Проектирование анализаторов реактивных компонентов в электронных системах контроля и управления

ЦыбовН.Н. TsybovN. N.

кандидат технических наук, заведующий лабораторией электронного моделирования, Кыргызский государственныйуниверситет строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова, г. Бишкек, Республика Кыргызстан

УДК 621.317.73

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛИЗАТОРОВ РЕАКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

В процессе проектирования электронных систем контроля и управления процессами в электрических цепях актуальной является задача расчета и измерения параметров реактивных компонентов электрических цепей в широком диапазоне частот. На настоящий момент промышленностью выпускается широкий ряд измерителей реактивных компонентов. На этапе проектирования и отработки параметров электроизмерительных устройств с целью обеспечения их надежности необходима проверка их функционирования в широком диапазоне частот. Существующие же на сегодня промышленно выпускаемые приборы функционируют на конкретно определенных частотах или в весьма узком диапазоне конкретных частот. В связи с этим существует актуальная задача проектирования измерителей реактивных компонентов, функционирующих в широком диапазоне частот, от низких до сверхвысоких. В статье автором проводится анализ характеристик существующих промышленно выпускаемых измерителей реактивных компонентов, а также анализ существующих традиционных методов измерений реактивных компонентов электрических цепей. В статье приведены варианты моделей компонентов электрических цепей и их схемы замещения на низких и высоких частотах. В статье приведен пример создания Z-анализатора комплексных сопротивлений активных многополюсников с концентрированными и распределенными параметрами. Предложенный Z-анализатор, функционирующий в широком диапазоне частот и имеющий повышенную точность измерений, может быть использован при измерении частотных характеристик реактивных компонентов электрических цепей. В предлагаемом устройстве расширенный частотный диапазон измерения реактивных составляющих полного сопротивления получен за счет введения в устройство трех генераторов низкой частоты, высокой частоты и сверхвысокой частоты. Увеличение точности измерений получено за счет введения двух самостоятельно работающих масштабирующих усилителей тока и напряжения, которые оптимизируют диапазон амплитудных значений тока и напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя.

Ключевые слова: паразитные компоненты, реактивные компоненты, измерители, анализаторы, иммитанс, импеданс, RLC-измеритель.

DESIGNING ANALYZERS REACTIVE COMPONENTS IN ELECTRONICS SYSTEMS OF CONTROL AND MANAGEMENT

In the process of designing electronic systems for monitoring and controlling processes in electrical circuits, the problem of calculating and measuring the parameters of reactive components of electrical circuits over a wide frequency range is topical. At the moment, the industry produces a wide range of meters of reactive components. At the stage of designing and testing the parameters of electrical measuring devices to ensure their reliability, it is necessary to check their functioning over a wide range of frequencies. Existing for today industrially produced devices operates at specific frequencies or in a very narrow range of specific frequencies. In this regard,

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018

there is an urgent task of designing meters of reactive components operating in a wide range of frequencies, from low to ultrahigh (microwave). In the article the author analyzes the characteristics of existing commercially available meters of reactive components, as well as analyzes existing conventional methods for measuring reactive components of electrical circuits. The article presents variants of models of components of electrical circuits and their substitution schemes at low and high frequencies. The article gives an example of creating a Z-analyzer of complex resistances of active multipoles with concentrated and distributed parameters. The proposed Z-analyzer, operating in a wide frequency range and having increased measurement accuracy, can be used for measuring the frequency characteristics of reactive components of electrical circuits. In the proposed device, the extended frequency range for measuring the reactive components of the impedance is obtained by introducing three low-frequency, high frequency and ultra-high frequency generators into the device. The increase in the accuracy of measurements is obtained by introducing two independently operating scaling current and voltage amplifiers that optimize the amplitude range of the current and voltage at the input of the analog-to-digital converter.

Key words: parasitic components, reactive components, meters, analyzers, immitance, impedance, RLC-meter.

Все без исключения реальные компоненты любой электрической цепи содержат паразитные реактивные компоненты, при инженерных расчетах которыми на низких частотах пренебрегают. На высоких частотах наличие паразитных реактивных и активных составляющих характерно как для самих электронных компонентов, так и для элементов конструкции самого устройства.

Рассмотрим достоинства и недостатки традиционных способов определения реактивных компонентов.

Резонансный метод. При применении резонансного метода измеряются параметры «рабочего элемента», резонансной частоты контура, образованного измеряемой цепью и «рабочим элементом»-образцовой емкостью или индуктивностью (рисунок 1). Достоинством метода является возможность определения параметров емкости индуктивности в действующих значениях и есть возможность определения параметров самих паразитных составляющих.

Рисунок 1. Резонансный метод определения реактивных компонентов

Метода дискретного счета. Применение метода дискретного счета основано на определении параметров апериодического процесса, полученного в результате подключения к «образцовому» резистору заряженного конденсатора. Этот метод имеет высокую точность измерений. К недостаткам метода дискретного счета можно отнести: заметное влияние нестабильности параметров образцовых резисторов и конденсаторов, а также погрешность установки частоты генератора и нестабильность его амплитуды колебаний.

Метод амперметра, вольтметра и ваттметра. Этот метод применяется в условиях, не требующих высокой точности (рисунок 2) [1]. Полное сопротивление при этом определяется из выражения:

Активная составляющая полного сопротивления определяется из выражения:

Реактивная составляющая полного сопротивления определяется из выражения:

X = у1г2-Я2. (3) а емкость

Индуктивность при этом определяется из выражения:

L =

X

2nf

из выражения:

с= ;

2 л: f -X

Рисунок 2. Метод амперметра, вольтметра и ваттметра

Мостовой метод четырехплечего моста является наиболее применяемым при измерениях реактивных компонентов.

Условия для равновесия моста (рисунок 3) соблюдаются при выполнении соотношения: 2г24 = 222,= (Я, +]Х>)- (Я4 +]Х4) =

= (Я2+]Х2)-(113+]Х3). (7) Из уравнения (7) получаем уравнения для вещественных и мнимых членов:

' _Х1'Х4 = К

а.] • х4+х^ • я4 = ' х3+х2' я3.

Это значит, что балансировка моста производится управлением двумя параметрами. Мостовой метод, как правило, реализуется на базе сбалансированного моста. В отличие от схемы измерений на базе несбалансированного моста уравновешенный мост не предъявляет особых требований по стабилизации напряжения питания моста, и нет необходимости градуировки шкалы «измерительного элемента» в единицах сопротивления.

Сами реактивные компоненты индуктивность и емкость всегда содержат паразитные составляющие — паразитную емкостную,

индуктивную и активную составляющие. Реальный резистор можно считать с большим приближением активным на сравнительно низких частотах. При значительном повышении частоты начинает проявляться влияние паразитной индуктивности резистора Ьк (рисунок 4) [2]. Влияние паразитной индуктивности Ьк обусловлено появлением изменяющегося магнитного поля при прохождении через резистор переменного тока, что соответственно вызывает появление ЭДС самоиндукции. При дальнейшем повышении частоты начинает проявляться паразитная емкость резистора Ск. Влияние паразитной емкости Ск обусловлено образованным между выводами реального резистора переменным электрическим полем. Наличие паразитной емкости Ск приводит к протеканию «дополнительного тока» между выводами резистора. Параметры сопротивления в высокочастотной области описываются в соответствии с законом Ома следующим выражением:

i(t)=m=G.u{ty

к

Рисунок 3. Одинарный четырехплечий измерительный мост

Рисунок 4. Эквивалентная схема замещения реального резистора на высоких частотах

112-

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018

Влияние паразитных составляющих на различные типы резисторов различно и зависит от конструкции и технологии изготовления. К примеру, паразитная индуктивная составляющая у пленочных резисторов выражена намного меньше, чем у проволочных резисторов, но они имеют большую паразитную емкостную составляющую, образованную между телом пленочного резистора и печатной платой.

Схема замещения реальной емкости (конденсатора) в низкочастотной области может приближенно быть представлена одним емкостным элементом [2]. При повышении частоты (рисунок 5) у реального конденсатора проявляются паразитные компоненты — активная и индуктивная составляющие. Это сопротивление утечки Я8 (на схеме замещения включено параллельно емкости), сопротивление потерь (на схеме замещения включено последовательно емкости), индуктивность выводов конденсатора Гс (на схеме замещения включено последовательно емкости). Влияние паразитной индуктивности Гс обусловлено воздействием на конденсатор переменного напряжения, в результате которого появляется изменяющееся магнитное поле. Функционирование конденсатора в электрических цепях описывается следующим выражением [3]:

- т с

Ре

Ьс

Со

Рисунок 5. Эквивалентная схема замещения реального конденсатора на высоких частотах

Реальная индуктивность в виду конечного значения сечения провода обмотки всегда имеет паразитную активную составляющую — сопротивление потерь провода обмотки Яв (рисунок 6). С повышением частоты переменного напряжения в индуктивности образуются переменное электрическое и магнитное поля. Вследствие этого возникает ЭДС самоиндукции. Наличие ЭДС самоиндукции способствует появлению переменного элек-

трического поля, в результате чего между витками индуктивности образуется ток смещения. Потери в ферромагнитном сердечнике на схеме замещения реальной индуктивности обозначены Яр, а межвитковая емкость индуктивности обозначена Свит.

-С

1_о

-ГУУУЛ-

Свит

Рисунок 6. Эквивалентная схема замещения реальной индуктивности на высоких частотах

Параметры катушки индуктивности описываются следующими выражениями:

Ш

1 ¿//(0 ь &

I

\UMdT.

Для измерений реактивных компонентов в настоящее время промышленностью выпускаются следующие модели ЯЬС-измерителей [4]: ЯТС М1С-4070Э, ЯТС Е7-22, измерение осуществляется на частотах 120 Гц и 1 КГц; МТ 4080А и МТ 4080Б измерение осуществляется на частотах 100 Гц, 120 Гц, 1кГц,10 кГц;МТ 4080Э измерение осуществляется на частотах 100 кГц; ГСЯ 816 измерение осуществляется на частотах 2 кГц; ГСЯ 817 измерение осуществляется на частотах 10 кГц; ГСЯ 827 измерение осуществляется на частотах 10 кГц; ГСЯ 819 измерение осуществляется на частоте 100 кГц; ГСЯ 829 измерение осуществляется на частоте 100 кГц; Е7-20 измерение осуществляется в диапазоне частот 25-999 Гц с шагом 1 Гц и0,1-1 МГц с шагом 1 кГц.

Наибольший интерес для настоящих исследований представляет собой «цифровой измеритель иммитанса Е7-20. ЯГС-измеритель Е7-20 функционирует при классе точности 0,1 в диапазоне частот 25-999 Гц при шаге измерений 1 Гц и в диапазоне частот 0,1-1 МГц при шаге измерений 1 кГц. ЯТС-измеритель Е7-20 предназначен для измерения как реактивных сопротивлений,

так и параметров емкостей, катушек индуктивности и сопротивлений. К недостаткам ЯЬС-измерителя Е7-20 можно отнести только не достаточно широкий частотный диапазон измерений.

С позиции традиционных видов измерений вышеперечисленные КЬС-измерители обладают достаточно высокой точностью измерений и в большинстве случаев удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Но в ряде случаев, когда при исследовании параметров электронных устройств необходима подробная информация в широком диапазоне измеряемых частот, то вышеперечисленные ЯЬС-измерители не могут быть использованы при построении частотных характеристик реактивных компонентов исследуемых электрических цепей; все они имеют ограниченное количество частот, на которых осуществляются измерения.

Для решения задачи построения частотных характеристик реактивных компонентов и определения их параметров нами разработан /-анализатор составляющих комплексного сопротивления (положительное решение о выдаче патента на изобретение №20170132.1 от31 мая 2018 г.) [5].

Целью проектирования Z-aнaлизaтopa составляющих комплексного сопротивления является создание измерителя реактивных компонентов, позволяющих анализировать частотные характеристики реактивных компонентов в широком диапазоне частот. Разработанный /-анализатор составляющих комплексного сопротивления относится к технике электро-радиоизмерений и может быть использован при построении частотных характеристик реактивных компонентов электрических цепей (рисунок 7). Прототипом разработанного /-анализатора составляющих комплексного сопротивления является ЯЬС-измеритель Е7-20 (разработка Минского научно-исследовательского приборостроительного института).

Выполнение поставленной задачи в данном исследовании решается за счет использования в приборе трех управляемых генераторов НЧ, ВЧ и СВЧ, коммутатора генераторов и двух масштабирующих усилителей по току и напряжению. Процесс измерения реактивных компонентов при помощи /-анализатора составляющих полного комплексного сопротивления происходит следующим образом.

Рисунок 7. Структурная схема Z-анализатора составляющих комплексного сопротивления

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018

Перед началом измерений устанавливается с панели управления 3 диапазон измерения: выборочно НЧ, ВЧ, СВЧ или весь диапазон от НЧ до СВЧ. Измеряемый компонент подключается к входному измерительному узлу 10. По команде микроконтроллера 1 напряжения рабочих частот с генератора 2 НЧ через коммутатор 9 поступает на вход входного измерительного узла 10. В соответствии с сигналами управления, поступающими с микроконтроллера 1, генератор 2 НЧ меняет плавно частоту выходного сигнала от минимального до максимального своего значения. Генератор 2 НЧ генерирует одновременно два напряжения: с первого выхода генератора — синусоидальное, а со второго — прямоугольной формы. При этом фронт сигнала прямоугольной формы совпадает с моментом перехода синусоидального напряжения через ноль. Сигнал, прошедший с генератора 2 НЧ через коммутатор 9, проходит через измеряемый компонент и преобразуется во входном измерительном узле 10 в сигнал, пропорциональный току, протекающему через измерительный объект,

Список литературы

1. Ольшовец П. Модификация косвенных методов определения параметров электрических двухполюсников // Приборы и методы измерений. 2014. № 2 (9). Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary _23217479_97110268.pdf.

2. Математические модели компонентов. Заглавие с экрана. Режим доступа, https:// studfiles.net/preview/6145699/page:3.

3. Конденсаторэлектрический. Принцип работы. Емкость. Математическая модель. Схемы. Типы, виды, категории, классификация. Заглавие с экрана. Режим доступа, http:// gyrator.ru/circuitry-capacitor.

4. Дедюхин A.A. Обзор современных измерителей импеданса. (Измерители RLC). Заглавие с экрана. Режим доступа, https:// prist.ru/info/articles/lcr-meters.htm.

5. Z-анализатор составляющих комплексного сопротивления / Цыбов H.H., Шаршеналиев Ж.Ш. Заявка на изобретение № 20170132.1 от 06 декабря 2017 г. Положительное решение о выдаче патента от 31.05.2018 г.

и в сигнал, пропорциональный напряжению на нем. Далее с помощью коммутатора сигналов тока и напряжения 6 сигналы с выхода входного измерительного узла 10 подаются для оцифровки на вход АЦП 5, после чего подаются для окончательной обработки на микроконтроллер 1. По завершению цикла обработки сигналов всего рабочего диапазона частот генератора 2 НЧ микроконтроллер дает сигналы на обработку сигналов рабочих частот генератора 7 ВЧ и генератора 8 СВЧ. Результаты окончательной обработки сигналов в микроконтроллере 1 отображаются на мониторе 4.

Выводы

1. Расширенный частотный диапазон измерения реактивных составляющих полного сопротивления получен за счет введения в устройство трех генераторов НЧ, ВЧ и СВЧ.

2. Увеличение точности измерений получено за счет введения двух самостоятельно работающих масштабирующих усилителей тока и напряжения.

References

1. Ol'shovets P. Modification of Indirect Methods for Determining the Parameters of Electric Two-Terminal. Instruments and Methods of Measurement, 2014, No. 2 (9). Available at: https://elibrary.ru/download/ elibrary_23217479_97110268.pdf. [inRussian],

2. Mathematical Models of Components. Zaglavie s ekrana. Available at: https://studfiles. net/preview/6145699/page:3. [in Russian],

3. Electric Capacitor. Principle of Operation. Capacity. Mathematical Model. Scheme. Types, Types, Categories, Classification. Zaglavie s ekrana. Available at: http://gyrator.ru/ circuitry-capacitor. [inRussian],

4. Dedyukhin A.A. Overview of Modern Impedance Meters. (RLCMeters). Zaglavie s ekrana. Available at: https://prist.ru/info/articles/ lcr-meters.htm. [inRussian],

5. Tsybov N.N., Sharshenaliev Zh.Sh. Z-Analyzer of Components of Complex Resistance. Application for Invention No. 20170132.1 dd. December 6, 2017. Positive Decision on Granting a Patent dd. May 31,2018. [in Russian],