индуктивность M из формулы (1)
получается равной индуктивности L (M = L),
Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель: а индуктивности дросселя для синфазного
а) для дифференциальных токов; б) синфазных токов; в) его условное обозначение в схемах и дифференциального режимов, как сле-
дует из формул (2), соответственно, равны
LDM = 0 и LCM = L.

Таким образом, подтверждается, что мы
не обнаружим наличия импеданса для сиг-
налов дифференциального режима, но будем
иметь некоторое, определяемое индуктив-
ностью LCM значение импеданса для сигна-
лов синфазного режима. Однако спустимся

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

дроссели компоненты 45

а б
а

б

Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов
для синфазного дросселя:
а) синфазного режима;
б) дифференциального режима

с небес на землю: здесь часто возникают дру- Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA: а) синфазного режима; б) дифференциального режима
гие трудности.
Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера в [1]
На практике взаимная компенсация маг-
нитного потока в дифференциальном ре- ность увеличена. Когда речь идет о линиях явиться совершенно неожиданно. Сравнение
жиме не идеальна, этот факт разработчикам передачи, это может привести к проблемам обоих дросселей приведено на рис. 5.
РЭА хорошо известен и широко использует- с целостностью сигналов (Signal Integrity —
ся. В дифференциальном режиме импеданс наличие достаточных для безошибочной пе- Из приведенного примера ясно, насколько
не равен нулю, он определяется такой харак- редачи качественных характеристик электри- важна идеальная симметрия для двух кату-
теристикой, как индуктивность рассеяния, ческого сигнала), или если речь идет о цепях шек в дросселе. Даже в случае, когда в одной
и полезен для фильтрации сигналов диф- питания, то в приложениях с большим током из катушек отсутствует лишь один виток, им-
ференциального режима. Однако нельзя за- сердечник, вероятно, может быть насыщен педанс синфазного дросселя для синфазного
бывать и том, что в приложениях с высоким даже номинальным рабочим током. режима (рис. 5а) резко уменьшается, как, на-
током необходимо убедиться в отсутствии пример, от точки A к точке B на той же самой
эффекта насыщения сердечника дросселя. Данный тип дросселей наматывается вруч- частоте. Если говорить в целом, то несим-
ную, так что человеческие ошибки и/или метричность может быть вызвана не только
Здесь полезно обратиться к наглядному некачественные проверки конечного продукта пропуском полного витка, как в приведен-
и поучительному примеру, приведенному могут создать проблему, которую трудно бу- ном примере, но и просто нарушениями гео-
в [1]. Автор этой статьи столкнулся с крайне дет сразу обнаружить и которая способна про- метрии намотки. К сожалению, нередко этого
неприятной ситуацией, когда устройство,
проверенное им на прототипе в лаборато- аб
рии, провалилось на сертификационных ис-
пытаниях. Причем все элементы и компо- Рис. 5. Сравнение характеристик дросселей CHKA и CHKB: а) синфазного режима; б) дифференциального режима
новка были те же, что и в прототипе. Чтобы
проанализировать и понять ситуацию, автор
измерил реакцию синфазных дросселей про-
тотипа (условно названного CHKA) и заяв-
ленного на сертификацию изделия (условно
названного CHKB) с помощью векторного
анализатора цепей Bode 100. Упрощенное из-
мерение синфазного дросселя было выпол-
нено, как показано на рис. 2.

Результаты измерения дросселя, который
удовлетворительно работал в приложении
(CHKA), представлены на рис. 3.

На рис. 3 можно увидеть, насколько вели-
ко различие импедансов синфазного режима
по сравнению с дифференциальным. На вто-
ром дросселе (CHKB), снятом с изделия, на ко-
тором провалились испытания в сертифика-
ционной лаборатории, автор смог заметить
очень тонкое отличие — на одной из катушек
дросселя отсутствовал один виток (рис. 4).

У дросселя CHKA было 14 витков для L1
и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1
и 13 витков для L2. Это оказалось весьма су-
щественной разницей. Если одна из катушек
отличается от другой, то индуктивность для
синфазного сигнала будет уменьшена (соот-
ветственно, будет плохая фильтрация синфаз-
ной ЭМП), а дифференциальная индуктив-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

46 компоненты дроссели

а вторая — защитить цепи или линии пере-

дачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти про-

блемы очень различаются, соответственно,

для их решения требуются разные типы син-

фазных дросселей [5, 6]. Компания TDK и ее

структурное подразделение EPCOS предлага-

ют универсальные решения для обеих про-

блем. В портфелях предложений компании

имеются синфазные дроссели на любой вкус

д и цвет — от традиционных двух- и трехобмо-

точных до четырехобмоточных проволочных,

аг рассчитанных на средние и большие токи,

а также миниатюрные многослойные и тонко-

пленочные, предназначенные для сигнальных

цепей, и сборки из нескольких дросселей, вы-

полненные в одном корпусе [3].

Что касается продукции головной компа-

нии TDK, выбор подходящего синфазного

дросселя проще всего осуществить по путе-

водителю [3], в котором приведены нагляд-

ные примеры применения тех или иных

бв е серий, и по таблицам с необходимыми ги-

перссылками на сайт компании:

Рис. 6. Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания: • Для выбора синфазных дросселей коммер-
а) серия B82724J8-N; б) серия B82732R; в) серия B82732W; г) серия B82724B;
д) серия B82747S6313; е) серия B82725S2* ческого назначения для сигнальных линий

[7].

• Для выбора синфазных дросселей авто-

мобильного назначения для сигнальных

нарушения шага намотки (не забываем, что В качестве выхода из ситуации можно пред- линий [8].
в формулу для расчета индуктивности вхо- ложить использовать для критических прило-
дит величина, обратная длине обмотки, сле- жений синфазные дроссели от поставщиков, • Для выбора синфазных дросселей автомо-
довательно, при равных условиях неплотно имеющих надежную репутацию на рынке.
намотанная катушка будет иметь меньшую Одним из таких поставщиков является TDK бильного назначения для линий питания [9].
индуктивность) или пропуска части витка Corporation — японская компания, занимаю-
при терминации просто не замечают. Вот щаяся производством электронных компо- Что касается продукции EPCOS, чита-
почему для ответственных применений, нентов и носителей информации. Название
особенно это касается высокочастотных произошло из исходного японского наиме- тель найдет дроссели для линий питания
приложений, не рекомендуется их самостоя- нования компании Tokyo Denkikagaku Kōgyō.
тельное, часто полукустарное, изготовление. Компания, основанная Кензо Сайто (Kenzo по ссылке [10], а дроссели для линий дан-
Saito) еще в 1935 году, первой в мире поняла
Результатом нарушения исполнения син- перспективу и начала специализироваться ных и сигнальных линий — по ссылке [11].
фазного дросселя будет низкая эффектив- на изготовлении ферритов, незадолго до этого
ность фильтрации синфазных сигналов открытых докторами Йогоро Като (Dr. Yogoro Внешний вид некоторых синфазных дрос-
ЭМП в области высоких частот — для чего, Kato) и Такеши Такеи (Dr. Takeshi Takei)
собственно, эти дроссели и используются. из Токийского технологического института. селей компании EPCOS для линий питания
Таким же образом индуктивность в диффе- С тех пор TDK остается одним из ведущих
ренциальном режиме увеличивается от A до B производителей, успешно работающих в этой показан на рис. 6. Поскольку ассортимент
(рис. 5б) с типичным эффектом насыщения области. Позиции компании по выпуску эле-
сердечника или нарушениями целостности ментов из ферритовых материалов значитель- продукции компании TDK все время об-
сигнала из-за снижения частоты среза филь- но усилились в 2008 году после приобретения
тра, образованного индуктивностью рассея- 90% акций еще одной известной компании новляется, для оптимального выбора ком-
ния и в зависимости от включения дросселя EPCOS AG (Electronic Parts and Components) —
входной или выходной емкостью [5]. европейского лидера по производству пассив- понентов необходимо обратиться к сай-
ных электронных компонентов. Объединение
Отсюда следует вывод: чтобы вы могли таких брендов и их технологий позволило вы- ту европейского представительства TDK
спать спокойно, пока ваше изделие прохо- вести на рынок изделия, в качестве, надежно-
дит квалификацию в сертификационной сти и технических характеристиках которых Electronics — TDK Europe [12], где доступна
лаборатории (впрочем, по опыту автора на- можно не сомневаться. В том числе компания
стоящей статьи, спокойно спать сложно [2], выпускает синфазные дроссели, специально вся необходимая информация, или к ее ав-
но по крайней мере вас не будут мучить кош- разработанные для подавления ЭМП и реше-
мары: сертификация — дело небыстрое и до- ния вопросов ЭМС [3, 4]. торизованным региональным представи-
рогое), — будьте осторожны с недорогими
и, как правило, не гарантирующими долж- Как уже было сказано, синфазные дроссе- телям. Кроме того, компания имеет службу
ного качества компонентами. Это касается ли помогают решить две важные проблемы
не только идеальности намотки, но и матери- по ЭМС. Первая — очистить цепи питания технической поддержки, которая оказывает
алов, из которых они изготовлены, посколь- от ЭМП, то есть уменьшить их излучение це-
ку последние влияют на точность соблюде- пями питания и линиями их подключения, клиентам всестороннюю помощь. n
ния индуктивности и ток насыщения.
Литература

1. M e d i a n o A . B e C a r e f u l w i t h L o w
Cost/Quality Common Mode Chokes. www.
interferencetechnology.com/be-careful-with-low-
cost-quality-common-mode-chokes

2. Рентюк В. Электромагнитная совместимость:
проблема, от решения которой не уйти // Ком-
поненты и технологии. 2017. № 7.

3. Guidebook for TDK Inductors & Noise Suppression
Components. www.tdk.com/news_center/
publications/inductors_world/pdf/aaa60300.pdf

4. Рентюк В. Многослойные ферритовые эле-
менты компании TDK EPCOS — эффек-
тивное и удобное решение проблемы ЭМС.
В сб.: Электромагнитная совместимость в элек-
тронике. 2018.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

дроссели компоненты 47

5. Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: 9. Common Mode Filters/Chokes for Power Supply Lines Selection Guide
входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. 2015. № 8. (Automotive Grade). www.product.tdk.com/info/en/products/emc/emc/
cmf_cmc/technote/cmf-selection-guide_automotive_power.html
6. Рентюк В. Синфазные дроссели для высокоскоростных интерфейсов:
рекомендации по выбору // Компоненты и технологии. 2017. № 9. 10. Power Line Chokes (EPCOS). www.tdk-electronics.tdk.com/en/530144/
products/product-catalog/emc-components/power-line-chokes--epcos-
7. Selection Guide for Signal Line Common Mode Filters/Chokes (Commercial
Grade). www.product.tdk.com/info/en/products/emc/emc/cmf_cmc/technote/ 11. EPCOS Data and Signal Line Chokes.
cmf-selection-guide.html www.tdk-electronics.tdk.com/en/530130/products/product-catalog/
emc-components/data-and-signal-line-chokes---common-mode-filters-/
8. Selection Guide for Signal Line Common Mode Filters/Chokes (Automotive epcos-data-and-signal-line-chokes
Grade). www.product.tdk.com/info/en/products/emc/emc/cmf_cmc/technote/
cmf-selection-guide_automotive.html 12. www.tdk-electronics.tdk.com/en

новости источники питания

Новые ультракомпактные четырехканальные DC/DC-преобразователи
от Analog Devices

Компания Analog Devices выпустила на рынок ния в приложениях с более высоким выходным принудительно-непрерывный и режим с внешней
ультракомпактные четырехканальные DC/DC- напряжением — до 5 В, тогда как у LTM4668 ре-
преобразователи серии LTM4668 и LTM4668A комендованное выходное напряжение не пре- синхронизацией. Переключение режимов работы
с интегрированными индуктивностями и поле- вышает 1,8 В. Внутренняя частота переключе-
выми транзисторами. Данные преобразовате- ния у LTM4668 и LTM4668A фиксированная: осуществляется как автоматически, так c помощью
ли имеют возможность гибкой многовариант- 1 МГц для LTM4668 и 2,25 МГц для LTM4668A.
ной настройки количества выходных каналов. Преобразователи LTM4668 и LTM4668A под- вывода MODE/SYNC.
Версия LTM4668A отличается от LTM4668 тем, держивают четыре режима работы: режим малой
что LTM4668A рекомендована для использова- нагрузки (Burst mode), частотно-импульсный, Основные технические характеристики:

• Возможные конфигурации выходов:
– четыре по 1,2 А;

– три 2,4, 1,2 А, 1,2 А;

– два по 2,4 А;

– один 4,8 А.

• Uвх: 2,7–17 В.
• Uвых: 0,6–1,8/5,5 В.
• Imax на канал: 1,2 A.
• Частота переключения: 1/2,25 МГц.
• Корпус: BGA-49.
• Размер: 6,25×6,25×2,1 мм.

www.teson.ru

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

48 компоненты

Российская микросхема
контроллера горячей замены

Владимир РыжКОВ В статье кратко описаны назначение, принцип работы, конструкция, тех-
[email protected] нические характеристики и рекомендации по применению российской
микросхемы контроллера горячей замены — К5329еУ034.

Микросхема контроллера горячей замены позволяет безо- АО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов с особым
пасно заменять модули, смонтированные в общей стойке, конструкторским бюро», один из разработчиков и изготовителей инте-
не выключая ее питания и ограничивая пусковой ток. Кроме гральных микросхем и полупроводниковых приборов в России, создал
этого, во время работы микросхема обеспечивает непрерывный кон- КМОП-микросхему контроллера горячей замены — К5329ЕУ034.
троль за величиной напряжения питания и тока в выходной цепи.
Внутренний драйвер управляет затвором внешнего n-канального Микросхема К5329ЕУ034 выполнена в 16-выводном металлокера-
МОП-транзистора в отрицательной или положительной цепи ис- мическом корпусе типа 402.16-39 по ГОСТ 17467-88. Условное графи-
точника напряжения, как показано на рис. 1. Подробное описание ческое обозначение представлено на рис. 2, а назначение выводов —
работы и конструкции контроллеров горячей замены широко пред- в таблице 1.
ставлены в литературе [1, 2].
Ближайшим функциональным аналогом микросхемы К5329ЕУ034
Таблица 1. Назначение выводов микросхемы К5329ЕУ034 является микросхема LT4250H фирмы Linear Technology [3].

№ вывода Обозначение Назначение Микросхема К5329ЕУ034 реализована по стандартной КМОП-тех-
нологии на эпитаксиальной кремниевой подложке.
1 Vdd Питание (положительная цепь)
2 RETRY Вход программирования повторного запуска после ошибки Структурная схема микросхемы К5329ЕУ034 представлена на рис. 3.
3 Вход датчика пониженного напряжения В состав микросхемы входят:
4 UV Вход датчика повышенного напряжения • блок таймера (А1);
5 OV Вход регулировки тока опорного стабилитрона • блок формирования опорных напряжений и защиты (А2);
6 RX Вход подключения внешнего опорного стабилитрона • усилитель ошибки максимального тока (OP1);
7 VDX Вход таймера для подключения внешнего конденсатора • драйвер силового МОП-транзистора (VT4–VT6, I3–I4);
8 TIMER Питание (общий) • формирователь сигнала PWRGD (CP3, CP4, D8).
9 Vss Выход драйвера для подключения затвора внешнего МОП-транзистора
10 GATE Вход драйвера для подключения стока внешнего МОП-транзистора Микросхема К5329ЕУ034 соответствует электрическим параметрам
11 DRAIN Вход подключения датчика тока и истока внешнего МОП-транзистора и условиям эксплуатации, указанным в таблице 2. На рис. 4 представле-
13 SENSE Выход сигнала успешного запуска на рекомендуемая типовая схема включения микросхемы К5329ЕУ034.
16 PWRGD Вывод внутреннего стабилизатора напряжения системы управления Используя соответствующие формулы для расчета номиналов ре-
Vcc зисторов R1, R3, R6, можно настроить схему на широкий диапазон
порогов выключения при пониженном и при повышенном напря-
Таблица 2. Электрические параметры микросхемы К5329ЕУ034 при –60…+85 °C жении источника U1. Максимальный пусковой ток задается резисто-
ром R5. Время включения силового транзистора VT1 и заряда всей
Наименование параметра, Буквенное Норма параметра Температура выходной цепи (RL, CL) определяется номиналом конденсатора С4.
единица измерения, обозначение окружающей Формулы для расчета номиналов элементов типовой схемы включе-
режим измерения не менее не более среды (корпуса), °С ния имеются в техническом описании микросхемы [4].
параметра
Ток потребления, мА, ICC – 5 25 ±10 Рис. 1. Схема устройства модуля с горячим подключением
при UVdd = 48 В UUVL 7 –(60 ±3)
1,075 7
Пониженное напряжение блокировки tSENSE 1,05 1,125 85 ±3
на внешнем выводе UV, В, UCL 1,05 1,15 25 ±10
при UVdd = 48 В IIS 1,15 –(60 ±3)
UUVHYST – 3 85 ±3
Скорость переключения, мкс, UOVH 5 25 ±10
при UVdd = 48 В UOVHYST 40 5 –(60 ±3)
30 50 85 ±3
Напряжение на датчике тока в схеме 30 60 25 ±10
ограничения по току, мВ, 60 –(60 ±3)
при UVdd = 48 В – 70 85 ±3
100 25 ±10
Входной ток датчика тока, мкА, 90 100 –(60 ±3)
при UVdd = 48 В 70 130 85 ±3
70 150 25 ±10
Гистерезис пониженного напряжения 1,205 150 –(60 ±3)
блокировки на внешнем выводе, мВ, 1,185 1,255 85 ±3
1,185 1,275 25 ±10
при UVdd = 48 В 90 1,275 –(60 ±3)
Повышенное напряжение блокировки 70 130 85 ±3
70 150 25 ±10
на внешнем выводе OV, В, 150 –(60 ±3)
при UVdd = 48 В 85 ±3

Гистерезис повышенного напряжения
блокировки на внешнем выводе, мВ,

при UVdd = 48 В

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020