PL225162B1 - Układ regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym - Google Patents

Abstract

Układ charakteryzuje się tym, że do wejścia odwracającego układu komparatora (COMP) dołączone jest wyjście detektora (DETC), który jest konwerterem RMS/DC o architekturze delta - sigma, którego wejście jest włączone pomiędzy obciążenie impedancyjne (ZL), a rezystor pomiarowy (RSENS) o małej rezystancji, które połączone są ze sobą szeregowo, przy czym drugi koniec rezystora pomiarowego (RSENS) połączony jest z masą całego układu, natomiast drugi koniec obciążenia impedancyjnego (ZL) jest połączony z wyjściem bufora prądowego (BUFF), które jest źródłem prądu dla impedancji obciążenia (ZL), zaś wejście bufora (BUFF) jest połączone z wyjściem układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA) przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym, zwłaszcza dla przetworników indukcyjnościowych jedno i dwucewkowych.

Znane są dwie wersje układów wykorzystywanych do regulacji prądu zmiennego dla obciążeń rezystancyjnych oraz impedancyjnych o charakterze indukcyjnym. Są to konwertery napięcie-prąd, które są źródłami prądowymi prądu zmiennego powszechnie znanymi, jako podstawowy oraz ulepszony układ pompy prądowej Howlanda skonstruowane w oparciu o wzmacniacz operacyjny o dużej wydajności prądowej. Rozwiązania tych układów znane są z publikacji Lightning Empiricist, Vol 12, Nr 1, Jan 1964. Stosunkowo proste obwody tych konwerterów stanowią ich zaletę. W obwodach tych sprzężenie zwrotne z wyjścia wzmacniacza operacyjnego jest połączone do obu jego wejść odwracającego i nieodwracającego poprzez cztery rezystory w stosunku równym R₁/R₂ = R₃/R₄. Jedno z wejść układu, najczęściej odwracające, jest zazwyczaj zwarte z masą, natomiast do drugiego wejścia podawane jest napięcie i wraz z rezystorami w stosunku R₁/R₂ = R₃/R₄ ustalają wartość prądu, przepływającego przez obciążenie RL. Wartość tego prądu jest niezależna od wartości impedancji obciążenia. Wadą tych rozwiązań jest użycie bardzo precyzyjnych rezystorów w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza lub nawet laserowe ich trymowanie w celu uzyskania wysokiej impedancji wyjściowej układu. Inną wadą jest użycie wzmacniaczy operacyjnych o wysokim współczynniku CMMR, aby uzyskać wymaganą precyzję działania układu.

Znane jest również rozwiązanie układu elektronicznego opublikowanego w nocie aplikacyjnej AN-934 Analog Devices Corp., które jest regulatorem dynamiki sygnału wejściowego o szerokim zakresie dynamicznym utrzymującym wyjściowy sygnał napięciowy o ustalonej wartości. Rozwiązanie to zawiera układ o regulowanym wzmocnieniu (VGA) o szerokim zakresie dynamicznym przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem, układ detektora, który jest konwerterem napięcia zmiennego wartości skutecznej RMS True na proporcjonalną jego wartość napięcia stałego DC, źródło napięcia odniesienia oraz układ komparatora, do którego jest połączone źródło napięcia odniesienia do jego wejścia nieodwracającego. Detektor wraz z układem komparatora tworzą zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego dla układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA). Po przekonwe rtowaniu przez układ detektora zmiennego sygnału na napięcie stałe otrzymanego z wyjścia układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA), sygnał ten jest dostarczony do wejścia odwracającego układu komparatora i porównywany ze źródłem napięcia odniesienia o ustalonej wartości. Jeżeli sygnał wyjściowy detektora osiągnie wyższą wartość od napięcia źródła napięcia odniesienia, to na wyjściu układu komparatora pojawi się napięcie liniowo opadające, będące napięciem sterującym (przestrajającym) wzmocnienie układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA) w celu doprowadzenia wyjściowego sygnału zmiennego do ustalonej wartości. Niekorzystnym rozwiązaniem w tym układzie jest zastosowanie układu detektora, jako konwencjonalnego konwertera RMS/DC o architekturze log-antilog, charakteryzującym się małą liniowością w szerszym paśmie częstotliwości pracy oraz wykazującą zależność tego pasma od wartości amplitudy wejściowego sygnału zmiennego, które wpływa na pogorszenie całkowitej dokładności regulacji sygnału wyjściowego zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach pracy. Inną niedogodnością rozwiązania jest to, że regulowanym sygnałem wyjściowym jest napięcie zmienne, a nie prąd.

Istota układu regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym, w którym interfejs sterowania wzmocnieniem przestrajanym napięciowo układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA) jest połączony z wyjściem układu komparatora (COMP), zaś wejście nieodwracające układu komparatora (COMP) jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia (REF) o ustalonej wartości, a wejście odwracające układu komparatora (COMP) jest połączone z wyjściem układu detektora (DETC), według wynalazku polega na tym, że do wejścia odwracającego układu komparatora dołączone jest wyjście detektora, który jest konwerterem RMS/DC o architekturze delta-sigma, którego wejście jest włączone pomiędzy obciążenie impedancyjne, a rezystor pomiarowy o małej rezystancji, które połączone są ze sobą szeregowo, przy czym drugi koniec rezystora pomiarowego połączony jest z masą całego układu, natomiast drugi koniec obciążenia impedancyjnego jest połączony z wyjściem bufora prądowego, które jest źródłem prądu dla impedancji obciążenia, zaś wejście wspomnianego bufora jest połączone z wyjściem układu o regulowanym wzmocnieniu przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem.

Korzystnie bufor prądowy jest szerokopasmowym wzmacniaczem mocy.

PL 225 162 B1

Zaletą układu według wynalazku jest uzyskanie precyzyjnej regulacji prądu zmiennego dla o bciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym dla szerokiego pasma częstotliwości pracy układu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku przedstawiającym układ regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym, zwłaszcza dla przetworników indukcyjnościowych jedno i dwucewkowych.

Układ regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym zawiera układ o regulowanym wzmocnieniu VGA o szerokim zakresie dynamicznym przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem, gdzie wyjście tego układu jest połączone z wejściem bufora prądowego BUFF lub wejściem szerokopasmowego wzmacniacza mocy AMP o dużej wydajności prądowej, którego wyjście jest połączone z szeregowo połączonym obciążeniem impedancyjnym Z_L i rezystorem pomiarowym R_Sens o niewielkiej rezystancji, przy czym drugi koniec rezystora pomiarowego połączony jest z masą układu. Pomiędzy obciążeniem impedancyjnym Z_L, a rezystorem pomiarowym R_SenS jest włączony układ detektora DETC, który jest konwerterem RMS/DC o architekturze delta-sigma. Wyjście układu detektora jest połączone do odwracającego wejścia układu komparatora COMP, natomiast nieodwracające wejście układu komparatora jest połączone z źródłem napięcia odniesienia REF o ustalonej wartości. Wyjście układu komparatora połączone jest z interfejsem sterowania wzmocnieniem układu o regulowanym wzmocnieniu o szerokim zakresie dynamicznym przestrajanym napięciowo. Do wejścia układu o regulowanym wzmocnieniu VGA jest doprowadzony zmienny sygnał napięciowy o ustalonej amplitudzie, który po wzmocnieniu przez układ o regulowanym wzmocnieniu VGA przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem jest dostarczony do wejścia bufora prądowego BUFF lub szerokopasmowego wzmacniacza mocy AMP, który jest źródłem prądu dla obciążenia impedancyjnego Z_L o charakterze indukcyjnym. Wartość przepływającego prądu przez obciążenie impedancyjne jest ustalona za pomocą rezystora pomiarowego R_SenS o małej rezystancji połączonego szeregowo z obciążeniem impedancyjnym Z_L. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R_SenS stanowi zmienny sygnał wejściowy dla układu detektora DETC, który jest konwertowany na napięcie stałe proporcjonalne do wartości skutecznej tego sygnału. W celu uzyskania większej dokładności regulacji prądu obciążenia dla znacznie szerszego pasma częstotliwości pracy całego układu zastosowano konwerter RMS/DC o architekturze delta-sigma, który charakteryzuje się znacznie wyższą liniowością i dokładnością przetwarzania oraz znacznie szerszym pasmem częstotliwości pracy, niezależnie od wartości amplitudy wejściowego sygnału zmiennego. Otrzymane napięcie stałe z układu detektora jest porównywane z napięciem źródła odniesienia o ustalonej wartości poprzez układ komparatora COMP, na którego wyjściu występuje sygnał napięciowo narastający lub opadający w zależności, czy napięcie z układu detektora osiągnie wyższą lub niższą wartość w porównaniu do wartości napięcia źródła odniesienia. Wyjściowe napięcie z komparatora przestraja wzmocnienie układu o regulowanym wzmocnieniu VGA za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem tak, aby wartość prądu obciążenia, przepływająca przez impedancję obciążenia Z_L była zawsze taka sama, niezależnie od wartości tej impedancji.

Głównym zastosowaniem wynalazku jest regulacja prądu cewki wzbudzenia w jedno i dwucewkowych przetwornikach indukcyjnościowych wykorzystywanych w bezstykowych pomiarach konduktywności elektrycznej, gdzie wymagane jest, aby prąd cewki wzbudzenia miał dokładnie ustaloną wartość w przypadku obecności badanego materiału w wnętrzu przetwornika oraz w przypadku jego braku podczas wykonywania pomiaru konduktywności. Innym zastosowaniem wynalazku jest prec yzyjne źródło prądowe w analizatorach impedancyjnych, pracujące w szerokim zakresie częstotliwości, gdzie wymagane jest, aby prąd przepływający przez badaną impedancję miał ustaloną wartość w funkcji częstotliwości.

Claims (2)

1. Układ regulacji prądu zmiennego dla obciążeń impedancyjnych o charakterze indukcyjnym, w którym interfejs sterowania wzmocnieniem przestrajanym napięciowo układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA) jest połączony z wyjściem układu komparatora (COMP), zaś wejście nieodwracające układu komparatora (COMP) jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia (REF) o ustalonej wartości, a wejście odwracające układu komparatora (COMP) jest połączone z wyjściem układu detektora (DETC), znamienny tym, że do wejścia odwracającego układu komparatora (COMP) dołączone jest wyjście detektora (DETC), który jest konwerterem RMS/DC o architekturze delta-sigma, którego

PL 225 162 B1 wejście jest włączone pomiędzy obciążenie impedancyjne (Z_L), a rezystor pomiarowy (Rsens) o małej rezystancji, które połączone są ze sobą szeregowo, przy czym drugi koniec rezystora pomiarowego (R_sens) połączony jest z masą całego układu, natomiast drugi koniec obciążenia impedancyjnego (Z_L) jest połączony z wyjściem bufora prądowego (BUFF), które jest źródłem prądu dla impedancji obciążenia (Z_L), zaś wejście bufora (BUFF) jest połączone z wyjściem układu o regulowanym wzmocnieniu (VGA) przestrajanym napięciowo za pomocą interfejsu sterowania wzmocnieniem.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że bufor prądowy (BUFF) jest szerokopasmowym wzmacniaczem mocy (AMP).