РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ КОМУТАЦІЙНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛУ ТЕРМО-ЕРС
Використання операційних підсилювачів для підсилення сигналів
термо-ЕРС не дозволяє ефективно проводити підсилення сигналів, амплітуда яких
становить десятки мікровольт. Це пов'язано з наявністю температурного дрейфу,
зсувом нуля, високим рівнем приведених до входу власних шумів підсилювального
тракту. Використання М-Д-М схем також не приводить до бажаного результату,
оскільки процес модуляції корисного сигналу
супроводжується комутаційними шумами, які виникають при комутаціях ключів
модулятора. Крім того окремого вирішення вимагає задача узгодження рівнів шуму
термопари і підсилювача.
У даному розділі розглядається комутаційний спосіб перетворення
термо-ЕРС, який дозволяє не тільки виконати модуляцію сигналу постійного
струму, але і реалізувати узгодження за рівнем шуму. В результаті теоретичного
аналізу схемотехнічних рішень, в яких реалізовано цей спосіб, запропоновано
схеми комутаційних перетворювачів з малим рівнем комутаційного шуму, можливістю
калібрування, контролю дрейфу нуля, високою
завадостійкістю. Окремо розглянуто електромагнітні процеси в базовому варіанті
комутаційного перетворювача та отримано вирази, що описують вихідний сигнал і
функцію перетворення комутаційного перетворювача, визначено оптимальний режим
його роботи.
2.1 Комутаційний спосіб перетворення термо-ЕРС
Для підвищення чутливості вимірювання температури за допомогою
термоелектричного перетворювача пропонується спосіб комутаційного
перетворення термо-ЕРС, суть якого полягає в перетворенні електричної
енергії, що генерується термопарою, в короткий імпульс вихідної напруги.
Реалізація комутаційного способу перетворення термо-ЕРС відбувається в два
етапи (рис. 2.1). Комутаційне перетворення термо-ЕРС можна пояснити за
допомогою представленої на рис. 2.2а схеми. На першому етапі при замкнутому
ключі Кл1 через індуктивність L протікає термострум, що супроводжується
перетворенням електричної енергії, джерелом якої є термопара, в енергію
магнітного поля котушки індуктивності. На схемі термо-ЕРС, що розвивається
термопарою, враховано за допомогою джерела ЕРС –, опір враховує опори термопари
та дроту котушки індуктивності, а опір – опір ключа в розімкнутому стані.
Значення струму в схемі на першому етапі визначається виразом:
. (2.1)
Протягом другого етапу в результаті розмикання ключа Кл1 відбувається
формування з накопиченої енергії короткого імпульсу вихідної напруги (рис
2.2а). Часова залежність струму в колі після комутації визначається
диференційним рівнянням:
. (2.2)
Рішення рівняння (2.2) має вид:
де .
Часова залежність напруги на затискачах індуктивного накопичувача (рис. 2.2б)
визначається виразом:
Максимальне значення напруги дорівнює:
Звідки відношення амплітуди перехідного процесу до величини термо-ЕРС дорівнює:
.
Таким чином, в результаті комутаційного перетворення амплітуда перехідного
процесу перевищує величину термо-ЕРС в раз. Відношення легко може досягати
значень порядку 102ё103, що зумовлює збільшення чутливості в стільки ж разів.
Отже, в результаті розмикання ланцюга термопари має місце модуляція сигналу
термопари, тобто перенесення спектру корисного сигналу у високочастотну
область, що є ще однією перевагою запропонованого методу.
Необхідно врахувати, що з метою виключення впливу на результат комутаційного
перетворення термо-ЕРС режиму встановлення струму в котушці, комутація ключа
повинна проводитись для сталого значення струму в
індуктивному накопичувачі (рис.2.3). Якщо задатися похибкою досягнення сталого
значення струму на рівні 5%, то значення часу, коли ключ замкнуто, визначається
формулою:
де .
А значення часу, коли ключ розімкнуто, – .
Нижче розглянуто схемотехнічні рішення перетворювачів, в яких
реалізується комутаційне перетворення термо-ЕРС, що дозволяють підвищити
чутливість і точність вимірювання температури за допомогою термопари.
Рисунок 2.1 – Схема комутаційного перетворення термо-ЕРС
а)
б)
Рисунок 2.2 – Комутаційний перетворювач термо-ЕРС: а) – схема комутаційного
перетворювача термо-ЕРС; б) – вихідний сигнал комутаційного перетворювача
термо-ЕРС
Рисунок 2.3 – Епюри струму в котушці комутаційного перетворювача термо-ЕРС
2.2 Теоретичне дослідження схемотехнічних рішень комутаційного перетворювача
Особливістю комутаційного перетворення є перетворення термо-ЕРС в сигнал
змінного струму з одночасним багатократним збільшенням амплітуди останнього. В
основі комутаційного перетворення лежить періодична робота ключа, за допомогою
якого здійснюється комутація електричного ланцюга, що складається, у
найпростішому випадку, з термопари і індуктивності. В якості ключового елементу
в схемі комутаційного перетворювача описаного в [72] використовується польовий
транзистор. Процес перемикання польового транзистора супроводжується появою
комутаційної завади обумовленої перезарядом ємності затвор-канал. Максимальна
амплітуда комутаційного шуму відповідає процесу розмикання ключа. Моменти часу
появи інформаційного сигналу і комутаційної завади співпадають, внаслідок чого
має місце накладення завади і вихідного сигналу. Поява комутаційної завади в
цьому випадку є причиною додаткової похибки систематичного характеру.
В роботах [61, 73-74] детально розглянуто та проаналізовано методи створення
динамічно-компенсованих ключів. Проте автори вказують, що вибір амплітуди та
форми керуючих імпульсів дозволяє знизити величину комутаційних завад лише в
2ё3 рази.
У комутаційному перетворювачі термо-ЕРС пропонується проводити електромагнітну
компенсацію комутаційного шуму в сердечнику трансформатора. Для цього
вик
- Київ+380960830922