Мостовой преобразователь сопротивления
BRIDGE RESISTANCE CONVERTER

Мостовой преобразователь сопротивления относится к аналоговой электронике и может использоваться в измерительной технике, в системах автоматического управления техническими объектами и технологическими процессами, включая системы управления релейного типа, в робототехнических системах.
Мостовая схема (Уитстона) широко известна и используется для преобразования сопротивления резистивных датчиков первичной информации о состоянии технического объекта в дифференциальное выходное напряжение:
[Устройства и элементы автоматического управления и регулирования. Техническая кибернетика. Книга 1, под. ред. Солодовникова В.В. - М., Машиностроение, 1973, 671 с. Гл. II, П.1.]:
[Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л., Энергоатомиздат, 1988, 304 с. П. 2.4];
[Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М., Сов. радио, 1979. 368 с, П4.4.];
[Меерсон А. М. Измерительная техника. - Л., Энергия, 1978, 408 с. П. 16-10].
Известно устройство для измерения скорости измерения напряжения постоянного и переменного тока [а.с. СССР №62092, кл. G01R 19/12, G01R 17/00, опубл. в бюл. изобр. №10, 1965 г. ], в котором два сопротивления двух соседних ветвей моста Уитстона изготовлены из материала с зависящим от температуры сопротивлением и выполнены с различной тепловой инерцией.
Известен микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции [патент на изобретение RU 2515309 С1, кл. G01R 27/26, опубл. в бюл. изобр. №13, 10.05.2014 г. ], в котором повышение точности измерения и контроль неэлектрических величин резистивными датчиками осуществляется уравновешиванием моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции и использованием микроконтроллера.
Во всех вышеперечисленных известных источниках информации рассматриваются особенности практического использования мостовой резистивной схемы для решения тех или иных технических задач, но не рассматривается и не реализуется задача повышения чувствительности резистивной мостовой схемы и преобразователя сопротивления на ее основе.
вых
0
вых
Под чувствительностью мостовой схемы принято отношение величины выходного дифференциального напряжения U при некотором неэлектрическом внешнем воздействии на мост к величине синфазного выходного напряжения моста U, когда он не подвергается внешнему воздействию, то есть находится в состоянии покоя, U=0. Этот параметр не зависит от типа используемого функционального сопротивления и удобен для сравнительной оценки чувствительности различных мостовых преобразователей сопротивления, имеющих различные схемотехнические особенности.
Требуемая чувствительность мостового преобразователя всегда задается, когда необходимо контролировать (измерять) неэлектрические параметры, такие как температура, освещенность или яркость, магнитный поток или магнитная индукция, линейное или угловое перемещение, давление жидкости или газа, вес предмета с помощью различного типа функциональных резисторов (терморезисторов, фотосопротивлений, магниторезисторов, тензорезисторов).
Особенно остро возникает необходимость увеличения чувствительности мостового преобразователя, когда требуется максимально широкий динамический диапазон преобразования сопротивления, особенно при низких значениях преобразуемого неэлектрического параметра.
В таких преобразователях неэлектрических величин в электрический выходной сигнал требуемая чувствительность обеспечивается включением нормирующего усилителя выходного дифференциального напряжения резистивного моста, который должен иметь очень большое входное сопротивление, требуемый коэффициент усиления по напряжению, заданную полосу пропускания и достаточную нагрузочную способность.
Использование нормирующего усилителя с требуемыми параметрами усложняет мостовой преобразователь напряжения, существенно увеличивает количество компонентов и самое главное - снижает его стабильность по температуре, причем, чем больше коэффициент усиления усилителя, тем больше дрейф его выходного напряжения по температуре.
3
4
5
1
2
0
вых
1
2
1
2
На фиг. 1 представлена наиболее распространенная в измерительной технике и релейных системах контроля и управления технологическими процессами резистивная мостовая схема, в которой R и R - постоянные резисторы, R - резистивный потенциометр для фиксирования начального состояния схемы (U=U=U и выходное напряжение U=U-U=0), R и R - функциональные резисторы, сопротивление которых зависит от внешнего какого-либо воздействия, например, температуры, светового или магнитного потока, механического давления.
1
2
вых
1
2
Функциональные резисторы располагаются близко между собой, и один из них должен быть защищен от воздействия контролируемого физического параметра. Это позволяет нейтрализовать влияние температурного дрейфа синфазных напряжений U и U на выходное дифференциальное напряжение U=U-U.
2
1
2
l
2
x
Пусть сопротивление R защищенно от внешнего воздействия, то есть маскировано. Функциональные резисторы Rи R идентичны: начальные сопротивления одинаковы R=R=R, и они имеют одинаковые коэффициенты относительно изменения сопротивления k при воздействии контролируемого физического параметра.
Дифференциальное выходное напряжение известной мостовой схемы на фиг. 1:
1
1
x
2
2
x
3
4
5
3
4
5
Если функциональный резистор R, подвергается внешнему воздействию и его сопротивление R=kR, резистор R защищен от него и его сопротивление R=R, технологический разброс сопротивлений R и R компенсирован подстроечным сопротивлением R и принято равенство R=R=R с учетом R, то функцию преобразования схемы на фиг. 1 можно представить в виде:
Функция (1) имеет экстремум.
выx
x
Решив уравнение dU/dR=0, получаем условие экстремума R=R, при котором выходное напряжение мостовой схемы имеет наибольшую величину:
x
1
2
Из функции (2) следует, что в экстремуме она не зависит от величины начального сопротивления R функциональных резисторов R и R, а зависит от напряжения электропитания моста U и коэффициента относительного изменения функциональных сопротивлений k.
1
2
0
В начальном состоянии схемы, при котором она не подвергается внешнему воздействию (k=1), синфазные напряжения U=U=U=U/2.
Чувствительность схемы на фиг. 1 будет иметь величину:
вых
Например, при U=5 В и k=1,1, U=0,119 В и N=0,048,
В измерительной технике и системах автоматического управления реальными объектами выходное напряжение моста нормируется дифференциальным усилителем напряжения с большим входным сопротивлением, поэтому нестабильность схемы по температуре будет определяться температурным дрейфом выходного напряжения усилителя. Причем, чем больше требуемый коэффициент усиления по напряжению дифференциального усилителя, тем больше температурный дрейф его выходного напряжения.
Более того, если в системе автоматического управления контролируемый параметр изменяется медленно, то дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления долго находится в активном режиме работы (на линейном участке своей статической характеристики), являясь при этом приемником электромагнитных помех.
Задачей заявленного изобретения является расширение областей практического использования мостового преобразователя сопротивления, снижение требований к параметрам дифференциального усилителя.
Технический результат - значительное увеличение чувствительности мостового преобразователя сопротивления к внешнему неэлектрическому воздействию, работоспособность мостового преобразователя сопротивления при очень слабых внешних воздействиях за счет увеличения чувствительности мостовой схемы к внешнему воздействию на функциональное сопротивление (резистивный датчик), значительное снижение требуемого коэффициента усиления дифференциального нормирующего усилителя, увеличение стабильности преобразователя по температуре, повышение устойчивости схемы к электромагнитным помехам.
Поставленная задача и технический результат достигаются в мостовом преобразователе сопротивления, состоящем из двух функциональных сопротивлений и двух транзисторных источников тока, включенных в смежные стороны моста и охваченных двумя положительными обратными связями, и двух подстроечных резисторов, сопротивление которых рассчитывается исходя из требуемой чувствительности схемы:
N=[R+({J_+_l_)Rx]R(k-1) k{R2R1 - (R+kRx)(R+Rx)
1
2
Сущность заявленного способа повышения чувствительности резистивной мостовой схемы поясняется электрической схемой на фиг.2, в которой резисторы R и R - резистивные преобразователи (датчики) контролируемого параметра (температуры, освещенности, индукции магнитного поля, электропроводности жидкости), источники тока на биполярных транзисторах VT1 и VT2, управляемые синфазными напряжениями соответственно И2 и И1, то есть связанные между собой двумя положительными обратными связями.
3
1
2
3
4
1
2
x
1
2
Подстроечный переменный резистор R служит для установки начального состояния мостовой схемы, при котором контролируемый параметр не воздействует на резистивные датчики предположить, что транзисторы VT1 и VT2 и резистивные датчики R, R имеют идентичные статические параметры (извлечены из одних упаковок предприятий-изготовителей), то можно принять равенства: R=R=R, R=R=R, и их коэффициенты преобразования одинаковы по величине. В нижеследующем анализе схемы на фиг.2 используется коэффициент R и R. Если
относительного изменения сопротивления резистивных датчиков k. Это позволяет получить простые и наглядные соотношения и формулы.
В схеме на фиг.2 используется два одинаковых резистивных датчика с целью повышения стабильности по эксплуатационной температуре выходного напряжения Ивых=И1 - И2. Пусть один из двух резистивных датчиков маскирован, то есть защищен от воздействия контролируемого параметра некоторого объекта или технологического процесса, например, R2=Rx, датчик R1 подвергается внешнему воздействию, и его сопротивление равно kRx.
Так как в схеме используются биполярные транзисторы VT1 и VT2, то их коллекторные токи 11=161{3 и 12=162{3, где {3 - коэффициент усиления по току биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Токи баз транзисторов определяются соотношениями: I 61=(И - И6э - И2)/R3 и /62=(И - И6э - И1)R4, в которых И63 - падение напряжения на смещенном в прямом направлении эмиттерном р-п переходе.
Напряжения U63 транзисторов VT1 и VT2 одинаковы и И63 « И, то токи баз можно представить в более простом виде:
3
4
или, поскольку принято равенство R=R=R,
б1
б2
Подставив токи баз транзисторов I и I в соответствующее выражение для токов коллекторов, получим:
1
2
Синфазные напряжения U и U, c помощью первого закона Кирхгофа можно записать в виде:
1
x
2
x
Если на схему на фиг.2 действует, например, световой поток, то R=kR и R=R и
1,
2
б1
б2
Подставим в эти выражения значения найденных выше токов I I, I и I, тогда получим систему уравнений:
Систему уравнений (4) и (5) можно представить в виде:
Из системы уравнений (6) и (7) находятся синфазные напряжения:
Дифференциальное выходное напряжение мостовой схемы на фиг. 2
Из выражения (10) следует, что в зависимости от того, коэффициент k < 1 (полупроводниковых сопротивлений) или k > 1 (металлических сопротивлений), дпфференциальное напряжение изменяет свою полярность.
1
2
Из соотношений (R) или (9) следует начальное состояние схемы, когда коэффициент k=1 и U-U=0:
1
2
0
0
x
Если задано напряжение U=U=U, то из выражения (11) необходимо вычислить сопротивление R. Например, если задано U=0,5 U, то необходимо выполнить условие R=R(β+1).
x
0
При R=R(β+1) и U=0,5U выражение (10) примет вид:
Чувствительность схемы в общем виде определяется отношением выражений (10) и (11):
1
2
0
x
Если синфазные напряжения в начальном состоянии схемы U=U=U=0,5U при R=R, то
0
0
Например, при U=0,5U, β=50, k = 1,1 чувствительность N = 12,75. При тех же значениях U и k чувствительность известной мостовой схемы N = 0,048. Вывод: использование заявленного устройства при одинаковых исходных данных увеличивает чувствительность резистивного моста в 265,6 раз. Если β = 45, то N = 30,67 и чувствительность схемы увеличится в 638,9 раз.
x
3
4
Из выражений (10), (11) и (13) следует, что при заданном напряжении питания U, известных начальном сопротивлении функциональных резисторов R и их коэффициенте относительного изменения k, известном коэффициенте усиления по току биполярного транзистора β, чувствительность мостовой схемы может быть очень большой, несравнимо большей, чем у известной схемы резистивного моста, если из соотношения (13) вычислить требуемое сопротивление R резисторов R и R и включить их в мостовую схему, представленную на фиг.2.
Обобщая полученные результаты анализа чувствительности мостового преобразователя сопротивления с двумя транзисторными источниками тока, связанными между собой двумя положительными обратными связями, можно ввести параметр эффективности М, который показывает, как соотносятся чувствительности N двух сравнимых схем.
В отношении заявленного мостового преобразователя сопротивления и известной мостовой схемы эффективность выражается отношением (14) к (3):
2
Из соотношений (14) и (15) видно, что при (k-1)β-(k+3)β-2(k+1)=0 чувствительность N и эффективность М стремятся к бесконечности, схема на фиг.2 становится неустойчивой.
2
Решая уравнение (k-1)β-(k+3)β-2(k+1)=0, получим недопустимое значениеβ:
Например, если k = 1,1, то не допускается β = 42.
Итак, заявленная схема мостового преобразователя сопротивления позволяет значительно увеличить чувствительность схемы ко внешнему неэлектрическому воздействию на функциональные резисторы (резистивные датчики).