12+ Components & Technologies www.kit-e.ru № 1 ’2021 (январь) ISSN 2079-6811 Датчики Реклама Приемопередатчики RS-232 с встроенными TVS-диодами Новая линейка AVR-микроконтроллеров Радиационно стойкие преобразователи для работы от сети 100/120 В
Реклама
1 (234) '2021 1 (234) '2021 Содержание 6 38 16 44 49 50 60194 60195 Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован 26 Управлением Федеральной службы по надзору 30 в сфере связи, информационных технологий 34 60 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. Дата выхода в свет 29.01.21 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+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Реклама
1 (234) '2021 1 (234) '2021 Содержание Editorinchief Pavel Pravosudov | [email protected] 66 Deputy of editorinchief 73 Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected] Виктор ЖДанКин Радиационно стойкие 78 Managing editor преобразователи напряжения Ksenia Pritchina | [email protected] для работы от сети постоянного повышенного напряжения 100/120 В Editor Natalia Novikova | [email protected] Силовая электроника 86 Editorial staff Константин ВерхулеВсКий Alexander Frunze Компоненты Apex Microtechnology Victor Liferenko на основе карбида кремния Joseph Karshenbojm Vladimir Mahov Встраиваемые системы илья ноВоЖилоВ 106 Спектральные эллипсометры 108 Design and layout Перевод: Semilab SE-1000 и SE-2000 Olga Vorchenk– Дмитрий руДаКоВ для научно-исследовательских | [email protected] Безопасность 92 и производственных задач «Интернета вещей», Advertising department встроенная в карты памяти. Irina Milenina | [email protected] Универсальное решение от Swissbit Subscription department [email protected] Moscow 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197046, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: [email protected] web: www.kit-e.ru Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | [email protected] Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 Age limit 12+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Реклама
6 рынок Что на уме у инженера? Вадим ЧеРный Каждые два года крупнейшее в мире издательство для электронной [email protected] отрасли AspenCore публикует результаты исследования Mind of the Engineer. Интересно, чем жили специалисты электронной промышлен- ности в 2020 году? Исследование касается, прежде всего, вой электронной отрасли 93% — мужчины и таблиц, с ним действительно стоит позна- инженеров. Оно, возможно, не пол- и лишь 3% — женщины, еще 4% респон- комиться (отчет доступен на сайте издатель- ностью коррелирует с ситуацией дентов предпочли бы не отвечать на вопрос ства после регистрации). В этой статье мы в российской электронной отрасли, а пото- о поле. В общем, типичный современный пробежимся по ключевым цифрам исследо- му, вероятно, многим будет интересно уз- инженер мировой электронной отрасли ра- вания, иногда отвлекаясь на наиболее инте- нать, чем дышат их коллеги из других стран. ботает в крупной компании со средним коли- ресные или неожиданные факты. Вниманию читателей специализированного чеством сотрудников 1823 человека. Средний журнала для разработчиков электроники возраст составляет 48,4 года, из которых опыт и образование предлагается совокупный портрет совре- 24 года были отданы работе в электронной Обычный инженер-разработчик, занятый менного специалиста одной из самих интел- отрасли. лектуальных профессий в мире (рис. 1). в электронной отрасли, имеет 24-летний Как известно, во всем мире инженерные стаж в отрасли. При этом самыми опыт- А респонденты кто? профессии не в фаворе у молодежи, и, как ными оказались американцы — в среднем видим, электронная отрасль здесь не исклю- проработавшие 27,9 года. Самый низкий по- C респондентами у AspenCore проблем чение. казатель в КНР — 16,6 года. Впрочем, такой нет. Из Кембриджа, штат Массачусетс (кро- опыт трудно назвать малым. К сожалению, ме прочего, здесь расположены Гарвардский Для сегментации ответов инженеров раз- отрасль не испытывает значительного при- университет и Массачусетский технологи- ного уровня подготовки исследователи рас- тока молодежи, отсюда и постепенный рост ческий институт), издательство управляет пределили респондентов не по возрасту, среднего возраста и опыта. обширной сетью информационных площа- а по опыту в отрасли. К группе начинающих док, наиболее известными среди которых были отнесены инженеры с опытом работы Удивительно, но на рассвете полупроводни- являются EE Times, EDN, Embedded.com, менее девяти лет, опытными определили ковой эры молодежь магнитом тянуло к элек- Electronic Products, EBNOnline.com и их ре- инженеров с опытом 9–29 лет, специалисты тронике. Помните, «предательская восьмерка» гиональные и национальные версии. Имея более чем с 30-летним инженерным стажем основателей Fairchild Semiconductor — этой доступ к многомиллионной аудитории, ис- были отнесены к группе корифеев. кузницы кадров и предтечи Кремниевой до- следователи смогли собрать релевантную ин- лины — была в возрасте 26–33 лет, когда они формацию для отчета. Помимо английской Также для некоторых исследований учи- пришли работать к Уильяму Шокли. Причем версии, опросные листы были переведены тывалась география распределения ответов. к тому времени у шести из них уже была док- на японский, упрощенный и традицион- В частности, отдельно исследовались аме- торская степень, у Жана Эрни — даже две. ный китайский, корейский и немецкий язы- риканские рынки, регион EMEA (Европа, Да, времена меняются и, к сожалению, не всег- ки. В общем, результаты отчета базируются Ближний Восток и Африка), отдельно Китай да к лучшему. на ответах 1494 человек, полученных в пери- и остальная Азии без учета КНР. од 15 апреля — 30 мая 2020 года. Большинство современных инженеров Главные результаты имеют высшее образование (за исключени- Около двух третей инженеров — специ- ем лишь 3%) — здесь ничего удивительного алистов мировой электронной отрасли во- Крупнейший отчет насчитывает 30 стра- нет. Сегодня почти у каждого десятого инже- влечены в практическую деятельность ниц и содержит более полусотни диаграмм нера в отрасли есть докторская степень. по проектам, а именно в разработку «желе- за», написание программ или измерений. Рис. 1. Разработчик электроники — одна из самых интеллектуальных профессий мира Также к практикам отнесены студенты, пре- подаватели и научные сотрудники, которые непосредственно работают с оборудованием и программным обеспечением. Остальные 40% инженеров занимаются анализом дан- ных, технической поддержкой, маркетингом, а также задействованы на различных уровнях управления предприятиями и бизнес-про- цессами, то есть непосредственно не занима- ются разработкой или техническим обслужи- ванием процесса разработки электроники. В отрасли существует заметный гендерный дисбаланс: среди инженерных кадров миро- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
рынок 7 Рис. 2. Новые технологии — в работе и в мыслях Показательно, что с годами уменьшается Рис. 3. Какие дополнительные компетенции необходимы инженеру количество инженеров с образованием имен- но в радиоэлектронике и постепенно растет брать больше проектов, чем в предыдущие ше многие инженеры работали удаленно, количество выпускников из родственных годы. В среднем инженер работает в 5,3 про- но пандемия коронавируса многократно специальностей. Есть ли в этом закономер- екта в год со средней продолжительностью увеличила показатели. Вне офиса трудятся ность? Из года в год среди инженеров отрас- проекта 6,5–9,3 месяца. Среднее количе- от 52% специалистов в Азии и до 78% — ли уменьшается количество дипломирован- ство инженеров, задействованных в типо- в Америке. При этом китайские инжене- ных физиков и химиков, зато растет число вой проектной команде, составляет 7 чело- ры в среднем работают удаленно 2,2 дня, инженеров с дипломами по программирова- век в Европе, 8,1–8,2 — в азиатских странах в то время как американцы 4 дня в неделю. нию, компьютерным наукам и даже по гума- и 8,3 — в Америке (рис. 5). Предпочтительным местом для разработ- нитарным дисциплинам. ки и симуляции работы схем подавляющее Большинство инженеров отмечают, что большинство инженеров считают офис пред- К тому же инженеры во всех уголках мира от них все чаще требуют «сделать больше приятия, в то время как поиск информации постоянно повышают квалификацию, счи- из меньшего». Впрочем, при этом 80% инже- и исследование большинству специалистов тая непрерывное образование частью про- неров считают, что работодатели поощряют удобнее осуществлять из дома. По мнению фессии. Больше всего специалисты отрасли их мыслить креативно — особенно это каса- многих, даже после окончания пандемии интересуются новыми знаниями по направ- ется американских специалистов. тенденция работать удаленно сохранится, лениям искусственного интеллекта, «умных» став стандартом для индустрии. подключенных устройств, а также сенсор- Трендом этого года стало использование ными технологиями и «Интернетом вещей» других локаций для работы, хотя и рань- (рис. 2). Одновременно почему-то уменьша- ется заинтересованность в технологии «циф- ровых двойников», которую сегодня актив- но продвигают некоторые крупные игроки рынка. Следует отметить, что круг дополнитель- ных знаний, нужных инженерам, постоянно рсширяется и охватывает все больше нетех- нических дисциплин (рис. 3). условия и нагрузки «Быстрее, больше, дешевле» — так ха- рактеризуют современные инженеры тре- бования к своей работе. Требование к уде- шевлению продукции является одним из определяющих в электронной отрасли (рис. 4). Кроме того, инженеры считают, что им приходится работать больше и быстрее, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
8 рынок Рис. 4. «Быстрее, больше, дешевле» — так характеризуют современные инженеры требования к работе Рис. 5. Количественный состав и компетенции проектных команд Важной особенностью в отрасли стано- программное обеспечение, измерительное Главными источниками новой информа- вится использование аутсорсинга. Так, 73% оборудование, где (рис. 6) и как они ищут ции для инженеров являются веб-сайты по- компаний привлекают специалистов со сто- информацию о них и тому подобное. Эта ин- ставщиков, но они интересуют инженеров, роны, при этом аутсорсинг применяется, формация имеет ценность прежде всего для только если там есть действительно техни- когда у предприятия нет ресурсов для на- поставщиков, кроме того, в данном сегменте ческая информация (85%), при этом при- чала проекта или они ограниченны. А вот есть значительные различия между региона- знаком «правильного» веб-сайта для инже- в случаях отставания от графиков работ ми и даже отдельными странами. нера является наличие на нем типовых схем аутсорсинг применяют реже, предприятия (80%), руководств по эксплуатации (72%), пытаются справиться с отставанием само- В целом стремятся к новому 96% инжене- развернутых обзоров и методических мате- стоятельно. ров электронной отрасли, 78% — глубоко риалов вроде white papers (64%). погружены в свою работу, даже во внерабо- этапы и источники чее время — вот оно! В какой еще отрасли Интересно, что во всем мире возрастает Поскольку исследование проводило из- найдешь такую преданность профессии? значение социальных медиа как источни- Получать больше информации о новых тех- ка новой инженерной информации, в том дательство, понятно, что в большинстве нологиях хотят 26% респондентов, о новых числе в электронной отрасли сетевыми со- заданных вопросов прослеживается заин- продуктах — 19%. Вполне предсказуемо, обществами в профессиональных целях тересованность маркетологов. В частности, что новые технологии больше интересуют пользуется треть инженеров. Удивительно, в исследовании детально анализируется, молодых — 31% инженеров из группы «на- но лидером среди сообществ как поставщи- на каких именно этапах проекта инжене- чинающих» настойчиво ищут информацию ков информации о новых технологиях счи- ры выбирают те или иные компоненты, о новинках. тается YouTube (рис. 7)! КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
рынок 9 Несмотря на глубокое погружение в про- фессию, неудивительно, что подавляющая часть современных инженеров, занятых в электронике, называет себя вполне счаст- ливыми, учитывая свой профессиональный выбор. Решение новых для себя проблем счи- тают лучшей частью своей работы 88% инже- неров, 83% — посоветовали бы своим детям профессию инженера. На самом деле именно эти цифры являются наиболее вдохновляю- щими в исследовании. А как считаете вы? Что нас ждет в 2021 году? Рис. 6. Источники информации для инженера-разработчика Спрос на электронику восстановится к «доковидному» уровню уже в 2021 году Рис. 7. Социальные медиа для инженера (если верить McKinsey & Company), в некото- рых сегментах он рос и в 2020 году: телеком- Получение опыта в КНР этот показатель составил лишь 9%. муникации, ЦОД и рекордно ПК и смартфо- Чрезвычайно важным для любой отрас- Есть над чем задуматься? ны (Gartner). В целом индустрия потеряла 3%, больше всего — в Европе и США (по 7%), ли, а электронная не исключение, является счастье и инженеры в Азии кризис вряд ли заметили (1%). путь повышения квалификации инженеров, В отличие от представителей одной из са- особенно молодых. В большинстве стран Страхи производителей и дистрибьюто- главным методом обучения признано вклю- мых распространенных профессий со- ров электронных компонентов были напрас- чение молодых инженеров в команду с бо- временности — программистов, инжене- ными — по данным Semiconductor Industry лее опытными коллегами. Вторым по зна- ры-разработчики из электронной отрасли Association, отрасль, начав 2020 год тормо- чению считается менторство и учебные чувствуют себя достаточно коммуникабель- жением, показала в четвертом квартале рост программы, но им отдается предпочтение ными, независимыми и уверенными, а так- +8,3%, достигнув +6,5% в годовом измере- в азиатских странах, в отличие от Европы же в определенной степени влиятельными. нии. World Semiconductor Trade Statistics ожи- и Америки. Также самостоятельный по- В частности, 93% респондентов считают аб- дает в 2021 году +8,4%. Похоже на бум, нет? иск информации для повышения квали- солютно приемлемым свободно делиться фикации имеет большее значение в Азии. своими мыслями и взглядами с коллегами, Как пишет Джеймс Карбоун, редактор Интересно, что более четверти (28%) опро- 79% запросто могут не согласиться с руково- Electronics Sourcing, отрасль уже сталкива- шенных инженеров из Европы и США за- дителем, в то время как утверждение о том, ется с дефицитом компонентов, в частности явили, что на предприятиях, где они рабо- что инженер имеет мало влияния на поло- пассива и контроллеров. Неопределенность тают, вообще нет формальных программ жение на предприятии, считают ошибочным заставляет EOM и дистрибьюторов увеличи- повышения квалификации, в то время как 65% респондентов. вать складские запасы, в то время как некото- рые производители компонентов сократили выпуск из-за COVID-19. Джефф Рей, вице-президент TTI, Inc., гло- бального дистрибьютора, специализирующе- гося на пассивных компонентах, предостере- гает о недостатке многослойных керамических конденсаторов (MLCC) из-за возросшего спроса со стороны телекоммуникационной от- расли и автопрома. Сроки поставки на некото- рые позиции уже сейчас достигают 24 недель! Соответственно, растет спрос на танталовые, полимерные и гибридные конденсаторы. Аналитики KeyBanc Capital Markets про- гнозируют ажиотажный спрос на продук- цию ведущих производителей полупровод- никовых чипов, в частности Analog Devices, Microchip Technology, NXP Semiconductors и ON Semiconductor. Недостаток кварцевых генераторов связан с пожаром, произошедшим в октябре на за- воде Kasei Microdevices в Японии, а чипы Mediatek «вымыл» с рынка Huawei перед началом действия американских санкций. Растущий спрос сегмента 5G давит на сег- мент РЧ-компонентов и беспроводных моду- лей. Оба гиганта глобальной дистрибьюции, Avnet и Arrow, говорят об увеличении реги- страций проектов в этом сегменте. В общем, год ожидается более успешным, чем предыдущий, и точно не будет скучным! n КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
10 датчики Эволюция современных преобразователей основных электрических величин Григорий ПОРТнОй, наличие современных электронных компонентов расширяет возможно- к. т. н. сти схемотехнических и конструкторских решений при создании новой техники. В статье на примере выпускаемых преобразователей (датчиков) Олег БОлОТИн основных электрических величин прослеживается эволюция разработан- Константин РАЗУМОВСКИй ных авторами приборов. Приводятся рекомендации по использованию датчиков тока, напряжения и активной мощности, широко применяемых Олег ЯценКО сегодня в преобразовательной и измерительной технике, в электрометал- лургии и энергетике, при автоматизации производств и технологических [email protected] процессов, создании «умных домов» и т. д. НПО «Горизонт Плюс» — компания, и надежность преобразователей компании касаются не только конструкции или схемо- хорошо известная многим специ- НПО «Горизонт Плюс» подтверждены ис- техники преобразователей, но и их габарит- алистам, работающим в различных пытаниями и длительной эксплуатаци- ных размеров или массы. Эти тенденции лег- областях техники. Объясняется это тем, что ей у различных потребителей, что, в свою ко проследить на примере преобразователей, приборы, проектируемые и выпускаемые очередь, позволило внести эти приборы разрабатываемых ООО «НПО «Горизонт компанией, носят универсальный характер в Государственный реестр средств измерений Плюс» в г. Истра Московской области. и позволяют измерять или контролировать РФ и в Государственные реестры Республик основные физические величины — ток, на- Казахстан и Беларусь. Эволюция преобразователей пряжение и активную мощность. Наличие измерительных тока в данных приборах гальванической развязки За последние годы ряд разработанных пре- между первичной и вторичной цепями в ди- образователей пополнился новыми моделя- Преобразователи тока — наиболее востре- апазоне частот до 200 кГц является важным ми. Причем здесь наблюдается тенденция, бованный сегмент рассматриваемых датчи- фактором для применения таких устройств когда появление новых моделей обусловлено ков, и среди них безусловными лидерами яв- в силовой преобразовательной техни- конкретными техническими требованиями ляются приборы для измерения постоянных, ке. Для этих целей НПО «Горизонт Плюс» заказчиков . Учитывая, что конечные потре- переменных или импульсных токов в диа- (правопреемник организации «Горизонт») бители работают в таких разных областях, пазоне 20–300 А. Для решения этих задач оп- многие годы проектирует и выпускает при- как электрометаллургия и самолетостроение, тимальны преобразователи ПИТ-***-УА-П10 боры, которые составляют модельный ряд преобразовательная техника и энергетика, (рис. 1а), которые монтируются на печатную измерительных преобразователей тока се- становится ясно, что это приводит к появ- плату, или ПИТ-***-УА-Б14 (рис. 1б), пред- рии ПИТ, напряжения ПИН и мощности лению многочисленных модификаций раз- назначенные для монтажа в блок или шкаф, ПИМ. Новаторство технических решений рабатываемых датчиков [1]. Причем в боль- например с помощью DIN-рейки. Диаметр шинстве случаев подобные требования а б Рис. 1. Внешний вид преобразователей измерительных тока: Рис. 2. Внешний вид преобразователя а) ПИТ-***-УА-П10; б) ПИТ-***-УА-Б14 измерительного тока ПИТ-***-УА-П15 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 11 отверстия под токовую шину у них, соот- Таблица 1. Основные технические характеристики преобразователей тока ПИТ-***-УА-П10 и ПИТ-***-УА-П15 ветственно, составляет 10 и 14 мм. В ряде случаев, в том числе когда у шины имеется Характеристика ПИТ-20-УА-П10 наконечник или предъявляются повышен- ПИТ-50-УА-П10 ные требования к весу и плотности компо- ПИТ-100-УА-П10 новки блока, эти параметры становятся тор- ПИТ-150-УА-П10 мозом для конструкторов аппаратуры, что ПИТ-20-УА-П15 стимулирует разработчиков к дальнейшему ПИТ-50-УА-П15 увеличению диаметра отверстия и одно- ПИТ-100-УА-П15 временно к снижению габаритно-массо- ПИТ-150-УА-П15 вых размеров корпусов преобразователей. Примером такой эволюции может служить Диапазон измеряемых токов, А 0–20 0–50 0–100 0–150 0–20 0–50 0–100 0–150 новый преобразователь ПИТ-***-УА-П15 (рис. 2), чьи основные параметры приведе- Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, мА 10 25 50 75 10 25 50 75 ны в таблице 1. Видно, что преобразователи ПИТ-***-УА-П15 и ПИТ-***-УА-П10 имеют Допустимая перегрузка по измеряемому току, раз 1,5 1,5 одинаковые технические параметры, но су- Диапазон рабочих температур, °С 0…+70 (–40…+70) 0…+70 (–40…+70) щественно отличаются по своим габарит- Основная приведенная погрешность, не более, % 1 0,7 1 0,7 ным размерам: так, масса преобразователя Нелинейность выходной характеристики, не более, % ПИТ-***-УА-П15 снижена по сравнению Коэффициент передачи 0,1 0,1 с аналогом, а диаметр отверстия увеличен Полоса пропускания, Гц 1:2000 1:2000 с 10 до 15 мм. Напряжение питания, В 0–50 000 0–50 000 Диаметр отверстия под токовую шину, мм ±15 (±5%) ±15 (±5%) Дальнейшая микроминиатюризация та- Габаритные размеры, мм кого датчика тока допустима, но требует раз- Масса, г 10 15 работки специализированной интегральной 44×33×22 37×33×20,5 схемы вместо использования современных дискретных комплектующих, что, конечно, 45 31 приводит к увеличению стоимости прибора. В этом случае можно рекомендовать разра- ственно на плоской токовой шине размером лиза были введены в промышленную экс- ботчикам использовать миниатюрные серий- 1080 мм, в комплекте поставки предлага- плуатацию бесконтактные датчики ДБТ ные датчики тока, например фирмы Allegr– ется блок двуполярного питания, которым для контроля больших токов до 10 000 А. MicroSystems [2], которые широко использу- можно запитать до шести датчиков одновре- Длительная бесперебойная работа таких ются для общегражданского применения. менно. По требованию заказчиков датчики датчиков показала их высокую надежность, могут быть выполнены и с однополярным и на тот момент никого не смущало, что дат- Интересно также проследить эволюцию питанием. Выходной сигнал такого прибора чик ДБТ весьма громоздкий, состоит из двух развития датчиков для измерения боль- составляет 4/20 или 0/20 мА, что весьма удоб- блоков общим весом около 20 кг. Сегодня, ших токов, которые не менее востребо- но для его дальнейшей обработки. благодаря современной схемотехнике, ваны и в подвижном транспорте, и в элек- контроль токов до 10 000 А можно про- трометаллургии, и в сварочной технике. В ряде случаев преобразователь следует водить с помощью разработанных в НПО Особенности конструктивного исполнения монтировать в уже собранном блоке. И тог- «Горизонт Плюс» компактных преобразо- такого преобразователя для контроля токов да опять становится актуальным вопрос со- вателей тока ПИТ-***-ТР-Б50х100 (рис. 5а). 500–3000 А показаны на рис. 3а. Монтируется кращения габаритных размеров. На рис. 3б Такие решения отличаются малой массой, устройство с помощью струбцин непосред- представлен вариант преобразователя размерами и имеют ряд конструктивных с уменьшенными габаритно-массовыми раз- улучшений, повышающих их надежность, мерами и возможностью длительной эксплу- функциональность и электрические харак- атации при пониженной температуре окру- теристики (табл. 2). Эти преобразователи жающей среды. При монтаже на круглую совмещают в своей конструкции рамку для токовую шину целесообразно использовать монтажа (преобразователь монтируется уже другой разъемный преобразователь непосредственно на пакете токовой шины) тока — ПИТ-***-ТР-4/20-Б20х20 (рис. 4), и блок электронной обработки сигнала. размер окна которого составляет 2020 мм. По требованию заказчиков размер окна Десять лет назад на Иркутском алюмини- под токовую шину может быть увеличен евом заводе в г. Шелехов, на линии электро- до 79125 мм. Кроме того, разработчики предусмотрели возможность эксплуатации данных преобразователей в условиях повы- шенной (до +90 °C) температуры. Для этих целей в конструкции преобразователей аб Рис. 4. Внешний вид разъемного преобразователя тока Рис. 3. Внешний вид преобразователя измерительного тока: под круглую шину для контроля токов а) ПИТ-***-УА-4/20-Б10х80; б) ПИТ-***-ТР-4/20-Б10х80 для контроля токов в диапазоне 500–3000 А в диапазоне 5–300 А КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
12 датчики а б Рис. 5. Внешний вид преобразователей больших токов: а) под токовую шину 50×100 мм; б) под токовую шину 79×125 мм с блоком вентиляторов для расширения рабочего диапазона температур Таблица 2. Технические характеристики преобразователей тока только до 400 Гц, а затем амплитудно-частот- ПИТ-***-ТР-4/20-Б50х100 и ПИТ-***-ТР-4/20-Б79х125 ная характеристика прибора становилась нелинейной. К тому же в переданном сигнале Характеристика ПИТ-3000-ТР-4/20-Б50х100 возникало смещение, вызванное негомоген- ПИТ-5000-ТР-4/20-Б50х100 ностью магнитопровода магнитной системы ПИТ-8000-ТР-4/20-Б50х100 и ошибками датчика Холла. Все вместе это ПИТ-10000-ТР-4/20-Б50х100 приводило к значительным погрешностям ПИТ-3000-ТР-4/20-Б79х125 в выходном сигнале преобразователя. ПИТ-5000-ТР-4/20-Б79х125 ПИТ-8000-ТР-4/20-Б79х125 В новом преобразователе ПИН-***- ПИТ-10000-ТР-4/20-Б79х125 У-4/20-Б преобразование напряжения в сред- неквадратичное значение происходит на «го- Диапазон измеряемых токов, А 0–3000 0–5000 0–8000 0–10 000 0–3000 0–5000 0–8000 0–10 000 рячей» стороне, что оказывает минимальное Допускаемая перегрузка по измеряемому току, раз 1,5 1,5 влияние на амплитудно-частотную характе- Выходной сигнал датчика, мА 4/20 4/20 ристику преобразования. Затем среднеква- Основная приведенная погрешность, не более, % 1,3 1,3 дратичное значение преобразуется в циф- Диаметр отверстия под токовую шину, мм ровой сигнал и передается на «холодную» Диапазон рабочих температур, °С прямоугольное отверстие 50×100 прямоугольное отверстие 79×125 сторону. Поскольку среднеквадратичное Габаритные размеры, мм 0…+70 (–40…+70) 0…+70 (–40…+70) значение меняется медленно, ошибок при 131×106×66 328×250×140 передаче не возникает. Цифровое значение напряжения преобразуется в аналоговое зна- предусмотрена возможность использования погрешности ±1,5% в широком диапазоне чение и в ток. При этом коэффициент пре- блока вентиляторов (рис. 5б), совмещаемых температур окружающей среды –40…+70 °C, образования задается на «холодной» стороне. с корпусом прибора и включенных в элек- благодаря чему такие устройства мож- трическую схему преобразователя. но использовать на тяговых подстанциях Для уменьшения емкости между «горячей» и по-движном электрическом транспорте. и «холодной» стороной в новом преобразо- Совершенствование В настоящее время ведется разработка но- вателе предусмотрен специально разрабо- преобразователей вой модели преобразователя напряжения танный оригинальный трансформатор. С его для контроля напряжений ПИН-***-У-4/20-Б до 3000 В с токовым вы- помощью происходит питание радиоэлемен- ходом 4/20 или 0/20 мА, которая позволяет тов на «горячей» стороне преобразователя. Тот же принцип бесконтактного измере- фиксировать действующее значение напря- Передача цифрового сигнала выполняется ния тока с помощью датчика Холла можно жения и при этом существенно отличается или оптопарой с подходящим пробивным использовать и для измерения напряжения от предыдущей модели преобразователя. напряжением, или посредством модуляции постоянного и переменного тока, что и по- тока потребления «горячей» стороны. казано в работе [3]. Действительно, если из- Кратко принцип работы нового преобра- меряемое напряжение цепи преобразовать зователя можно описать так: если условно Все вышеизложенное не только улучшает в ток, используя для этого токозадающее со- назвать сторону высокого напряжения «горя- технические характеристики преобразовате- противление, его величина будет пропорци- чей», а сторону преобразованного напряже- ля ПИН-***-У-4/20-Б, но и повышает его на- ональна напряжению в измерительной цепи. ния «холодной», то основные преимущества дежность и сокращает время изготовления. Датчик Холла в этом случае, кроме своего ос- и недостатки указанных преобразователей новного назначения, обеспечивает гальвани- можно свести к следующему. В разработан- Высоковольтные токовые клещи ческую развязку входных и выходных цепей, ном ранее преобразователе ПИН-***-У-Б и клещи-адаптеры что представляет дополнительное преиму- напряжение, измеряемое с помощью дели- щество преобразователей напряжения. теля, магнитной системы с датчиком Холла, Токоизмерительные клещи — это про- в аналоговой форме, передавалось на «хо- стой и одновременно очень информативный Описанный в статье [3] преобразователь лодную» сторону и после преобразовыва- прибор для мобильных, разовых измерений напряжения ПИН-***-У-Б обеспечивает лось в среднеквадратичное, а затем в токовое тока, зачастую в труднодоступных местах. гальваническую развязку входной цепи и це- значение. Но магнитная система передавала пей контроля до 12 кВ и неплохую величину без видимых ошибок сигналы с частотами КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 13 Рис. 6. Высоковольтные электронные токовые клещи серии КТ-1000-В Рис. 7. Специальная носимая сумка-чехол для токовых клещей серии КТ-1000-В Сегодня рынок токовых клещей весьма насы- контроллер со встроенным АЦП. При про- Для удобства пользователей съемные длин- щен. На нем представлены образцы простых текании переменного измеряемого тока ные ручки клещей (60 см) и измерительная клещей от китайских производителей и бо- по силовой шине, охватываемой магнито- головка с губками помещаются в удобную, лее сложные приборы с дополнительным проводом, на нагрузке трансформатора носимую на плече специальную сумку-чехол набором функций таких известных фирм, тока наводится ЭДС, пропорциональная (рис. 7). как APPA, Fluke, Chauvin Arnoux, Mastech, измеряемому току. Выходной сигнал с на- и других. Токоизмерительные клещи этих грузки поступает на детектор, который фор- Тенденция к снижению габаритных компаний относятся к приборам массового мирует на выходе напряжение, пропорци- размеров коснулась и токовых клещей. применения, что и обусловливает в первую ональное средневыпрямленному значению Понятно, что уменьшения габаритных раз- очередь их широкую номенклатуру. измеряемого тока. Микроконтроллер пре- меров можно добиться за счет сокращения образует напряжение в цифровой сигнал функциональных возможностей прибора, Значительно сложнее среди всех этих при- и индицирует на 3-разрядном светодиодном но часто это оправдано, что подтверждается боров найти высоковольтные клещи, то есть индикаторе в виде действующего значения потребителями в разных областях техники. прибор для измерения тока при повышен- измеряемого тока. В обоих рабочих диапазо- На рис. 8а представлен один из вариантов та- ном потенциале на токовой шине. Возможно, нах — 100 и 1000 А — обеспечивается высо- ких приборов, получивший название «кле- это связано с тем, что такие клещи — все- кая точность измерений, основная приведен- щи-адаптер». Представители этого класса таки прибор не массового использования, ная погрешность составляет менее 1%. клещей (иногда их еще называют «клещи- что подтверждает его высокая ценовая кате- прищепки») имеют упрощенную схему из- гория. К тому же имеет место фактор инерт- Электронные клещи оснащены светоди- мерений, в них отсутствует индикатор, в ре- ности: на российском рынке и в странах СНГ одным индикатором высокой яркости, что зультате подобные адаптеры значительно до последнего времени широко применялись позволяет безошибочно считывать пока- дешевле стандартных токовых клещей. относительно дешевые импортные клещи зания даже при ярком солнце. При работе Ц-4502. Это морально устаревший прибор в условиях недостаточной освещенности В таблице 3 приведены типы и основ- с комплектацией предыдущего поколения, можно воспользоваться функцией подсвет- ные характеристики разработанных в НПО с устаревшей схемотехникой, со стрелочной ки зоны измерения, которая предусмотрена «Горизонт Плюс» адаптеров. Клещи КТ-***- индикацией тока и т. д. Эти и другие недо- в клещах. Клещи КТ-1000-В снабжены ин- У-Д25, например, предназначены для изме- статки клещей компенсировались низкой це- теллектуальной функцией сбережения заря- рения постоянного, переменного и импульс- ной прибора. да батарей. Если измеряемый ток менее 5 А, ного токов в диапазоне 10–400 А. Диаметр то по истечении примерно 5 мин клещи пе- охвата губок клещей составляет 25 мм. На рис. 6 представлен современный при- реходят в режим энергосбережения — «Сон». Малые масса и габариты клещей обеспечива- бор, который успешно заменяет клещи Электронная схема, светодиодный индика- ют удобство работы с ними (рис. 8а). Форма Ц-4502. Новые высоковольтные электрон- тор и светодиод подсветки в этом режиме выходного сигнала полностью повторяет ные клещи КТ-1000-В разрабатывались нами отключаются. Таким образом, в процессе форму измеряемого тока; полярность вы- в рамках импортозамещения. После серти- работы клещи внезапно не «заснут» в непод- ходного сигнала изменяется при изменении фикации данные клещи получили в тече- ходящий момент. И наоборот, при отсут- направления протекания измеряемого тока. ние 2020 года положительные результаты ствии измерений клещи «заснут» и перейдут опробования в различных областях техники. в режим энергосбережения. При необходимости измерения больших Сегодня КТ-1000-В используются российски- токов можно использовать клещи КТ-***- ми энергетиками и активно прокладывают При разрядке элементов питания клещей У-Д54, у которых диаметр губок достигает себе дорогу на рынки стран СНГ. измерения могут стать недостоверными. 54 мм, что позволяет контролировать токи Клещи сигнализируют об этом, поперемен- в пределах 300–1000 А (рис. 8б). Адаптеры Конструкция клещей КТ-1000-В состоит но отображая показания измеряемого тока этого типа помогают значительно повы- из корпуса, включающего разъемный транс- и специальный мнемосимвол. Важной функ- сить точность измерений. Чтобы добиться форматор тока, печатную плату с электрон- цией клещей является возможность передачи необходимой точности и повторяемости, ной схемой обработки сигнала, цифровой результатов измерений по беспроводному в этих клещах предусмотрена специальная светодиодный индикатор и съемные изо- интерфейсу Bluetooth (в процессе разработ- конструкция губок, которая позволяет све- лирующие ручки. Основой электронной ки) на смартфон, планшет или компьютер. сти к минимуму влияние температуры окру- схемы клещей служит 8-разрядный микро- жающей среды на механическое напряже- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
14 датчики Таблица 3. Основные типы и технические характеристики разработанных клещей-адаптеров серии КТ тока (линейный выход). По требованию за- казчиков выходной сигнал также может Характеристика КТ-10-У-Д25 быть пропорционален среднеквадратично- КТ-20-У-Д25 му значению измеряемого тока. Для этого КТ-50-У-Д25 стандартная схема клещей дополняется де- КТ-100-У-Д25 тектором истинных среднеквадратичных КТ-200-У-Д25 значений (True RMS). Добавочное расшире- КТ-400-У-Д25 ние схемы за счет интерфейса «токовая пет- КТ-300-У-Д54 ля» позволяет получить на выходе адаптеров КТ-500-У-Д54 токовый сигнал 4–20 мА, пропорциональ- КТ-750-У-Д54 ный истинному среднеквадратичному значе- КТ-1000-У-Д54 нию измеряемого тока (питание осуществля- ется по токовой петле). Диапазон измеряемых токов, А 0–10 0–20 0–50 0–100 0–200 0–400 0–300 0–500 0–750 0–1000 Допустимая перегрузка по измеряемому току, раз 3 Новаторство технических решений и на- Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, В 1,5 1,5 дежность токоизмерительных клещей разра- Нелинейность выходной характеристики, не более, % ботки НПО «Горизонт Плюс» подтверждены Основная приведенная погрешность, не более, % 12 испытаниями и длительной эксплуатаци- АЧХ в пределах 2%, не хуже, Гц ей у различных потребителей, что, в свою Выходной сигнал при нулевом измеряемом токе, В 1 0,5 очередь, позволило внести их в Госреестр Ток потребления в режиме холостого хода, мА СИ РФ. Источник питания, В 3 2,5 2,5 2,5 2,5 1,5 1 1 1 Диаметр отверстия под токовую шину, мм В настоящее время клещи серии КТ Диапазон рабочих температур, °С 0–10 000 0–10 000 прошли испытания для утверждения типа Габаритные размеры, мм и получили разрешительные документы Масса, г 0,02 0,01 Комиссии Комитета технического регули- рования и метрологии Министерства тор- 10 10 говли и интеграции Республики Казахстан. Токоизмерительные клещи серии КТ первы- 6–15 6–15 ми из разработанных авторами приборов вне- сены в реестр Государственной системы обе- 25 54 спечения единства измерений Казахстана. n 0…+60 (–40…+60) 0…+60 (–40…+60) литература 127×59×23 226×112×44 1. www.gorizont-plus.ru 2. Уткин А. Датчики тока ACS750 фирмы Allegro: 110 510 теория и практика // Современная электроника. аб 2004. № 2. 3. Гребенщиков Н. Преобразователи тока, напря- Рис. 8. Клещи-адаптер для измерения: а) малых токов 10–400 А; б) больших токов 300–1000 А жения и активной мощности от российского производителя // Компоненты и технологии. ние в магнитопроводе губок. Кроме того, граммно, при технологической калибровке 2019. № 1. в КТ-***-У-Д54 (табл. 3) и КТ-***-П-Д54 адаптера, проводить коррекцию усиления и ре- 4. www.gorizont-plus.ru/accessories/power_supply. применена так называемая плавающая кон- гулировку смещения входного каскада схемы. html струкция губок, что обеспечивает линейную К недостаткам этих адаптеров следует отнести и повторяемую зависимость влияния меха- требование наличия внешнего источника пи- нической системы губок на результаты из- тания 7–15 В, впрочем, это легко решается ком- мерений. Снижение погрешности измерений плексной поставкой клещей КТ с миниатюр- до 0,5% обеспечивается и специальной элек- ным блоком питания БП-30 [4]. трической схемой, включающей термокоррек- цию по показаниям датчика Холла. Наличие Стандартные клещи-адаптеры преобразу- в схеме микроконтроллера позволяет про- ют измеряемый ток в выходное напряжение, пропорциональное мгновенному значению новости разъемы Крепежный комплект для ODU AMC EASY-CLEAN Компания ODU представляет дополнительный крепежный комплект для Основные преимущества: исполнения Easy-Clean разъемов ODU AMC. Крепежный комплект позволяет в дополнение к популярной функции аварийного отсоединения (Break-Away) • дополнительная безопасность за счет резьбового крепления; использовать и резьбовое крепление. • высокая вибростойкость; • быстрая и простая установка, которая может быть выполнена самосто- Уникальная разработка компании ODU — разъемы с возможностью про- стой очистки контактов ODU AMC Easy-Clean хорошо зарекомендовали себя, ятельно. в частности, в носимой аппаратуре. Функция аварийного отсоединения Break- www.odu.ru Away позволяет быстро разорвать соединение, предотвратив нежелательные последствия для оператора. С новым монтажным комплектом для кабельных розеток K1 и приборных вилок GW эти разъемы теперь можно использовать и в условиях повышенной вибрации (например, в возимой аппаратуре). Монтажный комплект для резьбовой фиксации ODU AMC Easy-Clean до- ступен для всех типоразмеров, состоит из трех частей и легко монтируется. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Реклама
16 датчики Инерциальные МЭМС-системы от НПП «ГИРОНАВ» Дмитрий ДАнИльцеВ В статье представлен обзор гироскопических модулей на основе МЭМС Александр КАБАнОВ от компании нПП «ГИРОнАВ», описаны исполнения датчиков, их основные Юрий ПОнОМАРёВ, к. т. н. характеристики, а также средства отладки и разрабатываемые продукты. Российская компания НПП «ГИРОНАВ», делия на поворотных стендах. Для всех мо- смещения нуля и масштабного коэффициен- созданная в 2019 году, проектирует дулей предусмотрен оптимальный алгоритм, та. Каждый прибор калибруется во всем рабо- и выпускает инерциальные МЭМС- учитывающий параметры движения и усло- чем температурном диапазоне. Модуль имеет решения: гироскопические модули, систе- вия внешней среды, что позволяет создавать цифровой выход (UART, SPI). мы ориентации и инерциальной навигации. высокоточные и энергоэффективные при- Получив грант от Фонда содействия инно- боры. Гироскопы серии МР ориентированы вациям и привлекая частный капитал для на применение в составе систем ориента- создания испытательной лаборатории, кол- Первый продукт — гироскопические ции малых БПЛА, для систем стабилизации лектив НПП «ГИРОНАВ» начал разработку модули серии МР (рис. 1) — был пред- оптико-электронных систем и т. п. Внешне высокоточных инерциальных модулей на ос- ставлен на форуме «Армия-2019» на стен- датчик представляет собой миниатюрное нове МЭМС. Позже в компанию сделало ин- де официального дилера — ГК «Радиант». устройство в 15-выводном металлостеклян- вестиции АО «ЗНТЦ», обеспечив стабильное Гироскопический модуль (датчик угловых ном герметичном корпусе для выводного финансирование ведущихся НИОКР. скоростей) серии МР предназначен для непре- монтажа на печатную плату. Габариты моду- рывного измерения угловой скорости по трем ля 29,419,410 мм, масса не более 10 г. Производственная площадка, офис и ис- ортогональным осям (рис. 2). Модуль обла- пытательная лаборатория НПП «ГИРОНАВ» дает высокой температурной стабильностью Для быстрой оценки характеристик гиро- располагаются в Зеленограде. Особое вни- скопов серии МР предлагается отладочная мание при разработке уделяется настройкам Таблица. Технические характеристики гироскопов плата (рис. 3). Для удобства ее использова- и индивидуальной калибровке каждого из- серии МР ния реализована возможность питания либо от источника с напряжением 12 В, либо Рис. 1. Внешний вид гироскопического модуля Диапазон измерения ±75; ±150; от шины USB. Выполнена гальваническая серии МР (на выбор пользователя) ±300; ±900°/с изоляция интерфейсов. В комплекте постав- Изменение масштабного коэффициента ляется ПО для быстрого старта. в диапазоне рабочих температур ±0,1% Нелинейность масштабного коэффициента В таблице приведены основные техниче- Изменение смещения нуля ±0,1% ские характеристики гироскопов серии МР. в диапазоне рабочих температур Стабильность смещения нуля ±0,2°/с На рис. 4 представлен типичный график от включения к включению вариации Аллана гироскопа МР300 с диапа- Нестабильность смещения нуля в запуске ±0,2°/с зоном измерения ±300°/с. Реакция на быстрое (вариация Аллана) изменение угловой скорости МР300-Н пока- Спектральная плотность шума норм. 7°/ч зана на рис. 5. Нелинейность передаточной ха- Полоса пропускания по уровню –3 дБ рактеристики МР300-Н отображена на рис. 6. Частота обновления данных 0,018°/c/√Гц Диапазон рабочих температур не более 160 Гц Напряжение питания Потребляемый ток до 1000 Гц Время готовности после подачи питания –40…+85 °C Скорость обмена интерфейса SPI 3,3 В ±5% Масса менее 20 мА менее 1 с до 12 Мбит/c не более 10 г Рис. 2. Блок-схема гироскопа МР Рис. 3. Внешний вид отладочной платы НТРЕ.687253.001 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 17 Рис. 4. Вариация Аллана датчика угловой скорости МР300 Рис. 5. Реакция на быстрое изменение угловой скорости МР300-Н Рис. 6. Нелинейность передаточной характеристики МР300-Н В распоряжении НПП «ГИРОНАВ» имеется испытательный центр. Весь процесс испытаний и калибровок реализован в автоматическом режиме. На одном стенде, состоящем из поворотного стола и камеры тепла-холода (рис. 7), за рабочую смену калибруется 12 гироскопиче- ских модулей серии МР в рамках стандартной процедуры. Для этого изготовлены высокоточные оснастки. Производственные мощности позволяют изготавливать более 2500 таких модулей в год. Заключение В настоящий момент НПП «ГИРОНАВ» ведет активные НИОКР. Основная задача — разработка и вывод на рынок системы простран- ственной ориентации (курсовертикали) КВМ-1, определяющей углы крена, тангажа и курса как статических, так и динамических объектов. Планируемая погрешность измерения крена и тангажа в динамике не более 0,5°, курса 2°. Помимо КВМ-1 (рис. 8), ведется работа над вы- сокостабильным трехосевым гироскопическим модулем Т-1 с неста- бильностью нуля по Аллану менее 5°/ч и спектральной плотностью шума менее 0,004°/c/√Гц. Модификации Т-1 будут иметь как аналого- вый, так и цифровой (RS-485) интерфейсы. Оба продукта предполага- ется реализовать в герметичных алюминиевых корпусах. n Рис. 7. Испытательное оборудование НПП «ГИРОНАВ» Рис. 8. Рендер корпуса экспериментального образца КВМ-1 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
18 датчики МЭМС-гироскопы: прецизионное измерение угловой скорости в высокотемпературных средах Джефф ВАТСОн (Jeff WATSon) Количество систем, в которых требуется сбор данных с датчиков, рас- [email protected] положенных в средах с очень высокими температурами, постоянно рас- тет. В последние годы достигнут значительный прогресс в области полу- Перевод: Михаил РУССКИХ проводниковых микросхем, пассивных компонентов и межсоединений, [email protected] позволяющих получать и обрабатывать данные с высокой точностью. Тем не менее потребность в датчиках, диапазон рабочих температур ко- торых достигал бы +175 °C, пока не удовлетворена, особенно в датчиках с простым в использовании форм-фактором благодаря технологии микро- электромеханических систем (МЭМС). МЭМС-датчики зачастую менее габаритные, имеют меньшее энергопотребление и дешевле по сравнению с аналогичными дискретными датчиками. Кроме того, в их корпус можно интегрировать и схемы преобразования сигналов. Введение то есть Ωr. Таким образом, если r будет изменяться со скоростью v, то возникающее тангенциальное ускорение определяется как Ωv. Для решения этой задачи был выпущен высокотемператур- Это ускорение составляет половину ускорения Кориолиса. Другой ный МЭМС-акселерометр ADXL206, который позволяет осущест- половиной будет ускорение с изменением направления радиальной влять прецизионное измерение наклона в высокотемпературных скорости, что в сумме даст 2Ωv. Если у вас есть масса (M), плат- средах. Однако в некоторых случаях все еще существует потреб- форма должна приложить силу 2MΩv, чтобы вызвать это уско- ность в дополнительных степенях свободы для выполнения точ- рение, причем масса испытает соответствующую реактивную силу. ного измерения параметров движения системы в жестких усло- В ADXRS645 использован этот эффект за счет резонирующей массы, виях окружающей среды, в рамках которой конечный продукт аналогичной человеку, движущемуся на вращающейся платформе. может подвергаться сильным ударам, вибрации и осуществлять Эта масса выполнена из поликремния и прикреплена к рамке из по- резкие движения. Такое негативное воздействие способно приве- ликремния и может резонировать только в одном направлении. сти к чрезмерному износу и преждевременному выходу из строя системы, что повлечет за собой большие затраты на техническое На рис. 2 показано, что, когда резонирующая масса движется обслуживание или простои. к краю окружности вращения, она ускоряется вправо и оказывает на рамку воздействие реактивной силы, направленной влево. Когда Для проведения точного измерения в экстремальной окружающей среде компания Analog Devices разработала новый высокотемпера- турный МЭМС-гироскоп ADXRS645 со встроенной схемой преоб- разования сигналов. Датчик обеспечивает точное измерение угловой скорости (скорости вращения) даже при воздействии на него ударов и вибрации и рассчитан на работу при температурах до +175 °C. Принцип работы МЭМС-гироскопы измеряют угловую скорость, рассчитанную Рис. 1. Пример ускорения Кориолиса из ускорения Кориолиса. Для объяснения эффекта Кориолиса рас- смотрим рис. 1. Представьте, что вы стоите на вращающейся плат- форме около ее центра. Длина синей стрелки будет определять ве- личину вашей скорости относительно земли. Если вы переместитесь в точку, которая будет ближе к краю платформы, то ваша скорость относительно земли увеличится, на что указывает более длинная синяя стрелка. Скорость увеличения вашей тангенциальной скоро- сти, вызванная вашей радиальной скоростью, и представляет собой ускорение Кориолиса. Если угловую скорость обозначить как Ω, а радиус — как r, то тан- генциальная скорость будет равна произведению этих величин, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 19 она движется к центру вращения, то прикла- Рис. 2. Демонстрация эффекта Кориолиса в случае с резонирующей кремниевой массой, подвешенной внутри рамки дывает силу, направленную вправо, как по- казано зелеными стрелками. Для того чтобы иметь возможность из- мерять ускорение Кориолиса, рамка, содер- жащая резонирующую массу, должна быть прикреплена к подложке с помощью пружин под углом 90° относительно резонирующего движения, как показано на рис. 3. На рисунке также изображены «пальцы» для измерения ускорения Кориолиса, которые определяют смещение рамки под действием приложен- ной со стороны массы силы, с помощью ме- ханизма емкостного преобразования. На рис. 4 схематично представлена вся структура гироскопа, и можно видеть, что, когда резонирующая масса движется и по- верхность, на которой установлен гироскоп, вращается, масса и ее рамка испытывают ускорение Кориолиса и перемещаются на 90° относительно колебательного движения. По мере увеличения скорости вращения мас- са смещается, и будет изменяться выходной сигнал, пропорциональный изменяющей- ся емкости. Следует отметить, что гироскоп можно разместить в любом месте вращаю- щегося объекта и под любым углом, если его измерительная ось будет параллельна оси вращения. Измерение емкости В ADXRS645 измерение смещения резо- Рис. 3. Схематичное изображение механической структуры гироскопа нирующей массы и ее рамки вследствие эффекта Кориолиса осуществляется с помо- Рис. 4. Рамка и резонирующая масса смещаются вбок из-за эффекта Кориолиса щью емкостных чувствительных элементов, прикрепленных к резонатору, как показано Подавление вибрации ствительность к линейному ускорению (или на рис. 4. Эти элементы представляют со- чувствительность к g) и к вибрации (или бой кремниевые пластины, расположенные В идеальном случае гироскоп был бы чувствительность к g2). Они могут быть до- под углом относительно двух наборов непо- чувствителен только к скорости вращения вольно значимыми, причем настолько, что движных кремниевых пластин, прикреплен- и ни к чему другому. Но на практике все могут заметно снизить номинальную ста- ных к подложке, благодаря чему образуются гироскопы обладают некоторой чувстви- бильность смещения компонента. Выходной два одинаковых по номиналу конденсатора. тельностью к ускорению из-за асимметрии сигнал некоторых гироскопов может хаотич- Смещение, вызываемое угловой скоростью, их механической конструкции и/или неточ- но изменяться в пределах полного диапазона приводит к образованию в этой системе диф- ностей в микроэлектромеханической струк- напряжения питания, если измеряемая ско- ференциальной емкости. туре. По факту гироскопы имеют несколько рость выйдет за пределы номинального диа- характеристик проявления чувствительности пазона измерения. Другие гироскопы могут На практике ускорение Кориолиса пред- к ускорению, значимость которых варьиру- прекратить выполнение измерений при воз- ставляет собой чрезвычайно слабый сиг- ется от компонента к компоненту. Наиболее действии на них ударов с силой до несколь- нал из-за отклонения пластины всего лишь существенными, как правило, являются чув- ких сотен g. Эти гироскопы не выходят на доли ангстрем и соответствующего из- менения емкости, которое составляет поряд- ка нескольких зептофарад. В связи с этим очень важно минимизировать перекрест- ную чувствительность к влиянию источ- ников паразитных помех, таких как темпе- ратура, механическое напряжение корпуса, внешнее ускорение и электрический шум. Частично это достигается за счет размеще- ния на том же кристалле, что и механический датчик, дополнительных электронных схем, в том числе усилителей и фильтров. Однако важнее проводить дифференциальные изме- рения как можно дальше по сигнальной цепи и обеспечивать корреляцию сигнала отно- сительно скорости резонатора, особенно для устранения влияния внешнего ускорения. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
20 датчики Рис. 5. Конструкция с четырьмя дифференциальными датчиками из строя полностью вследствие таких ударов, Рис. 6. Блок-схема интегрированного гироскопа следнее время растет интерес к пониманию но больше не могут измерять скорость до тех движения бурильной колонны или динамики пор, пока их не выключат и снова включат щей схемой обработки сигналов позволяет бурения для оптимального управления таки- с целью перезагрузки. получить величину ускорения Кориолиса ми параметрами, как величина приложенного и в конечном итоге выходной сигнал, со- усилия, скорость вращения и угол поворота. В ADXRS645 используется новый подход ответствующий измеряемой скорости вра- Плохая динамика бурения вследствие неточ- к измерению угловой скорости, который щения. Также здесь имеется функция само- ного управления может привести к возник- позволяет не воспринимать удары силой диагностики, которая позволяет проверить новению сильной вибрации и чрезвычайно до 1000g. Для этого в составе гироскопа пред- целостность всей сигнальной цепи, в том неустойчивому движению бура, из-за чего усмотрено четыре резонатора для дифферен- числе и сам датчик. может увеличиться время бурения до целевой циального измерения сигналов и подавления зоны, преждевременно выйти из строя обо- синфазных внешних ускорений, не имею- Пример применения рудование, усложниться управление буром, щих отношения к угловому движению. а также могут быть нанесены повреждения Верхняя и нижняя пары резонаторов, изо- Одной из отраслей, где чаще всего элек- самой скважине. В наихудших случаях обо- браженные на рис. 5, механически независи- троника подвергается воздействию жестких рудование может быть полностью выведено мы и работают в противофазе. В результате условий окружающей среды, является, пожа- из строя и оставлено в скважине, после чего они измеряют одинаковую скорость враще- луй, нефтегазовая отрасль, в которой широко приходится организовывать очень дорогосто- ния, но выдают сигналы с противоположны- применяется оборудование для скважинного ящие работы по его извлечению. ми знаками. Разница между сигналами этих бурения. В системах этого оборудования ис- датчиков используется для измерения угло- пользуется большое количество датчиков, К числу наиболее вредоносных типов дви- вой скорости, благодаря чему подавляются предоставляющих информацию о движении жения, возникающих при некачественном не имеющие отношения к вращению сигна- бурильной колонны под поверхностью зем- управлении параметрами бурения, относит- лы, оказывающие влияние на оба датчика. ли с целью оптимизации ее работы и предот- ся прерывистое скольжение. Прерывистое В итоге сигналы накладываются друг на дру- вращения повреждений. Скорость вращения скольжение представляет собой явление, при га во внутренней сети проводников до посту- бура, измеряемая в оборотах в минуту, явля- котором сам бур застревает, в то время как пления на предусилители. Таким образом, ется основным показателем, который опера- бурильная колонна продолжает вращаться. осуществляется эффективное подавление тор буровой установки должен знать в лю- При застрявшем буре нижняя часть буриль- экстремальных ускорений благодаря защите бое время. Традиционно данный параметр ной колонны будет проворачиваться до тех от попадания пропорциональных этим уско- рассчитывался с помощью магнетометров. пор, пока не наберет достаточный крутящий рениям сигналов в электронные схемы обра- Но на магнетометры оказывают сильное момент, из-за которого происходит разрыв ботки, что позволяет цепям формирования влияние присутствующие в бурильной ко- соединений, причем зачастую с очень боль- сигнала выдавать актуальную угловую ско- лонне и скважине черные металлы, создавая шой силой. Когда происходит такой раз- рость даже при самых сильных ударах. помехи. Кроме того, магнетометры должны рыв, скорость вращения бура скачкообраз- размещаться в специальных немагнитных но возрастает на очень большую величину. Реализация датчика утяжеленных бурильных трубах (защитных Прерывистое скольжение часто возникает корпусах). циклически и может продолжаться в течение Упрощенная схема гироскопа и сопутству- длительного периода. Стандартная времен- ющих ей схем усиления и измерения показа- Помимо необходимости в простом изме- на на рис. 6. рении количества оборотов в минуту, в по- Схема резонатора измеряет скорость ре- зонирующей массы, обеспечивает усиление сигналов и возбуждение для резонатора, под- держивая при этом хорошо управляемую фазу (или задержку) относительно пути прохождения сигнала Кориолиса. Схема Кориолиса используется для обнаружения движения рамки и в сочетании с последую- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 21 Рис. 7. Пример цикличности резкого роста числа оборотов при прерывистом скольжении нуля или другие алгоритмы, на которые мо- гут повлиять удары и вибрации. Кроме того, схема на основе гироскопа меньше по размеру и требует меньшего ко- личества компонентов по сравнению с фер- розондовым магнитометром, для применения которого необходима реализация нескольких осей магнитометра и дополнительных схем управления. В ADXRS645 уже имеется инте- грированная схема формирования сигналов. При этом также доступны высокотемпе- ратурные малопотребляющие микросхемы в корпусах с небольшим количеством выво- дов для оцифровки выходного сигнала этого гироскопа. Упрощенная сигнальная цепь ги- роскопического устройства с цифровым вы- ходом, способного работать при температурах до +175 °C, представлена на рис. 8. Заключение Рис. 8. Сигнальная цепь гироскопического устройства с цифровым выходом, В этой статье [1] был представлен способного работать при температурах до +175 °C ADXRS645 — первый МЭМС-гироскоп, рассчитанный на работу при температурах ная диаграмма числа оборотов при прерыви- от бура. Гироскоп ADXRS645, способный по- до +175 °C. Этот датчик позволяет с высокой стом скольжении показана на рис. 7. В связи давлять влияние вибраций, оптимален для точностью измерять угловую скорость в су- с тем, что на поверхности бурильная колонна решения данной задачи, потому что такой ровых условиях окружающей среды, причем будет продолжать нормально вращаться, бу- процесс измерения не связан с каким-либо на результат его измерений не влияют уда- рильщики зачастую могут и не подозревать, линейным движением бурильной колонны. ры и вибрации. Для создания полноценно- что такое разрушительное явление происхо- При измерении скорости вращения с помо- го устройства измерения угловой скорости дит в скважине. щью магнитометров выходной сигнал может на основе данного гироскопа имеется набор быть подвержен помехам и содержать ошиб- высокотемпературных микросхем, предна- Из этого следует, что для своевременного ки из-за сильной вибрации и неустойчиво- значенных для оцифровки выходного сиг- выявления прерывистого скольжения наи- го движения. Решение на основе гироскопа нала гироскопа с целью его последующей более важным параметром является скорость позволяет мгновенно получить актуальную обработки. Дополнительную информацию вращения бура, которая должна измерять- скорость вращения, и для его работы не тре- о высокотемпературных продуктах компании ся с высокой точностью и высокой частотой буются алгоритмы определения пересечения Analog Devices можно узнать на сайте [2]. n дискретизации в непосредственной близости литература 1. www.analog.com/en/technical-articles/mems- gyroscope-provides-precision-inertial-sensing. html 2. www.analog.com/hightemp новости ВОЛС Радиооптический передатчик эталонного сигнала компании ETL Systems Компания ETL Systems дополнила значитель- • максимальная мощность входного радиосиг- • размеры корпуса (без соединителей): ную группу своих изделий, предназначенных для нала: 16 дБм; передачи радиосигналов по волоконно-оптическим 87,8×18×150 мм; кабелям. Новая разработка компании — это радио- • уровень фазового шума: оптический передатчик SRY-TX-Y-481, предназна- –114 дБн/Гц (0,1 Гц), –123 дБн/Гц (1 Гц), • масса: 0,35 кг. ченный для передачи эталонного радиосигнала www.avrex.ru по одномодовому волоконно-оптическому кабе- –141 дБн/Гц (100 Гц), –153 дБн/Гц (1000 Гц); лю. В устройстве осуществляется преобразование радиочастотного сигнала в оптический диапазон. • длина волны в оптическом диапазоне: Передатчик выполнен в виде компактного модуля, (1310 ±10) нм; он также имеет специальный порт для мониторинга. • выходная оптическая мощность: (5,5 ±2) дБм; Основные характеристики: • напряжение электропитания: 12 В; • частота эталонного радиосигнала: 10 МГц; • потребляемая мощность: 6 Вт; • обратные потери: 18 дБ; • диапазон рабочих температур: –20…+60 °C; • мощность входного радиосигнала: 0–15 дБм; • тип радиочастотного соединителя: SMA (50 Ом) или BNC (50 Ом); • тип оптического соединителя: FC/APC или SC/APC; КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
22 датчики Датчики для медицинского оборудования: энкодер с отражающим модулем Александр ЗейнИКОВ Для того чтобы занять свое место на современном рынке медицинского [email protected] оборудования, производители стремятся разрабатывать продукты, име- ющие такие конкурентные преимущества, которые делают их особо при- влекательными для конечного пользователя. например, в последнее время растет спрос на медицинские услуги, предоставляемые, соответственно, и на управляемое в таких условиях оборудование. Популярность подобных устройств связана с тем, что повышается осведомленность пользователей о преимуществах этого подхода в первую очередь из-за существенной экономии затрат по уходу за определенной категорией больных вне ста- ционара. Таким образом, учитывая сокращение государственных дота- ций, ситуацию с CoVID-19, амбулаторное лечение с присущими ему более низкими затратами становится популярной и растущей альтернативой стационарному лечению. Введение один немаловажный момент — время вы- изделия взамен имеющихся решений. Эти хода готового продукта на рынок. Оно имеет улучшенные датчики управления движением Эта тенденция открывает большие рын- первостепенное значение, поскольку влияет с обратной связью превосходят существую- ки для компаний, которые выпускают ме- на долю рынка и на общие финансовые ре- щие энкодеры на основе магнитной техно- дицинское оборудование и начинают раз- зультаты. Чтобы не упустить возможности, логии, без увеличения стоимости или потре- рабатывать и все шире предлагают новые разработчики должны расширить поиск оп- бляемой мощности конечного приложения. мобильные, компактные и удобные в ис- тимальных решений, включив в него новые пользовании, в том числе и непрофессио- компоненты и технологии, которые пред- В статье мы обсудим технологию рефлек- налами, устройства мониторинга состояния лагают такие же или более высокие уровни тивного энкодера для отслеживания переме- пациентов и ухода за больными. Сегодня уже производительности и качества по прием- щения, а также сравним эти энкодеры с уже имеется множество диагностических и тера- лемым ценам. Кроме того, создатели новых существующими устройствами, выполнен- певтических частично и полностью автома- устройств должны стремиться обеспечить ными на основе магнитных датчиков. Также тизированных устройств, доступных для ста- оптимальные массогабаритные характери- будут рассмотрены примеры, в которых ционарного и амбулаторного применения. стики, что актуально в современных реалиях. именно решения с рефлективным энкодером В их числе диализное оборудование, пор- показывают наилучшие результаты. Основа тативные инсулиновые помпы, различные Один из примеров современных тенден- этого — малый форм-фактор и высокая точ- ингаляторы, респираторные аппараты для ций в развитии медицинского оборудова- ность, экономичность и простота в примене- искусственной вентиляции легких (ИВЛ), ав- ния — использование для отслеживания нии, выполнение требований в части мини- томатические устройства для безыгольных перемещения исполнительных механиз- мизации электромагнитных помех (ЭМП) инъекций лекарств, автоматизированные си- мов миниатюрных рефлективных (то есть и все более ужесточающихся требований стемы забора крови и многое другое. оптических с отражающей поверхностью) по электромагнитной совместимости (ЭМС) энкодеров, которые уже стали популяр- медицинской аппаратуры. Именно это дает Ожидается, что растущий спрос на ме- ными среди производителей портативных ответ на вопрос, почему рефлективные эн- дицинское оборудование подтолкнет и по- медицинских устройств. Их применение кодеры становятся оптимальным решением ставщиков компонентов к внедрению дает возможность предлагать продукты, от- с точки зрения выполнения требований к со- в производство и выводу на рынок новых личающиеся большей точностью позицио- временному медицинскому оборудованию инновационных недорогих продуктов, пред- нирования, меньшим энергопотреблением, и привлечения потребителей. назначенных для использования в медицин- весом и стоимостью, то есть с реализацией ских устройствах. Чтобы соответствовать всего того, что позволяет добиться успеха В поисках правильного решения текущей стратегии, разработчики оборудо- на рынке. Основные потребители двигате- для организации обратной связи вания должны начинать воплощение своих лей для оборудования, требующего точного идей с тщательного поиска компонентов, ко- позиционирования или поддержания ско- Рынку портативных медицинских торые отвечают их видению конечного про- рости вращения вала, уже начали не только устройств свойственна жесткая конкуренция. дукта, его прогнозируемой стоимости, на- закладывать рефлективные энкодеры в буду- Соответственно, производители устройств дежности, стандартам и форм-фактору. Еще щие проекты, но и включать их в свои новые сосредотачивают усилия на выпуске тех про- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 23 дуктов, в которых есть явное преимущество Рис. 1. Типовая блок-схема компонентов энкодера плотностью отсчетов модуля энкодера и раз-6 мм или отличительная черта, способная сделать для считывания кода положения мером соответствующего носителя или ко- их более привлекательными в глазах по- дового колеса. Взаимосвязь между выходной требителя. Такие преимущества или отли- нейное перемещение, в частности ход помпы разрешающей способностью кодировщика чия в первую очередь следуют из отзывов или иглы. Для этих целей в энкодере может CPR, размером кодового колеса, часто выра- клиентов и исследований рынка. Важными использоваться установленная на подвижной жаемым как оптический радиус Rop, и плотно- моментами здесь представляются оценки, части системы для отслеживания перемеще- стью считывания счетчика энкодера LPI полу- касающиеся ограничений или сложностей ния лента с кодом в виде ряда черных и белых чается следующим образом: в использовании существующих продуктов полос, как это показано на рис. 1. и приложений на их основе, а также оценка LPI = CPR/(2πRop). новых продуктов для удовлетворения пер- Такое решение невозможно применять спективных потребностей рынка. с энкодером, который не соответствует си- Если Rop измеряется в дюймах, то LPI — стемным требованиям по размеру, весу, точ- в строках на дюйм. Если Rop указан в милли- Не меньшее значение имеет и техническая ности и стоимости. Однако благодаря нали- метрах, то LPI в строках на мм. реализация новых продуктов, предусматри- чию почти невесомых датчиков движения вающая не только их схемотехническое ре- на основе рефлективного энкодера, длина Оптический энкодер в корпусе диаметром шение, но и конструктивное воплощение, и ширина которых не превышает 6 мм, новая 6 мм может обеспечить квадратурное разре- включая дизайн, что в целом должно соот- технология становится весьма конкуренто- шение не менее 50 CPR или выше. Для полу- ветствовать современным задачам. Кроме способной альтернативой более старым маг- чения постквадратурного выхода результат того, нельзя забывать о себестоимости, влия- нитным датчикам, выполненным на осно- можно дополнительно умножить на 4 с по- ющей на цену продукта для потенциального ве индуктивных элементов, или датчикам мощью внешнего блока электроники. потребителя. Все сказанное определит выбор на базе эффекта Холла. Кроме того, рефлек- не только дизайна и схемотехнического ре- тивный энкодер не чувствителен к внешним ∅ 6 мм шения, но и компонентов, удовлетворяющих магнитным полям, может позициониро- требованиям по себестоимости конечного ваться по коду и имеет относительно низ- Рис. 2. Типовой рефлективный энкодер решения того или иного продукта. Выбор кую цену, обеспечивая при этом большее компонентов портативного медицинского разрешение и более высокую точность, чем Номинальная рабочая частота энкодера устройства обычно оценивается по следую- магнитный энкодер. Такой типовой рефлек- определяет, насколько быстро ваш двигатель щим критериям: коммерческая доступность тивный энкодер, представленный на рис. 2, может вращаться без потери счета энкодера. в необходимых количествах, качественные хорошо вписывается в конструкцию порта- Стандартный миниатюрный двигатель по- характеристики и массогабаритные пока- тивного медицинского оборудования. стоянного тока рассчитан на скорость около затели. Дело в том, что один и тот же тип 20 000 об/мин или ниже под нагрузкой, как продукта может иметь разные наборы ха- Разрешение, частота/скорость правило, стандартные приложения работа- рактеристик, соответственно, при выборе и погрешность энкодера ют со скоростью 6000–10000 об/мин. При за- компонентов в пределах конкретного рыноч- явленной скорости двигателя стандартный ного сегмента разработчику приходится идти Кроме массогабаритных показателей, при энкодер с разрешением 50 CPR должен со- на определенные компромиссы. выборе правильного энкодера для реализации ответствовать рабочей частоте как минимум системы контроля перемещения с обратной 16,7 кГц. Стандартный магнитный энкодер Вес и размер имеют значение связью есть и другие важные критерии — с интерполятором имеет в 3–4 раза большую это разрешение устройства, частота/скорость погрешность цикла, чем сопоставимые с ним Применительно к оборудованию термин и погрешность. Разрешение определяет об- оптические энкодеры. Поэтому очень важ- «портативный» подразумевает, что устрой- щее количество шагов, которые необходимы но выбрать технологию кодирования, соот- ство должно быть не громоздким и удобным на один оборот движения поворотной си- ветствующую требованиям к проекту. Если при переноске. По сравнению с настольным стемы. Разрешение для вращающихся при- необходим выход с высокой точностью, на- или стационарно установленным оборудо- ложений измеряется как количество отсчетов пример с ошибкой цикла менее ±20°, то луч- ванием решающее значение для такого про- на один оборот (counts per revolution, CPR) шим вариантом станет использование опти- дукта приобретают его массогабаритные по- или линий на дюйм (lines per inch, LPI) для ческого энкодера. казатели — размеры и вес. Таким образом, линейных приложений. Значение CPR не обя- при выборе компонентов разработчик имеет зательно означает, что может быть достигнута Стоимость определенные ограничения по габаритным меньшая погрешность. Этот показатель обе- размерам и весу, например, не только для ис- спечивает только большее или меньшее число Производители медицинских устройств полнительных устройств медицинского обо- отсчетов на один оборот для вашего приложе- стремятся выйти на рынок портативных ме- рудования, но и для компонентов, обеспечи- ния и не раскрывает подробностей о потенци- дицинских аппаратов, предназначенных для вающих точность их позиционирования. альной ошибке. Окончательное выходное раз- решение поворотного энкодера определяется Соответственно, здесь понадобится регули- рующая или контролирующая его положение обратная связь, которая требует преобразова- ния механического движения в электрический выходной сигнал. Наиболее распространен- ным решением в этом случае становится энко- дер, прикрепленный к задней части двигателя, приводящего в действие механическую систе- му, который будет считывать данные о ско- рости вращения вала двигателя и регулиро- вать объем подачи лекарственных препаратов или медицинских газовых смесей, например кислорода. Также может регулироваться и ли- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
24 датчики Рис. 3. Модульный энкодер, встроенный в заднюю часть миниатюрного электродвигателя Рис. 5. Отслеживание линейного перемещения Рис. 4. Объемный дозатор самостоятельного применения, поскольку в текущей ситуации поль- стали более актуальны, поскольку в устройствах используются более зователи стараются экономить и сократить свои расходы на здраво- чувствительные электронные компоненты. Одна из причин это- охранение, сохраняя при этом высокую эффективность ухода. Это го связана с широким распространением устройств беспроводной стало возможным благодаря миниатюрной электронике, однако для связи, таких как сотовые телефоны, сети Wi-Fi и другие беспровод- разработчика здесь главное — найти не просто подходящий ком- ные интерфейсы. Однако, как ни странно, многие производители понент, а оптимальный с учетом разумной цены. Компоненты для двигателей продолжают разработки с энкодерами на основе ин- управления движением занимают значительную часть бюджета дивидуальных дискретных магнитных решений, чувствительных на проектирование, потому что выбор прецизионных компонентов к электромагнитным помехам. Чтобы избежать сбоев устройства управления движением ограничен и традиционно дорог. или проблем, связанных с электромагнитными помехами, инженеры должны использовать оптические энкодеры в качестве альтернативы Еще одной проблемой становится механический монтаж энкоде- магнитным, поскольку современные оптические энкодеры обладают ров. Здесь может сказаться отсутствие опыта и специализированно- большей устойчивостью к сбоям при воздействии электромагнитных го инструмента для установки энкодеров в медицинском приборе. помех, магнитных полей и разрядов статического электричества. Сегодня наиболее распространенная практика в поисках полного решения — полагаться на производителей двигателей и энкодеров. Рефлективный (отражающий) датчик перемещения: И здесь мы имеем еще один плюс в применении оптических энко- пример применения в медицинском оборудовании деров — в отличие от магнитных оптические энкодеры легко со- брать, и обычно производители предоставляют для них необходимые Уже сейчас многие типы медицинского оборудования используют сборочные приспособления и инструменты. Благодаря технологии рефлективные или отражающие энкодеры. Наиболее распространен- рефлективного энкодера у инженеров теперь есть новый проверен- ной практикой является установка оптического рефлективного энкоде- ный вариант для своих приложений, который обеспечивает низкую ра с отражением на задней части двигателя, как это показано на рис. 3. стоимость компонентов и простоту производства. При вращении вала двигателя датчик выдает сигналы, которые мо- Собственное энергопотребление гут использоваться для организации регулирующей или контролиру- ющей обратной связи. На рис. 4 показан типичный мотор-редуктор Инженеры, разрабатывающие портативные медицинские устрой- с энкодером (например, серии HEDR-542x и AS22). Двигатель через ства с батарейным питанием, для максимального увеличения времени шестерни приводит в движение ходовой винт, который нажимает работы должны поддерживать энергопотребление всех компонентов на головку поршня с запрограммированной скоростью линейного на минимально возможном уровне и использовать компоненты, по- перемещения. Энкодер фиксирует движение вала двигателя и посы- требляющие как можно меньше энергии. Это продлит время работы лает сигнал вычислительному блоку, чтобы сформировать замкну- устройства или обеспечит большую гибкость при выборе других тую регулирующую систему. В качестве альтернативы к механизму компонентов. Как правило, потребляемая мощность рефлективного перемещения может быть прикреплен модуль отражающего кодера энкодера от источника питания 3 В не превышает 30 мВт, что сопо- или кодовая полоска, как это показано на рис. 5, и таким образом мо- ставимо или меньше, чем у энкодеров более старых технологий. дуль энкодера обеспечивает отслеживание перемещения. Электромагнитная совместимость (ЭМС) Заключение При выборе правильного решения с обратной связью по переме- Поиск в коммерчески доступном семействе энкодеров подходяще- щению действует еще одно условие: устойчивость прибора к элек- го и недорогого решения при проектировании портативных меди- тромагнитным помехам (ЭМП). В последние годы проблемы ЭМП цинских устройств с регулирующей или контролирующей обратной КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 25 связью их исполнительных механизмов остается сложной задачей. Они могут успешно применяться во многих медицинских устрой- Однако современные изделия с оптическими рефлекторными дат- чиками движения значительно упрощают эту задачу. Теперь у раз- ствах, включая респираторные аппараты ИВЛ, системы анализа кро- работчиков есть доступ к новому поколению продуктов оптических энкодеров, которые обеспечивают более высокую производитель- ви, устройства для дозированной подачи лекарственных средств, ность, но при этом остаются рентабельными для портативных меди- цинских устройств. Правильный выбор общих системных приори- в автоматизированных шприцах, эндоскопических системах и систе- тетов на этапе выбора компонента упростит вашу задачу и направит разработку на путь успеха и быстрого выхода на рынок. Для этой мах автоматического забора крови. цели оптимальны именно рефлективные (отражающие) энкодеры. В этом направлении техники продукция известной во всем мире компании Broadcom включает следующие устройства: энкодер с от- ражающим модулем, в том числе AEDR-8300/8400/8500/871x/872x и AEDR-9820/9830, AR18/AR35 и модульный энкодер HEDR-542x серии AS22. n новости беспроводные технологии Законченное End-to-End-решение для сетей open RAn от Keysight Компания Keysight Technologies, Inc. представила пакет законченных поль- значительный вклад в процесс разработки стандартов O-RAN и позволяет зовательских решений, который позволяет поставщикам и мобильным опера- участникам отрасли проводить верификационные проверки соответствия торам в экосистеме открытых сетей с радиодоступом (O-RAN) проводить ве- O-RU и O-DU их требованиям с использованием утвержденных тестовых сце- рификационные проверки совместимости, эксплуатационных характеристик, нариев. Являясь связующим звеном целевой группы по безопасности альянса соответствия нормативным требованиям и безопасности мультивендорных O-RAN, Keysight помогает стимулировать отраслевые усилия по обеспечению систем 5G на основе стандартных интерфейсов O-RAN. безопасности в открытых сетях RAN. Большое количество операторов проводят развертывание архитектур Пакет Keysight Open RAN Architect (KORA) включает такие решения, полностью облачных и виртуализированных беспроводных сетей с радио- как Open RAN Studio, UeSIM, RuSIM, CoreSIM, DuSIM, CuSIM, RIC Test, доступом (RAN) на основе требований к предоставлению услуг 5G, пред- ATI Pentest, CyPerf, Breaking Point, Vision Edge, IxNetwork, CloudPeak, лагаемых альянсом O-RAN. Переход отрасли к мультивендорным сетям со- и Nemo Outdoor. провождается повышением уровня сложности в обеспечении совместимости и сохранения эксплуатационных характеристик систем. Полное сквозное Ассортимент решений разрешает проводить испытания компонентов 3GPP тестирование компонентов от периферии RAN до ядра сети 5G (5GC), начиная и O-RAN и сегментирован для поддержки следующих основных участников с ранних этапов проектирования и заканчивая интеграцией всей системы, отрасли: гарантирует сохранение всех необходимых характеристик. Комплексное • Keysight Open RAN Architect (KORA) — Chip Designer Suite: позволяет по- тестирование в гетерогенной сети позволяет поставщикам расширять возмож- ности своих проектов, а мобильным операторам — предоставлять решения, ставщикам чипсетов проверять соответствие их решений спецификациям поддерживающие предложения инновационных услуг. O-RAN с помощью специальных инструментов симуляции перед выпуском, сокращая время разработки. Концепция Keysight Open RAN Architect (KORA) предлагает интегриро- • Keysight Open RAN Architect (KORA) — NEM Suite: позволяет поставщикам ванные решения, обеспечивающие повышение скорости разработки, ин- оборудования и программного обеспечения сетей Open RAN проверять теграции и развертывания оборудования, соответствующего требованиям соответствие спецификациям O-RAN и совместимость, гарантируя, что O-RAN. Пакет адаптирован к рабочему процессу цепочки поставок, состоя- каждая функция интегрируется в мультивендорную открытую сеть RAN щей из производителей чипсетов и сетевого оборудования (NEMs), операто- с ожидаемыми характеристиками. ров мобильной связи и открытых центров тестирования и интеграции (OTIC). • Keysight Open RAN Architect (KORA) — Operator Suite: позволяет опе- Пользователям предоставляется доступ к набору решений для упрощения раторам мобильной связи проверять соответствие, совместимость и экс- обмена результатами в рамках всего рабочего процесса: от ранних этапов плуатационные характеристики подсистем, которые обеспечивают новые проектирования до развертывания системы в облаке. возможности капитализации услуг 5G. • Keysight Open RAN Architect (KORA) — OTIC Suite: позволяет открытым Компания Keysight вступила в альянс O-RAN практически сразу после его центрам тестирования и интеграции проверять соответствие, совмести- создания. Оперативное включение в работу с основными игроками отрасли мость и эксплуатационные характеристики с помощью соответствующих позволило компании накопить собственный опыт в отношении стандартов спецификациям O-RAN инструментов посредством тщательно проработан- O-RAN. Являясь одним из редакторов сертификационных требований для ных, воспроизводимых и автоматизированных процессов. испытаний оборудования на соответствие O-RAN, Keysight постоянно вносит www.keysight.com Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
26 датчики 1000 Гц при разрешении 21 Мп, возможно ли это? Взгляд на современные серийно производимые высокоскоростные КМОП-сенсоры Александр ШВеДОВ Скоростными сенсорами сегодня никого не удивить, но действительно [email protected] высокоскоростные матрицы в наши дни еще остаются экзотикой, что вы- звано в первую очередь не дефицитом применений для этих приборов, а скорее отсутствием на рынке проверенных временем и достойных про- дуктов. Все, что мы видим, — компромисс, в той или иной степени баланс параметров для конкретной задачи, позволяющий использовать прибор, сам по себе не призванный называться высокоскоростным. есть, конечно, исключения, но о них чуть позже. Схожую картину можно наблюдать в сфере ультрафиолето- нения — что говорить, ведь камеры, основанные на научных КМОП- вой сьемки: в наши дни все большую популярность обрета- сенсорах с обратной засветкой, к примеру хорошо зарекомендовавших ют УФ-камеры и спрос на них явно превышает предложение, себя первооткрывателях направления и условно единственно доступ- включая системы, основанные как на ЭОП-системах (со всеми их ны в РФ BSI-сенсорах GPIXEL серии GSENSE (рис. 1), дают неоспо- известными плюсами и минусами), так и на базе s-CMOS-сенсоров, римые преимущества при решении подобных задач. Такие сенсоры, появившихся относительно недавно и вызвавших особый интерес начиная с бюджетного Gsense2020BSI (4 Мп, пиксель 6,5 мкм) и за- к УФ-исследованиям. канчивая гигантом Gsense6060BSI (36 Мп, пиксель 9 мкм), обладают, помимо превосходной чувствительности в видимой части спектра Криминалистика, поиск и наблюдение за коронными разрядами, света (и QE до 95%), несомненно очень достойной эффективностью переносные мобильные комплексы и особенно легкие камеры для бес- в УФ (до 60%). И все это вкупе с известными преимуществами КМОП- пилотных летательных аппаратов, определенные оборонные приме- сенсора: высокой для направления кадровой частотой, цифровым сигналом на выходе, небольшой потребляемой мощностью. Кроме Рис. 1. Сенсор Gpixel Gsense4040BSI прочего, «цифра» на выходе с хорошим разрешением и привлекатель- ным динамическим диапазоном позволяет легко дополнить системы проводимыми «на борту» вычислениями, интересным функционалом. Так, в указанном выше случае, для поиска коронного разряда, замечен- ную в широком угле вспышку можно поймать и цифровым образом выделить, увеличить, наложив на основную картинку, — это простой пример полезного и информативного инструмента. Обратная история происходит с гиперспектральными сенсора- ми, ставшими прорывом в определенном смысле, предложив сверхкомпактные приборы с минимальным энергопотреблением и высокой кадровой частотой, но так и оставшись экзотикой ввиду сумасшедшего размера массива данных, вылетающего из выхода камеры. Разобрать подобный массив, названный гиперспектраль- ным кубом, — задача не из простых. Так вышло, что использование околосерийных образцов нашло небольшой отклик среди гуру — конечных пользователей, оставленных производителями камер само- стоятельно расхлебывать бесконечно пополняемую гору бессвязных без нужного подхода битов. Конечно, по прошествии лет технология не погибла и действительно постепенно получила распространение, но она едва ли может служить примером стремительного роста. Так вот, ситуация с высокоскоростными (индустриальными и научными) сенсорами, по всей вероятности, будет развиваться по быстрому сценарию — тем более что эти системы ожидаются повсеместно, и применения для них уже есть. Появятся и новые, ин- тересные и не самые очевидные сегодня задачи. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 27 Таблица 1. Высокоскоростные сенсоры Параметры Gpixel Sony Sony Ams onSemi e2v GMAX0505 gen3 IMX253 gen4 IMX532 CSG14k XGS 12000 Emerald Разрешение (H×V) 3840×3584 Размер пикселя, мкм 5120×5120 4096×3000 4512×4512 4096×3072 4096×4096 Оптический формат 2,5 3,45 2,74 (BSI) 3,2 3,2 2,8 АЦП, бит 1,1″ 1″ Максимальная 8/10/12 10/12 12 8/10/12 кадровая частота, Гц 10/12 8/10/12 102 при 10 бит 110/180 90/27 47 при 10 бит 150 при 10 бит 64 при 10 бит 74 при 12 бит при 12 бит 33 при 12 бит Выходной интерфейс 40 при 12 бит 46 при 12 бит 48×LVDS при 10 бит 8×SLVS-EC 16×LVDS 24/6×HiSPi 16×LVDS Паразитарная чувствительность 16×LVDS при 12 бит 16×LVDS 8×SLVS Рис. 2. Сенсор Alexima LUX13HS к свету / эффективность затвора 1/15 000 1/5000 1/3000 Пиковая квантовая 1/10 000 1/50 000 1/10 000 65% Возвращаясь к началу своих рассуждений, эффективность (QE) 57% 65% скажу, что, действительно, сегодня возможно Шум считывания, e– 65% 65% 75% при 500 нм при 580 нм при 480 нм подержать в руках высокоскоростной сенсор Величина квантовой ямы, e– при 500 нм при 550 нм при 500 нм 2–3 с хорошим пространственным разрешени- Динамический диапазон (DR), дБ 10 000 4,5 <2,5 ем — скажем, 2-Мп сенсор Luxima LUX19HS, Соотношение 1,6 2,3 2,3 >66 10 000 7000 способный выдать до 2500 Гц с полного ка- сигнал/шум (SNR), дБ 6500 10 000 10 000 39 >63 дра. Однако такое знакомство с технологией >65 67 зачастую стоит немалых усилий ввиду суще- Тип корпуса, мм 72 72 xxx LGA 38 ствующих экспортных ограничений (экспорт 38 20×22 40 микроэлектроники из США в РФ сегодня су- 40 40 224 LGA щественно ограничен), и, по всей видимости, 226 LGA 163 LGA 20×25 именно из-за поставки матриц сомнитель- 23,35×22,3 226 LGA LGA 20×21 ными посредниками конечный потребитель 20×23 21×20 получает приборы в спичечных коробках с ва- той в качестве транспортировочного уплотни- помрачительна и вызывает желание пере- Таблица. 2. Сверхвысокоскоростные КМОП-сенсоры теля. К сожалению, Luxima и Alexima (рис. 2) спросить: нет ли ошибки в цифрах. с разрешением 4k+ (до 21 Мп) для нас остаются экзотикой, которой мы уде- лим внимание, но с оглядкой на реалистич- Отсюда следует период подгона параме- Параметры GSPRInT4521 e2v Luxima ность применения. тров в хорошем смысле этого слова: в усло- Lince11M Lux160 виях ограниченного бюджета мы вынуждены Разрешение, Мп 21 Немного оторвемся от суперскоростных играть доступными на рынке совсем непро- 5120×4096 11 16 датчиков и окинем взором наиболее при- фильными приборами. К примеру, вырезать Оптический формат 4480×2496 4672×3416 влекательный для мирного индустриального окна интереса и, «разгоняя» лишь часть сен- Размер пикселя, мкм APS-C и surveillance-применения сегмент с форм- сора, имитировать полноценную картинку. 4,5×4,5 APS 4/3″ фактором до 1,1″, то есть комфортный для Кадровая частота 1000 при 8 бит 6×6 3,9×3,9 использования C–Mount-оптики, что явля- Конечно, нет ничего лучше — сделать при полном 500 при 10 бит ется серьезным преимуществом при выбо- сенсор на заказ — сшить костюм по разме- разрешении, Гц 250 при 12 бит 615 300 ре видеосистемы. В таблице 1 представлены ру, но это совсем другая история, которая при 10 бит доступные (или анонсированные) сенсоры, не каждому по карману и по плечу. Потребляемая 5–6 – которые вполне можно назвать высокоско- мощность, Вт 3,6 ростными в классическом понимании. Итак, начнем нашу игру. Что, если мы Динамический 64 57,8 хотим разогнаться в условно видимом диапазон, дБ (80 при HDR) 60 Представленные приборы (табл. 1) близ- спектре до сотен и тысяч кадров? Что, если Величина 7800 ки по параметрам, первые три — доступны разрешение при этом должно оставаться квантовой ямы, е– >24 000 ? 10 для заказа на территории РФ без ограниче- на уровне хотя бы современной «зеркалки»? Шум считывания, e– 45 ний или с совсем незначительными, если Чтобы иметь возможность работать с полу- 2–10 угодно, условными преградами. Большим ченным изображением и не гадать об уви- плюсом для любого производителя как круп- денном по околомегапиксельной картинке. точно. В этом случае почти 10 000 Гц — в ва- ной серии, так и в случае работы на заказ, Взгляните на таблицу 2 — все, что сегодня ших руках (табл. 3). Сумасшедшие цифры, станет pin-to-pin-взаимозаменяемость серии подходит под эти требования, можно с лег- не так ли? C–Mount сенсоров Gpixel GMAX с самым костью посчитать тремя пальцами. компактным в мире пикселем с кадровым Что же до условно популярного сегодня затвором (всего 2,5 мкм). Это очень удобно, Если же 2 Мп для регистрации процесса 4k-формата, когда подобная детализация согласитесь, иметь в арсенале четыре каме- достаточно, если вам важна форма процесса необходима для задачи, динамика которой ры, затратив усилия для разработки только и лишние строки лучше отдать во имя кадро- захватывает дух? Посмотрим на приборы, одной: 5,9, 18 и 25 Мп в форм-факторе, при- вой частоты, посмотрим скорее на те прибо- доступные для реализации таких проектов годном для бюджетной и повсеместно удоб- ры, что могут нам в этом помочь. Как види- сегодня (табл. 4). ной оптики C/CS-Mount, — это, как-никак, те, американцы здесь неплохо закрепились, рациональное вложение времени и усилий. особенно присмотревшись к ROI-режиму, С экзотикой или без — игроков на рынке скажем, для регистрации лазерного пучка, суперскоростных приборов не так и много, Вернемся к самому приятному. Порой для чего 256 строк, скорее всего, будет доста- и не составит труда их заметить и запомнить. среди задач разработчиков — фиксация про- Это старое зеленое поле давно не радовали цессов, скорость протекания которых умо- новые яркие цветы. Однако позволю себе отметить новинку конца прошлого года — модульный сенсор из нового семейства Gsprint от китайско- Таблица 3. Сверхвысокоскоростные КМОП-сенсоры с разрешением Full HD+ Параметры GSPRInT4521RoI Luxima Luxima Alexima e2v e2v LUX19HS LUX2810 AM41V4 Lince5.2MP Flash 2K Разрешение 2 2 2,8 4 5 2 (ROI, кадрирование), Мп 1920×1080 2048×1400 2368×1728 2560×2048 2048×1080 Оптический формат 2/3″ (∅22 мм) (∅16,4 мм) (∅22 мм) (∅16,4 мм) (∅13,9 мм) Размер пикселя, мкм 1″/1,18″ Кадровая частота 4,5×4,5 4/3″ 1″ 4/3″ 1″ при полном разрешении, Гц – 10×10 6,6×6,6 7×7 5×5 6×6 500 – 1500 при 8 бит Кадровая частота 2000 при 10 бит – 500 при 10 бит – при ограничении кадра – 2500 при 10 бит при 12 бит 250 при 12 бит – до 256 строк, Гц – – – 11 101 при 8 бит – – 3300 в формате VGA 5562 при 8 бит 5152 при 10 бит – – – 3551 при 12 бит 9689 при 10 бит – – КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
28 датчики Таблица. 4. Сверхвысокоскоростные КМОП-сенсоры с разрешением 4k Параметры GSPRInT4521RoI e2v Lince11M Alexima LUX160 Luxima LUX 8M e2v Flash 4K Разрешение (ROI, 16 кадрирование), Мп 10 11 8,5 4 Оптический формат 4480×2496 4704×3423 3904×2192 4096×1080 Размер пикселя, мкм (∅20 мм) 4/3″ (∅30,8 мм) APS-C (∅20 мм) 4/3″ (∅25,4 мм) APS-C Кадровая частота 4,5×4,5 4/3″ при полном 6×6 3,9×3,9 5×5 6×6 разрешении, Гц 1530 при 8 бит – – 1800 при 8 бит 953 при 10 бит 615 при 10 бит 300 при 10 бит – Кадровая частота 128 при 12 бит – 250 при 12 бит – при ограничении кадра 11 101 при 8 бит – – – до 256 строк, Гц 5152 при 10 бит ~5929 при 10 бит ? 6661 при 8 бит 3551 при 12 бит – – – го производителя Gpixel (рис. 3). Как видно ность 22 зарядового бининга, и в наших Рис. 3. Сенсор Gpixel Gsprint4521 из приведенных в таблицах 2–4 цифр, это руках — целый арсенал применений, ведь в определенном смысле прорыв в области это «всепогодный» сенсор, настроив который ма приемлемой цене сегодня этот прибор действительно высокоскоростной съемки, по своему усмотрению, мы получаем и очень особенно принимая во внимание качествен- сильный чувствительный сенсор с кадровым точно стоит нашего внимания. n но низкий уровень шума и вытекающий затвором для наукоемких задач, и индустри- из него широкий динамический диапазон, альный сенсор с приличным разрешением, который достигает выдающихся для FSI- равно как и сенсор для регистрации и изуче- сенсора 80 дБ. К прочему добавим возмож- ния суперскоростных процессов. При весь- новости измерительная аппаратура ПО TekScope PC от Tektronix с функцией расширенного анализа данных нескольких осциллографов Компания Tektronix, Inc. представила новую функцию для своего ПО Tektronix серий 4/5/6, с низкопрофильными осциллографами Tektronix се- TekScope PC для анализа сигналов на рынке контрольно-измерительного рий 5/6, осциллографами Tektronix серии DPO 70000C, 70000SX и 70000DX, оборудования. ПО TekScope PC с расширенным анализом данных нескольких а также лабораторными осциллографами TBS 1000 и TBS 2000. При этом осциллографов позволяет удаленно просматривать и анализировать данные в режиме реального времени пользователи могут извлекать данные из осцил- 32 каналов нескольких осциллографов одновременно через один интерфейс, лографов в ПО TekScope PC и проводить последующий анализ в локальном что повышает эффективность анализа. режиме, исследуя 32 канала вместе. Компания Tektronix ускорила разработку TekScope, поскольку глобальная ПО TekScope PC Software предусматривает выполнение аналитических пандемия COVID-19 радикально изменила условия труда инженеров. Так как задач на удаленном ПК. Пользователи могут анализировать временные со- многие инженеры перестали работать непосредственно в лабораториях, новая отношения осциллограмм, глазковые диаграммы и джиттер сигнала за пре- функция анализа данных с нескольких осциллографов позволяет им эффектив- делами лаборатории. Они могут собрать данные со своих осциллографов но обрабатывать, анализировать и обмениваться данными без необходимости и продолжить работу в любом месте, легко обмениваясь результатами ана- находиться рядом с осциллографом или исследуемым устройством. лиза со своими коллегами. Поступившее в продажу во всем мире 30 июня 2020 года с целью помочь клиентам анализировать сигналы в любое время Эта функция помогает удаленно управлять настройками сбора данных в любом месте, ПО TekScope предлагает следующие преимущества: на всех осциллографах одновременно без необходимости настраивать каж- • Удобство и производительность — TekScope позволяет в любом месте дый прибор отдельно. и в любое время анализировать файлы сигналов, полученные с самых раз- ПО TekScope совместимо с данными, полученными от любых осцилло- ных осциллографов, в том числе других производителей, что повышает графов Tektronix, поэтому клиенты могут воспользоваться интерфейсом эффективность работы, экономит время и исключает ненужные поездки пользователя и функциями анализа для всех существующих осциллографов. в лабораторию. Возможно удаленное соединение с осциллографами смешанных сигналов • Обмен данными — TekScope позволяет работать с реальными файлами данных, а не со снимками экрана. Пользователи могут увеличивать ос- циллограммы, перемещать курсоры, выполнять измерения и т. д., одно- временно предоставляя доступ к ним коллегам. • Анализ данных с нескольких осциллографов — ПО TekScope разработа- но для пользователей, которым нужна модульная система, расширяемая до 32 каналов. С лицензией на несколько осциллографов инженеры могут использовать TekScope с новыми или имеющимися осциллографами, что позволяет им централизованно просматривать и анализировать в режи- ме реального времени данные по 32 каналам от четырех осциллографов одновременно. • Расширение возможностей прибора — расширение функционала осцилло- графа за счет дополнительных аналитических возможностей, недоступных для встроенного ПО осциллографа. ПО TekScope совместимо с данными, получаемыми от любых осциллографов Tektronix, поэтому клиенты могут воспользоваться интерфейсом пользователя и функциями анализа для всех существующих осциллографов. www.tektronix.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Реклама
30 датчики Сенсор для сверхбыстрого измерения потоков малой скорости никита лЮТецКИй Развитие медицинских технологий и портативных устройств требует все [email protected] более точных и миниатюрных сенсоров, обладающих малым энерго- потреблением и высоким быстродействием. В статье представлен сенсор, имеющий возможность измерять малые скорости потока и определять направления и предназначенный для выполнения именно таких задач. Введение Структура сенсора Компания Innovative Sensor Technology Схематично процесс производства сенсора Рис. 2. Чувствительный слой (IST AG) разрабатывает тепловые расходо- SFS можно разложить на пять этапов. меры и предлагает решения для широкого Формирование подложки многоступенчатого литографического про- спектра задач измерения расхода. На рынке цесса, итоговый внешний вид представлен часто появляются модули измерения потока Рис. 1. Подложка сенсора на рис. 2. Сначала осаждается кремний, ле- с встроенными каналами и пассивным или гированный фосфором. Поэтому два на- активным выходом. Такие системы при- Подложка датчика SFS (рис. 1) представля- гревательных элемента и первая половина годны для выполнения многих общих за- ет собой кремниевую пластину. На подложку термобатареи формируются с помощью дач, но не для приложений, чувствительных сначала наносят оксидный слой, затем слой литографии. Затем осаждают алюминий, к цене или ограниченных в пространстве. нитрида кремния. Позже слой нитрида крем- из которого сформирована вторая полови- Датчики расхода от IST AG — это чувстви- ния образует сенсорную мембрану SFS. на термобатареи, электрические проводники тельные элементы, которые образуют основу и контактные площадки. для многих специфических задач и обеспечи- Высокая теплопроводность кремния спо- вают интеграцию в конкретный проект с уче- собствует равномерному распределению нанесение слоя пассивации том индивидуальных требований. температуры на подложке, а также постоян- Для защиты активной поверхности (на- ной референсной температуре. Это в свою Датчик потока SFS — первый расходо- очередь позволяет измерять очень малые гревателя и датчика температуры) от агрес- мер IST AG, основанный на кремниевой температурные перепады. сивных сред применяется несколько слоев технологии. С помощью SFS поток удается нанесение чувствительного слоя оксида кремния и нитрида кремния. Слой охарактеризовать не только количественно, пассивации, представленный на рис. 3, спо- но и качественно (направление потока). Это Нагреватель и датчики температуры собствует не только защите, но и стабилиза- возможно благодаря калориметрическому (термобатареи) производятся при помощи ции сенсора SFS. принципу измерения — основному для сен- сора SFS. Принцип калориметрических из- мерений базируется на нагревателе и двух находящихся рядом датчиках температуры. Нагреватель создает тепловое пятно в об- ласти потока. Расширение и сдвиг теплового пятна определяются скоростью и направле- нием потока и составом газа. Сдвиг тепло- вого пятна приводит к разнице температур между обоими датчиками температуры. Измеряя эту разницу температур, можно определить скорость потока и его направ- ление. Таблица 1. Основные характеристики и области применения Применение Рис. 3. Слой пассивации Характеристики Автоматизация Скорость потока газа 0–3,5 м/с Управление процессами Простота системной интеграции Фармацевтика и биотехнологии Определение направления потока Кондиционирование Малое время отклика Портативные устройства с батарейным питанием Низкое энергопотребление КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 31 травление При помощи травления создается полость, внешний вид которой показан на рис. 4, в кремниевой пластине под активной по- верхностью. Процесс травления останав- ливается на слое нитрида кремния, так что он преобразуется в тонкую чувствительную мембрану. Финальный этап Рис. 4. Слой после травления Рис. 5. Готовый сенсор SFS На последнем этапе пластины нарезаются, положенных рядом с нагревателем. Разница тур на датчиках равна нулю. Тепловое пятно а датчики разделяются полностью автомати- температур между двумя датчиками темпе- генерируется нагревателем с определенной зированным устройством. Модель готового ратуры зависит от расхода и поэтому может тепловой мощностью. SFS обычно работает сенсора SFS представлена на рис. 5. использоваться в качестве параметра для из- с постоянной тепловой мощностью, то есть Принцип измерения мерения расхода. она является параметром. Сенсоры скорости потока компании IST В отсутствие потока тепловое пятно явля- При возникновении потока тепловое AG — это тепловые расходомеры, использую- ется симметричным относительно нагрева- пятно смещается в сторону одного из двух щие калориметрический или анемометриче- теля, то есть в области датчиков температура датчиков температуры, в соответствии с на- ский принцип измерения. Функциональность одинаковая, — данный режим представлен правлением потока, что приводит к разнице SFS основана на принципе калориметриче- на рис. 6. Таким образом, разница темпера- температур между датчиками, режим рабо- ских измерений. Сенсор состоит из нагре- ты в присутствии потока показан на рис. 7. вателя и двух датчиков температуры, рас- До определенной точки разница температур увеличивается с ростом скорости потока. Рис. 6. Принцип работы калориметра в отсутствие потока Графически это можно представить в виде графика зависимости разницы температур на датчиках от скорости потока, показанного на рис. 8. В определенной точке или при опреде- ленном потоке поток уносит столько тепла, сколько выделяется нагревателем, и разни- ца температур достигает своего максимума. Если скорость потока становится еще боль- ше, разница температур снова уменьшается. Для датчика, работающего по калориметри- ческому принципу, максимальный диапазон расхода определяется максимумом возмож- ной разности температур, в противном слу- чае различимость сигнала теряется. Полезный сигнал SFS — это две величины напряжения термобатарей или разность двух величин напряжения, пропорциональная разности температур между двумя термо- батареями. Рис. 7. Принцип работы калориметра в присутствии потока Габаритные размеры Размеры сенсора SFS составляют 620,525 мм. Толщина мембраны из нитри- да силикона составляет примерно 2 мкм, она представлена пунктиром на рис. 9. Примеры установки Рис. 8. Зависимость разницы температур на датчиках температуры от скорости потока Рекомендуемый метод соединения для SFS — ультразвуковая сварка с алюминиевой проволокой. Сенсор SFS может быть установлен в по- лости печатной платы или непосредственно в канале потока, типовые примеры монта- жа приведены на рис. 10. Соединение между датчиком и электроникой осуществляется с помощью соединительных проводов. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
32 датчики Выходная характеристика Рис. 9. Сенсор SFS Пример типичной выходной характери- стики сенсора SFS приведен на рис. 11. Таблица 2. Факторы, влияющие на вид выходной характеристики Данная кривая получена в лабораторных Состав среды Из-за различных специфических тепловых параметров (теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости и др.) условиях, исследуемый газ — азот, температу- Загрязнение состав текучей среды оказывает влияние на формирование теплового пятна и, следовательно, на температуру, ра +25 °С, канал квадратного сечения 11 мм. фиксируемую датчиками. Отклонения кривой зависят от описанных Способ Пыль и инородные частицы могут влиять на сигнал и в худшем случае даже повредить датчик. выше условий и должны быть измерены в за- внедрения Определение потока по всему профилю должно выполняться путем экстраполяции выборочно зафиксированного висимости от конкретной задачи (табл. 2). выходного сигнала сенсора SFS. Соответственно, геометрия канала и связанный с ней профиль потока включены (косвенно) Температура в процесс калибровки. Расположение чувствительного элемента относительно профиля потока также влияет на вид кривой. Выходная характеристика сгенерирована Чувствительный элемент должен быть помещен в канал потока «правильно», чтобы охватить требуемый динамический диапазон блоком электроники при коэффициенте уси- и достичь необходимой точности измерения. Следующие факторы могут влиять на профиль потока: ления, равном 50. Выходной сигнал — раз- • диаметр канала; ность напряжений на двух термобатареях. • длина впускного отверстия; Мощность нагрева регулировалась таким об- • позиция сенсора. разом, чтобы выходное напряжение покры- Выходная характеристика зависит от температуры, поскольку, помимо прочего, она оказывает влияние вало весь диапазон расхода. Здесь выходное на тепловые параметры среды. напряжение в отсутствие потока составило 2,4 В. Как прямое следствие симметричной конструкции датчика, сигнал симметричен относительно этой нулевой точки. Упрощенная схема включения На рис. 12 приведена упрощенная схе- ма включения сенсора SFS, на которой два нагревательных резистора включены па- раллельно. Также возможно включать эти резисторы (Hz1 и Hz2) последовательно. В со- ответствии с термоэлектрическим эффектом напряжение генерируется на двух термоба- тареях (TP1 и TP2). Разность генерируемых напряжений усиливается и затем измеряется. Калибровка Рис. 10. Примеры монтажа сенсора SFS Для сенсора SFS была получена эмпириче- ская функция, представляющая зависимость выходного сигнала от скорости потока. Эта функция является основой калибровки: Uвых = a+bsign(v)e ,c|v|d где Uвых — напряжение выходного сигнала, В; v — скорость потока, м/с; sign — знаковая Рис. 11. Выходная характеристика сенсора SFS Рис. 12. Упрощенная схема включения сенсора SFS КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 33 менения. Наилучший результат может быть достигнут в случае, если все условия в процессе калибровки будут соответствовать реальным условиям эксплуатации. Анализ симметрии вокруг нулевой точки (v = 0) позволяет сделать выводы о возможном потенциале оптими- зации расположения чувствительного элемента. Найдя калибровочные параметры и подставив их в выражение, описанное выше, можно построить эмпирическую зависимость Uвых(v), показанную на рис. 13. Калибровочные параметры, рассчитанные для лабораторных усло- вий: исследуемый газ — азот, температура +25 °С, канал квадратного сечения 11 мм: a = 2,43; b = 3,36; c = 2,23; d = –0,26. Получив параметры a, b, c и d, достаточно инвертировать зависи- мость Uвых(v), чтобы определить искомую передаточную характери- стику для данных условий эксплуатации: Рис. 13. Идеальная и экспериментальная передаточные характеристики сенсора SFS v = sign(Uвых–a)((–log((|Uвых–a|)/b))/c)1/d. Заключение Благодаря симметричному дизайну сенсора SFS можно легко ин- функция, определяющая направление потока; a, b, c, d — калибро- терпретировать и оценивать измерительный сигнал. Датчик можно вочные параметры, которые должны быть определены отдельно для каждого конкретного случая путем регрессионного анализа. использовать для различных газов. Кроме того, SFS обладает широ- В простейшем случае для определения калибровочных параметров ким диапазоном измерения скорости потока, высокой чувствитель- достаточно путем прямого измерения получить четыре точки. Тем не менее рекомендуется проводить измерения в значительно боль- ностью и малым временем отклика. Правильная геометрия кана- шем количестве точек. Эти точки следует выбирать таким образом, чтобы покрыть весь динамический диапазон предполагаемого при- ла позволяет оптимально согласовать производительность датчика с конкретной задачей. Датчик потока SFS оптимален для проектов, где пространство ограничено, а также его легко модернизировать до гото- вой к использованию измерительной системы. n новости измерительная аппаратура Высоковольтные электронные клещи для стран СнГ от ООО «НПО «Горизонт Плюс» ООО «НПО «Горизонт Плюс» (г. Истра Московской обл.) завершило про- ных инженерами ООО «НПО «Горизонт Плюс» приборов внесены в Реестр цедуру подготовки комплекта документов и проведения испытаний для ут- Государственной системы обеспечения единства измерений Республики верждения типа высоковольтных токовых клещей КТ-1000-В в странах СНГ. Казахстан. Токоизмерительные клещи КТ-1000-В разработаны специалистами Сертификат утверждения типа, выданный ООО «НПО «Горизонт Плюс» ООО «НПО «Горизонт Плюс» в рамках импортозамещения для замены, пре- на клещи КТ-1000-В, позволяет использовать этот прибор электрикам и энер- жде всего, устаревших клещей марки Ц-4502. Клещи КТ-1000-В содержат гетикам Республики Казахстан. В настоящее время аналогичный комплект до- восьмиразрядный микроконтроллер со встроенным АЦП, который после пре- кументов находится на рассмотрении в Комитете по метрологии Республики образования индицирует сигнал на трехразрядном светодиодном индикаторе Беларусь. в виде действующего значения измеряемого тока. В обоих рабочих диапазо- нах — 100 и 1000 А — обеспечивается высокая точность при измерении тока www.gorizont-plus.ru на высоковольтных шинах с напряжением до 10 кВ. Клещи оснащены светодиодным индикатором высокой яркости, что по- зволяет безошибочно считывать показания даже при ярком солнце. Для ра- боты в условиях недостаточной освещенности имеется функция подсветки зоны измерения. Клещи КТ-1000-В снабжены интеллектуальной функцией сбережения заряда батарей. Если измеряемый ток менее 5 А, то по истече- нии примерно 5 мин клещи переходят в режим энергосбережения «Сон». Электронная схема, светодиодный индикатор и светодиод подсветки в этом режиме отключаются. При разрядке элементов питания клещей выполненные измерения могут стать недостоверными. Клещи сигнализируют об этом, по- переменно отображая показания измеряемого тока и специальный мнемо- символ. Для удобства пользователей съемные длинные ручки клещей (60 см) и измерительная головка с губками помещаются в удобную, носимую на плече сумку-чехол. В настоящее время высоковольтные токоизмерительные клещи серии КТ прошли испытания для утверждения типа, и ООО «НПО «Горизонт Плюс» получило разрешительные документы Комиссии Комитета технического ре- гулирования и метрологии Министерства торговли и интеграции Республики Казахстан. Токоизмерительные клещи серии КТ первыми из разработан- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
34 датчики Революция в технологии датчиков CO2 Денис ДенИСОВ Компания Sensirion [1] еще раз подтвердила свой статус ведущего раз- [email protected] работчика в области сенсоров окружающей среды, представив SCD4x — Владимир АПАРИн первый датчик Co2 в миниатюрном формате, который занимает площадь [email protected] всего 1 см3. Уникальная технология детектирования устройства основана на принципе технологии фотоакустических датчиков и сочетает мини- мальный размер с максимальной производительностью, что открывает множество новых возможностей для интеграции и применения. Благодаря отличному соотношению цены и качества SCD4x оптимален для серийного производства и чувствительных к стоимости разработок. Введение Люди становятся основным источником повышенной концентра- ции CO2 и других загрязнений в помещениях, поэтому потребность Повышение экологической сознательности влияет не только в свежем воздухе зависит от количества людей, находящихся в ком- на то, как люди живут, куда отправляются в путешествие и что едят, нате, и их деятельности (например, приготовление пищи, спорт, от- но и на то, как проектируют и обустраивают здания. Современные дых). Если люди находятся в закрытых помещениях, концентрация дома стремятся к максимальной энергоэффективности для мини- CO2 начинает расти, а качество воздуха, соответственно, понижаться. мального использования природных ресурсов, которые в основном Поэтому концентрацию углекислого газа используют как индикатор расходуются для отопления. Одно из следствий этого процесса — тен- качества воздуха и как контрольный параметр для систем вентиля- денция к созданию воздухонепроницаемых зданий, которые имеют ции: на основе измерения концентрации в помещении может быть лучшую изоляцию, чем старые постройки. Воздухонепроницаемость при необходимости включен воздухообмен, что обеспечивает здоро- зданий уменьшает воздухообмен через крыши, окна, трещины и т.д., вую и комфортную среду и высокую энергоэффективность. что отрицательно сказывается на качестве воздуха внутри. Снижение качества воздуха в помещении, в свою очередь, негативно отражается Компания Sensirion произвела революцию на рынке датчиков CO2, на производительности и благополучии людей. В конечном итоге для представив новый прибор SCD4x (рис. 1), основанный на уникальной этого требуется активная система вентиляции, которая обеспечивает технологии PASens собственной разработки. Данная технология ис- регулярный приток свежего воздуха для здорового и продуктивного пользует принцип фотоакустических измерений и предлагает рекорд- климата в помещении. А поскольку системам вентиляции необходи- ную миниатюризацию форм-фактора датчика CO2 — 10,110,16,5 мм мо большое количество энергии для кондиционирования и подачи (по сравнению с предыдущими размерами датчиков SCD30 свежего воздуха, важно обеспечить высокую энергоэффективность 35237 мм) без ущерба для его характеристик. Возможность такого систем, что стало возможным благодаря планированию вентиляций, уменьшения размеров появилась из-за того, что чувствительность регулирующих воздухообмен в зависимости от состояния окружения. датчика не зависит от размера оптической полости в отличие от прин- ципа измерения NDIR, обычно используемого сегодня. Это позволяет клиентам добиться экономичной, гибкой и компактной интеграции и использовать детекторы CO2 в тех местах и устройствах, где ранее не было достаточно места для установки подобных приборов. Кроме того, количество встроенных электрических компонентов удалось зна- чительно сократить, благодаря чему удалось снизить цену в несколько раз при неизменно точных показателях. Также применение усовер- шенствованной технологии позволило увеличить диапазон измерения от 0 частиц на 1 млн до 40 000. Миниатюризация датчика и привлека- тельная стоимость открывают многочисленные новые возможности для интеграции SCD4x в новые продукты и применения с большими объемами, такими как компактные системы вентиляции, воздухо- обменники, зонды воздуховодов, очистители воздуха, термостаты, кондиционирование воздуха, установки и мониторы качества воздуха. Эффект повышения концентрации Co2 в воздухе помещений Рис. 1. Сравнение размеров SCD30 (NDIR) и SCD4x (технология PASens) [1] Углекислый газ является одним из центральных продуктов мета- болизма человека, с помощью которого углекислые гидраты, жиры и белки преобразуются при поступлении кислорода, в частности, в СО2. Хотя он быстро растворяется на открытом воздухе, концентра- ция CO2 может интенсивно увеличиваться в закрытых помещениях. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
датчики 35 Рис. 2. Полосы поглощения типичных газов, встречающихся в атмосфере [2] воздухе. Для этого подходит метод селектив- ного возбуждения относительных колеба- ний отдельных атомов, которое достигает- ся путем поглощения инфракрасного света. На рис. 2 показаны различные полосы по- глощения типичных газов, встречающихся в атмосфере. На графике видно, что по сравнению с другими газами СО2 имеет очень выра- женную линию поглощения на длине вол- ны 4,26 мкм, что хорошо подходит для се- лективного измерения. В отличие от газовых датчиков на основе NDIR, таких как SCD30, фотоакустические датчики измеряют не ко- личество проходящего света, а количество света, поглощенного газом. Это делается кос- венно, с помощью фотоакустического эф- фекта, который обычно описывает увеличе- ние давления после поглощения света в газе. Возбужденные ИК-излучением молекулы передают колебательное возбуждение дру- гим молекулам, что приводит к увеличению кинетической энергии, то есть к локально- му повышению температуры. В замкнутом объеме увеличение кинетической энергии приводит к увеличению давления, которое может быть обнаружено датчиком давления. Общая конструкция нерезонансного фото- акустического датчика газа показана на рис. 3. Технология PASens Рис. 3. Схема установки нерезонансного фотоакустического датчика газа [1] Ключевыми компонентами фотоакусти- ческого датчика являются преимущественно В часто посещаемых многолюдных местах, лион), в помещении при недостаточной закрытый измерительный объем, освещае- вроде помещений для семинаров или учеб- вентиляции может достигать 5000 ppm. мый узкополосным инфракрасным светом, ных аудиторий, или в небольших помещени- Накопление СО2 затрудняет обмен веществ; микрофон для обнаружения изменений дав- ях, таких как, например, кабина автомобиля, уже при концентрации CO2 1000 ppm могут ления в измерительном объеме и отверстие концентрация CO2 может всего за несколько возникнуть сонливость и другие нарушения. измерительной ячейки во внешнее простран- минут увеличиться в 10 раз. В то время как ство, через которое происходит газообмен концентрация CO2 в атмосфере составляет Из-за негативного воздействия углекисло- с окружающей областью. Узкополосный ИК- в среднем около 400 ppm (частей на мил- го газа на метаболизм человека имеет смысл свет генерируется широкополосным излу- отслеживать количество CO2 в окружающем чателем, пропускающим излучаемый свет через оптический полосовой фильтр. Рис. 4. Ключевые компоненты, разработанные Sensirion для технологии PASens [1] www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
36 датчики Рис. 5. Обзор приложений в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха [1] При помощи фотоакустического датчика, 4. Через несколько десятков миллисекунд ис- Заключение такого как SCD4x, генерируется сигнал, кото- точник света отключается, в результате тем- рый определяет концентрацию CO2 следую- пература и давление измерительной ячейки И снова Sensirion находится в авангарде щим образом: уравновешиваются с окружающей средой, инноваций в области экологического кон- 1. Источник ИК-света включен и излучает и система возвращается в исходное состояние. троля, чтобы создавать более здоровую Для увеличения отношения сигнал/шум ге- и продуктивную среду. Прогресс в техно- узкополосный ИК-свет в измерительный логии спектроскопического инфракрасного объем. Это приводит к колебательным нерируемого сигнала вышеуказанный цикл детектирования датчиков SCD30 совершен- возбуждениям измеряемых молекул газа, измерения повторяется несколько раз. С этой ствуется благодаря миниатюризации больше в данном случае CO2. целью источник света модулируется, а гене- чем в 8 раз и втрое увеличенному диапазону 2. Через короткое время (обычно несколько рируемые периодические изменения давления измерений у SCD4x. миллисекунд) колебания стихают, что при- можно рассматривать как звуковые волны. водит к повышению температуры, а следо- В отличие от SCD30, для которого лампа на- SCD4x является первым датчиком CO2 вательно, и к увеличению давления. каливания была первым выбором, для SCD4x размером в 1 см3, что позволяет интегриро- 3. По сравнению со временем возбужде- был выбран излучатель на основе MEMS, вать его в различные устройства в домах без ния и снятия возбуждения молекул газа разработанный Sensirion. Его можно быстро ущерба для производительности по сравне- давление внутри измерительной камеры модулировать, и он имеет лучшую долго- нию с традиционными устройствами на ос- быстро уравновешивается, так что повы- срочную стабильность благодаря активному нове NDIR-датчиков. На рис. 5 показаны шение давления может быть зарегистриро- управлению. Для миниатюризации и защиты примеры приложений/устройств, которые вано при помощи очень чувствительного датчика от воздействия окружающей среды могут быть оснащены инновационным дат- микрофона, подключенного к измеритель- все компоненты SCD4x устанавливаются вну- чиком CO2 от Sensirion. ной камере. три измерительной ячейки (рис. 4). Новая технология для измерения параме- тров окружающей среды подтверждает ста- тус эксперта Sensirion в области сенсорных технологий и скоро ожидается в продаже. Высокая степень инновационности датчика CO2 SCD4x отмечена различными номина- циями: «Лучший из датчиков» на выставке SensorsExpo-2019, «Самый инновационный продукт» на выставке AHR2020, финалист премии AMA Innovation Award-2020. n литература Реклама 1. www.sensirion.com 2. Hodgkinson J., Ralph P. T. Optical gas sensing: a review // Measurement Science and Technology. 2013. Vol. 24. No. 1. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Реклама
38 компоненты реле Электромагнитные реле компании omron серий G6Rn и G2RL: лошадей на переправе не меняют, не правда ли? Владимир РенТЮК Вероятно, такое название может показаться странным: ну какое отноше- [email protected] ние имеют такие классические в заводской автоматике устройства, как реле, к лошадям? Однако если посмотреть в корень (как учил нас еще Козьма Прутков), мы увидим, что пришедшее к нам, и не только к нам, из французского языка слово «реле» (relais) означало место смены лоша- дей или вообще перекладных лошадок. Соответственно, и в английском это слово (relay) также касалось лошадок (подставных). но сейчас первое, что приходит на ум при этом слове, — старый добрый весело щелкающий при срабатывании компонент из области электротехники. И хотя имеют- ся реле без механических и электромагнитных частей, а мы находимся на своеобразной переправе, решая, куда пойдем дальше, не будем ме- нять наших «верных лошадок» — неоднократно выручавшие нас электро- механические реле, и рассмотрим, что нам предлагает здесь такая широко известная компания, как omron. Введение лась Майклу Фарадею, так как он первым Изобретение Генри было основано на ра- опубликовал статью с описанием этого яв- боте другого британского инженера-элек- История электромагнитных реле, как од- ления. Тем не менее Джозеф Генри не был трика Уильяма Стерджена (1783–1850), быв- ной из разновидностей электромеханиче- забыт — в его честь названа единица индук- шего сапожника и солдата, который начал ских реле, близится к двухвековому юбилею. тивности в Международной системе единиц. заниматься наукой только в 37 лет и изо- А началась она в 1835 году с одного откры- Сейчас это кажется удивительным, но он был брел электромагнит в 1825 году, но исполь- тия, сделанного талантливым американским первым, кто применил технологию создания зование им «голого» провода делало такое ученым Джозефом Генри (1797–1878). Он, электромагнита с использованием обмоток устройство, скажем так, «профессионально независимо от Фарадея, открыл новое явле- из изолированного шелком медного про- непригодным». Фотография электромаг- ние в электромагнетизме — самоиндукцию, вода, намотанного на железный сердечник, нита Джозефа Генри и рисунок его перво- а впоследствии и взаимную индуктивность. а позже сделал многообмоточный, чрезвы- го релейного устройства, представлявшего Правда, вся слава по самоиндукции доста- чайно сильный электромагнит. собой не коммутационное реле, показана на рис. 1 (на этом принципе, кстати, работа- Рис. 1. Электромагнит, с которого все началось, и «Реле-телеграф» Джозефа Генри, 1831 год ли звонки телефонных аппаратов прошлого века и дверной звонок типа «гонг»). Однако Джозеф Генри интересовался только наукой об электричестве, а реле было просто лабора- торным трюком для развлечения студентов, и патентованием «игрушек» он не замора- чивался. В нашем мире есть ученые, которые, най- дя необычный эффект, выясняют, как он ра- ботает и почему, а есть инженеры, которые находят, как этот эффект применить уже с пользой для дела. Таким инженером, на- шедшим применение «игрушки» Джозефа Генри, оказался изобретатель телеграфа Сэмюэл Морзе, использовавший идею устройства Генри для передачи сигналов кода Морзе по километрам проводов. Но в целом КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
реле компоненты 39 ние слова «реле»). Так с помощью реле уси- ливались сигналы электрического тока, за- тухающие в телеграфных проводах (рис. 3). Кроме того, на реле можно собрать ло- гические устройства и даже вычислители. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) создал вычислительную ма- шину Z3 на электромеханических реле, кото- рая считается первым в мире программиру- емым компьютером, или вспомним первую машину Алана Тюринга, разгадавшую код «Энигмы», — она была на реле, лампы по- явились потом. Логические решения на элек- тромагнитных реле используются и в насто- ящее время — например, там, где требуется устойчивость от воздействия внешнего элек- тромагнитного импульса, радиации или того и другого вместе взятых. Рис. 2. Одно из первых коммутационных электромагнитных реле, выполняющих роль зуммера, И все-таки почему и принцип действия реле; в целом, почти за два века тут мало что поменялось, электромагнитное реле? разве что пружинка может быть витой или плоской (рисунки из «Википедии») Как уже было сказано, электромагнитным изобретение Генри оставалось относительно И все-таки при чем тут и почему лошад- реле уже почти два века, вроде бы это день неизвестным в течение нескольких десяти- ки? Одно из первых применений коммута- не то что вчерашний, а позавчерашний. Ведь летий. ционных реле было не столько переключе- сейчас уже XXI век — век новых полупровод- ние, сколько усиление. Для усиления слабых никовых технологий, а мы тут про электро- Ситуация изменилась в 1860-х годах, а за- импульсов тока Сэмюэл Морзе использовал магниты с пружинками. тем в конце XIX века, с развитием и рас- по совету Джозефа Генри его электромагнит- пространением телеграфной и телефонной ное реле, якорь которого уже воздействовал Электромагнитное реле обладает рядом связи. Телефонные компании стали потре- не на колокол, а на подвижный электриче- преимуществ, отсутствующих у полупровод- бителями электромагнитных реле в очень ский контакт, подключающий внутреннюю никовых конкурентов: больших объемах, особенно после изобре- батарею к приемному электромагниту син- • Способность коммутации микротоков тения поворотного реле (мы еще называ- хронно с приходом сигнала кода Морзе. ем его шаговым), впервые разработанного Таким образом, ослабленный импульс элек- и нагрузок мощностью до 4 кВт при объ- в США Алмоном Строуджером в 1890 году, трического тока усиливался и мог уже вос- еме реле менее 10 см3. которое выполняло не простое двухпозици- приниматься приемным электромагнитом • Устойчивость к импульсным перенапряже- онное переключение, а десятипозиционное, телеграфного аппарата (или зуммером для ниям и разрушающим помехам, появляю- что позволило реализовать импульсный на- приема на слух) или передаваться дальше. щимся при разрядах молний и в результате бор телефонного номера. Одно из первых Усиление ослабленного тока с помощью коммутационных процессов в высоко- коммутационных реле, выполнявшее роль устройства Джозефа Генри напоминало сме- вольтной электротехнике, особенно при звукового излучателя — зуммера, и типовое ну уставших почтовых лошадей на станциях длинных линиях подключения. решение коммутационного электромагнит- или передачу эстафеты (это еще одно значе- • Устойчивость к внешним электромагнит- ного реле представлены на рис. 2. ным помехам. • Высокая устойчивость к коротким замы- каниям. Рис. 3. Использование первых реле для телеграфа Морзе [1] www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
40 компоненты реле Рис. 4. Пример реле G6RN-1 компании Omron и доступные конфигурации контактов (вид снизу) • Электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) же высоковольтных нагрузок на постоянном токе. Справедливости и контактной группой, пока недостижимая или трудно достижимая ради надо сказать, что последнее не в меньшей степени относится для твердотельных реле. и к полупроводниковым реле. Как известно, к недостаткам таких реле можно отнести механический износ и износ под воздействи- • Малое падение напряжения на замкнутых контактах и, как след- ем электрической дуги, зажигание которой происходит при каждой ствие, малое выделение тепла. коммутации элемента. Интересным вариантом решения проблемы является совмещение преимуществ обоих типов реле в одной вы- • Простое решение драйвера (имеются реле с уже встроенным управ- ходной ячейке. Так, полупроводниковые реле выполняют бездуговую лением), как правило, с одним напряжением, коммутация не за- коммутацию, а электромагнитные — берут на себя основную токо- висит от полярности приложенного напряжения. вую нагрузку. Качество работы электромеханических реле можно повысить, используя в схеме элементы с двойным разрывом или два • Имеются варианты поляризованных реле с импульсным управ- включенных параллельно электромеханических реле с контактами лением: импульс одной полярности — реле включено, импульс разного типа. Одна пара контактов отличается увеличенным воз- противоположной полярности — выключено. душным зазором и выполняется из более устойчивого к дуге матери- ала, например вольфрама. Серебряная пара контактов второго реле • Наличие тока удержания, который в разы меньше тока срабаты- обладает лучшими проводящими свойствами. В момент коммута- вания, позволяет для экономии электроэнергии уменьшать мощ- ции первыми замыкаются или последними размыкаются не так чув- ность управления. ствительные к дуге вольфрамовые контакты, однако большая часть тока нагрузки протекает через основные, серебряные, с наименьшим • Относительная дешевизна конечного совокупного решения (реле, рассеянием мощности, и здесь идеально подойдут реле серий G6RN драйвер, линии подключения и защита). и G2RL компании Omrom. • Наличие вариантов с нормально замкнутыми и разомкнутыми Таким образом, электромеханические реле способны пропускать контактами. большие токи и хорошо подходят для коммутации мощных индук- тивных нагрузок, в частности соленоиды управления выключате- • Большое число вариантов конфигураций контактов с одновремен- лями и катушки промежуточных реле. Этот вариант применения ным управлением нескольких цепей на включение, выключение, реле (как показано на рис. 3) не утратил актуальности и на текущий переключение и в комбинациях. момент, когда включением/выключением очень мощной нагрузки необходимо управлять относительно малым током или по длинным • Постоянная, не зависящая от коммутируемой нагрузки мощность линиям, и для этого идеально подходят наши верные лошадки — управляющей цепи, то есть применение при вариабельной или реле серий G6RN и G2RL компании Omrom. неизвестной нагрузке. реле серии g6Rn • Работа в широкой области частот от напряжения постоянного тока Серия реле G6RN компании Omron (рис. 4) представляет собой и до гигагерцового диапазона при мощностях в сотни ватт. миниатюрные силовые неполяризованные реле самого широкого • Как правило, подтвержденная эксплуатационная надежность. спектра применения с возможностью переключения нагрузки с то- • Большой действующий парк аппаратуры автоматики на предпри- ком до 8 А при напряжении 250 В AC [2]. При этом они имеют разде- ление по изоляции с изоляционным расстоянием между катушками ятиях, модернизация которого нецелесообразна, а ремонт заменой и контактами 8 мм и выдерживают между катушкой и контактами, старых реле на современные с более высокими характеристиками приложенное переменное напряжение — 4 кВ (1 мин) и импульс- достаточно прост. ное — 10 кВ (1,2/50 мкс). Реле этой серии предназначены для монтажа Однако, кроме достоинств, такие реле имеют и недостатки. Среди в отверстия на печатную плату. Их высота всего 15 мм, что составляет них — большое время переключения, ограниченный, хотя и очень примерно 60% от высоты модели реле серии G2R. Серия реле G6RN большой, электрический и механический ресурс, создание радиопомех компании Omron коммерчески доступна в двух видах исполнения: при замыкании и размыкании контактов, в ряде случаев они чувстви- тельны к сильным внешним магнитным полям. Есть еще один нюанс, имевший место в практике автора статьи. Конструкторы по требова- нию ОТК (с их точки зрения, это повысило бы ударостойкость бло- ка) закрепили реле РЭН-34 совершенно лишним стальным хомутом (у этого реле для крепления есть ушки). Хомут замкнул магнитный поток, и при затягивании винтов крепления реле отказалось работать. Кроме того, у электромагнитных реле могут возникнуть проблемы при коммутации больших индуктивных и емкостных нагрузок, а так- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
реле компоненты 41 Таблица 1. Основные технические характеристики реле серии G6RN G6RN-1A с одной нормально открытой контактной группой, работа- ющей на замыкание, SPST-NO (1a) и G6RN-1 — с одной контактной Параметр G6Rn-1, G6Rn-1A группой, работающей на переключение, SPDT (1c). Номинальное напряжение обмотки (DC) 5, 6, 12, 24 В Кроме этого, по заказу доступен вариант с суффиксом ASI. Нагрузка контакта AC К нему относятся версии с золотым покрытием контактов, выпол- (при активной нагрузке) 8 A/250 В ненных из сплава AgSnIn (отсюда и суффикс). Примите во внима- Нагрузка контакта DC ние, что используемые в некоторой аппаратуре реле с суффиксом (при активной нагрузке) 5 A/30 В ACD (AgCd) давно сняты с производства, так как компания Omron Ток контактов под давлением требований Директивы RoHS не выпускает продук- Коммутируемое напряжение 8 А (max) цию, в которой содержится кадмий. По той же причине компания Сопротивление обмотки 30 В DC (max), 250 В AC (max) не использует в реле широкого применения свинецсодержащие Ток обмотки 114, 164, 655, 2620 Ом припои. По факту широкодоступными в настоящее время являют- Мощность, потребляемая обмоткой 43,9; 36,6; 18,3; 9,2 мА ся только реле исполнения G6RN — G6RN-1(A). Реле этой серии Время срабатывания 220 мВт имеют контакты с золотым гальваническим покрытием, которое Время отпускания 15 мс в большей степени выполняет защитные функции, предотвращая Сопротивление контактов 5 мс фреттинг-коррозию. Материал контакта 100 мОм Покрытие контактов, защитное AgNi, AgSnIn (исполнение ASI) Запись реле серии G6RN при заказе показана на рис. 5. При за- Сопротивление изоляции Au казе к обозначению необходимо добавить номинальное напряжение Устойчивость к ударам 1000 МОм (min) катушки к номеру модели, например, для реле G6RN стандартного Надежность разрушение: 1000 м/с2 исполнения с защитой от попадания флюса, с контактной группой неисправность: NO: 100 м/с2, NC: 50 м/с2 SPST-NO и катушкой с рабочим напряжением 3 В: G6RN-1A DC3. Надежность, 10 000 000 срабатываний, мин., 36 000 срабатываний/ч Основные технические характеристики реле серии G6RN приведены при максимальной активной нагрузке Исполнение G6RN-1(А): в таблице 1. • 50 000 срабатываний, мин. при 250 В AC, 8A; Рабочая температура • 50 000 срабатываний, мин. реле серии g2Rl Относительная влажность Серия реле G2R компании Omron весьма обширна и объединяет Вес или 24 В DC, 5 А, 360 срабатываний/ч Исполнение G6RN-1(А)-ASI: сотни реле разного конструктивного исполнения, поэтому в рамках • Механическая 10 000 000 срабатываний, мин. данной статьи мы остановимся на реле серии G2RL (рис. 6) [3], ко- торые предназначены для монтажа в отверстия на печатную плату. при 250 В AC, 10 A, 36 000 срабатываний/ч Их высота всего 15 мм, что составляет примерно 60% от высоты по- • 50 000 срабатываний, номинальная нагрузка, добной модели реле из серии G2R. Коммерчески доступны одно- полюсные и двухполюсные реле со следующими вариантами групп 360 срабатываний/ч переключения контактов: SPST-NO (1a), SPDT (1c), DPST-NO (2a) –40...+85 °C (без конденсации и обледенения) и DPDT (2c). Аналогично реле серии G6RN, по заказу доступен ва- 5–85% (без конденсации) риант с суффиксом ASI (сплав AgSnIn), однако о наличии гальвани- 9г ческого покрытия контактов золотом в документации на реле этой серии нет указаний. Рис. 5. Запись реле серии G6RN при заказе По сравнению с G2R реле серии G2RL имеет улучшенные ха- рактеристики и выполнено в меньшем корпусе (2912,715,7 мм), коммутируя при этом более высокие токи, чем реле серии G6RN. При 250 В AC в конфигурации с одним нормально открытым или одним перекидным контактом это реле способно коммутировать Рис. 6. Пример реле G2RL-1 компании Omron и доступные конфигурации контактов (вид снизу) www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
42 компоненты реле Рис. 7. Запись реле серии G2RL при заказе токи до 16 А (резистивная нагрузка). В комбинации с двумя пере- приложенное переменное напряжение — 5 кВ (1 мин) и импульс- кидными контактами при напряжении 250 В коммутируемый ток ное — 10 кВ (1,2/50 мкс). составляет до 8 А на каждом контакте. При этом они имеют разде- ление по изоляции с изоляционным расстоянием между катушками Запись реле серии G2RL при заказе показана на рис. 7. и контактами 8 мм и выдерживают между катушкой и контактами, Параметры различных моделей реле G2RL приведены в табли- цах 2–5. Таблица 2. Параметры реле серии G2RL Таблица 4. Нагрузочные характеристики реле серии G2RL при активной нагрузке назна- Классифи- Особенности Модель номинальное Стандартное Повышенной Высокой чение кация Контакты конструкции реле реле напряжение мощности чувствительности обмотки (DC), В Тип реле SPST-NO (1a) Защита от флюса G2RL-1A Одна группа Две группы Одна группа контактов Герметичное G2RL-1A4 Тип контакта контактов контактов Материал контакта Защита от флюса G2RL-1 Номинальная нагрузка Одиночный Герметичное G2RL-14 Номинальный ток SPDT (1c) G2RL-2A Номинальное Сплав серебра (без кадмия), AgSnIn (исполнение ASI) DPST-NO (2a) Защита от флюса G2RL-2A4 коммутируемое Стандартные Герметичное G2RL-2 5, 12, 24, 48 напряжение 12 A при 250 В AC 8 A при 250 В AC 16 A при 250 В AC 10 A при 250 В AC G2RL-2-ASI Максимальный 12 A при 24 В DC 8 A при 30 В DC 16 A при 24 В DC Защита от флюса G2RL-24 5, 12, 24, 48 коммутируемый ток, А Герметичное G2RL-1A-E 5, 12, 24 12 А 8 A (+70 °C)/ 16 A 10 А G2RL-1A-E-ASI 5 A (+85 °C) DPDT (2c) Защита от флюса G2RL-1A-E-CV 5, 12, 24, 48 G2RL-1A4-E 5, 12, 24, 48 Общего Герметичное G2RL-1-E 440 В AC, 300 В DC применения G2RL-1-E-ASI 5, 12, 24 SPST-NO (1a) Защита от флюса G2RL-1-E-PW 5, 12, 24, 48 12 8 16 10 SPDT (1c) G2RL-14-E Повышенной Герметичное G2RL-1A-H 5, 12, 24 Таблица 5. Характеристики надежности реле серии G2RL мощности Защита от флюса G2RL-1-H G2RL-1-HA 5, 12, 24 Высокой SPST-NO (1a) Защита от флюса G2RL-2A-HA Параметр Значение чувствительности SPDT (1c) G2RL-2-HA Время срабатывания SPDT (1c) G2RL-1A-E-HA Время отпускания 10 мс Стандартные G2RL-1A-E-CV-HA Сопротивление контактов 5 мс DPST-NO (2a) G2RL-1-E-HA Сопротивление изоляции 100 мОм Бытовая DPDT (2c) Устойчивость к ударам 1000 МОм (min) техника Надежность Разрушение: 1000 м/с2 Повышенной SPST-NO (1a) Неисправность: 100 м/с2 мощности SPDT (1c) Надежность, 20 000 000 срабатываний, мин. (при 18 000 срабатываний/ч) при максимальной активной нагрузке Таблица 3. Электрические характеристики реле серии G2RL Исполнение G2RL-1A, G2RL-1(-HA): Рабочая температура • 50 000 срабатываний при 250 В АС, 12 А; Тип реле Рабочее Рабочий ток Сопротивление Мощность, Рабочая температура для G2RL-1A-E-CV • 30 000 срабатываний при 24 В DC, 12 А. Стандартное, напряжение обмотки реле, обмотки реле, потребляемая Относительная влажность Исполнение G2RL-2(A)(-HA), G2RL-2-ASI: постоянного тока, В обмоткой, мВт Вес • 30 000 срабатываний при 250 В АС, 8 А; мощное мА Ом • 30 000 срабатываний при 30 В DC, 8 А. Повышенной 5 400 Исполнение G2RL-1A-E(-ASI, -HA), G2RL-1-E(-ASI, -HA, -PW): 12 80,0 62,5 100 (для -PW) • 30 000 срабатываний при 250 В АС, 16 А; мощности 24 33,3 360 • 30 000 срабатываний при 24 В DC, 16 А. 48 16,7 1440 430 Исполнение G2RL-1A-E-CV(-HA): 5 8,96 5358 250 • 50 000 срабатываний при 250 В АС, 16 А, +105 °С. 12 50 96 Исполнение G2RL-1(A)-H: 24 20,8 576 250 • 50 000 срабатываний при 250 В АС, 10 А 10,42 2304 –40…+85 °C (без обледенения или конденсации) –40…+105 °C (без обледенения или конденсации) 5–85% (без обледенения или конденсации) 12 г КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
реле компоненты 43 Заключение ному поставщику. Информацию по надлежащему использованию Типовая область применения индустриальных электромагнит- электромеханических реле компании Omron общего назначения, ных реле серий G6RN и G2RL — коммутация нагрузок программи- руемых логических контроллеров (ПЛК), в том числе и контрол- включая меры предосторожности при использовании, меры пре- леров автоматизации, и самые разнообразные системы защиты и управления. досторожности для правильного применения и меры безопасно- Важность электромагнитных реле сегодня подчеркивает тот сти, можно получить по ссылке [6]. Также общая информация факт, что ими занимаются исследовательские лаборатории, а вы- пуском — большое число компаний, в том числе широко из- по реле компании Omron индустриального применения доступна вестные бренды, такие как японская компания Omron. Реле по- прежнему нужны и востребованы, это в немалой степени касается в [7, 8], а по специальным мощным малогабаритным бездуговым и наших верных, с подтвержденной, проверенной временем на- дежностью, «лошадок» — реле серий G6RN и G2RL. И хотя с мо- реле — в [9]. n мента их появления прошло уже полтора десятка лет и на рынке предлагается большое количество реле, как правило, от noname- литература производителей, менять их на переправе явно не стоит. Здесь как нельзя лучше подходит девиз компании Omron, сформулирован- 1. www.web.mst.edu/~kosbar/ee3430/ff/telegraph/relays/index.html ный ее основателем Кадзума Татеиси (Kazuma Tateisi): «Работать 2. G6RN PCB Power Relay. Miniature Power Relay for Switching 8 A. OMRON во имя лучшей жизни, лучшего мира для всех» (“At work for a better life, a better world for all”). Corporation, Cat. No. J182-E1-04. https://omronfs.omron.com/en_US/ecb/ products/pdf/en-g6rn.pdf Вся необходимая информация по реле компании Omron доступ- 3. G2RL PCB Power Relay. Low Profile Power Relay with 15.7 mm height, ideal на в последних редакциях на ее европейском и американском сай- for incorporation in miniature equipments. www.omronfs.omron.com/en_US/ тах [4, 5] (обратите внимание, там имеются отличия в предостав- ecb/products/pdf/en-g2rl.pdf лении информации), а также у ее авторизованных поставщиков. 4. www.components.omron.eu/Products/Relays Поскольку в Интернете имеется несколько вариантов специфика- 5. www.components.omron.com/ ций на реле данных серий, то для уточнения необходимо обратиться 6. General Purpose Relays. www.ia.omron.com/product/cautions/36/safety_ или в службу поддержки компании Omron, или к ее авторизован- precautions.html 7. Рентюк В. Расширение популярной серии силовых малогабаритных реле G5Q компании Omron // Компоненты и технологии. 2018. № 1. 8. Рентюк В. Проверено временем: надежные индустриальные реле компании Omron // Компоненты и технологии. 2015. № 12. 9. Рентюк В. Новая серия силовых малогабаритных реле постоянного напря- жения компании Omron // Силовая электроника. 2015. № 1. новости дисплеи 56,7″ ЖК-дисплей с ультрашироким форматным соотношением сторон 16:2,2 и разрешением 3840×537 пикселей от LITEMAX Electronics Компания LITEMAX Electronics представила но- тывать изображение с экрана при ярком внешнем • шаг пикселя: 0,374×0,374 мм; вый полосковый ЖК-дисплей серии SSH5675-INU, • угол обзора: 178° по горизонтали и вертикали; который характеризуется высокой яркостью све- освещении. • насыщение цвета: 82% (NTSC); чения экрана и ультрашироким соотношением • время отклика: 9,5 мс; сторон 16:2,2. Дисплей SSH5675-INU-M01 комплектуется • внутренний интерфейс V-by-one; • потребляемая мощность: 76,1 Вт; Для получения TFT ЖК-панелей с нестандарт- мультимедийной платой управления AD9131GDPH • габаритные размеры: 1462,5×233,8×29,7 мм; ными размерами используется технология об- • масса: 6,4 кг; резки серийных панелей стандартного формата. с интерфейсами VGA, DVI-D, HDMI, DP. • диапазон рабочей температуры: 0…+50 °C; С помощью этой операции из панелей стандарт- • диапазон температуры хранения: –20…+60 °C. ного формата (16:9) можно получить экраны Основные характеристики полоскового дисплея квадратной или полосковой формы. Полосковые www.prosoft.ru панели востребованы в рекламном и торговом SSH5675-INU-M01: секторе, а также при изготовлении различных информационных табло. В процессе обрезки • размер диагонали экрана: 56,7″; осуществляется отделение ненужных драйверов • видимая область экрана: 1428,48×199,8 мм; строк и столбцов, затем выполняется обрезка • яркость: 1000 кд/м2; под нужный формат пленок заднего и верхнего • разрешение: 3840×537 пикселей; поляризаторов. Следующий этап — разрезание • соотношение размеров сторон: 16:2; алмазной фрезой обеих стеклянных подложек панели. ЖК-кристалл, вследствие капиллярных сил, не вытекает из рабочего зазора и полностью сохраняет свое рабочее состояние. На последней стадии вдоль швов обрезки проводят герметиза- цию ЖК-зазора. Высокая яркость свечения полосковых диспле- ев семейства Spanpixel обеспечивается высокоэф- фективной системой задней подсветки на массиве светодиодов белого свечения, что позволяет счи- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
44 компоненты фильтры Фильтры электромагнитных помех компании Cosel: японское качество и надежность, проверенные временем. Часть 1. Зачем нужны фильтры ЭМП, почему лучше купить, а не делать самим, как их выбирать и у кого приобретать Владимир РенТЮК От блоков питания и преобразователей напряжения требуются не только высокие электрические характеристики, или, как сейчас принято говорить, [email protected] производительность (в первую очередь КПД), но и выполнение требований Геннадий ШТРАПенИн, по электромагнитной совместимости (ЭМС), определенные стандартами конечных приложений. Для обеспечения соответствия по ЭМС преобра- к. ф.-м. н. зователи нуждаются в специальных фильтрах электромагнитных помех (ЭМП), без которых решить эту проблему просто невозможно. Первая [email protected] часть статьи знакомит читателей с фильтрами ЭМП, их особенностями и проблемами, возникающими при их самостоятельной разработке. Также будет представлена специализирующаяся в этой области компания Cosel, чья продукция имеет хорошие перспективы на российском рынке. Типы ЭМП, водящим конструкциям и «земле», проявля- И в первом, и во втором случае они могут природа их возникновения ются как со стороны входа на линии питания быть дифференциальными (Normal Mode) и пути их минимизации (вход АС), так и со стороны выхода (нагрузка). и синфазными (Common Mode), как по вхо- ЭМП, создаваемые в импульсном источ- Рис. 1. Распределение ЭМП на примере типового импульсного AC/DC-преобразователя нике питания или преобразователе энергии, являются продуктом самой его природы, ко- торая базируется на импульсах напряжения и тока, а регулирование напряжения, тока или мощности (в том числе и стабилизация) осуществляется методами широтной или широтно-частотной модуляции. Таким об- разом, эти устройства генерируют доста- точно широкий частотный спектр помех с соответствующей их мощности энергией, которые влияют не только на работу каска- дов конечного устройства, но и на стороннее оборудование, подключенное к общей линии электропитания (кондуктивная ЭМП) или находящееся вблизи подобного устройства (излучаемая ЭМП), как показано на рис. 1. По сути их природы, ЭМП разделяются на типы в зависимости от пути прохождения тока помехи. Кондуктивные ЭМП, а это электромагнит- ные помехи, распространяющиеся по про- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
фильтры компоненты 45 Рис. 2. Типовые топологии одно- и двухкаскадного входного фильтра ЭМП для однофазной сети ду — соответственно (1) и (2), так и по выхо- Рис. 3. Характеристика подавления синфазной и дифференциальной ЭМП фильтра NAC-16-472 компании Cosel ду — соответственно (3) и (4). уменьшения пульсаций выходного напряже- ставляет около 3% от индуктивности обмотки Излучаемые ЭМП (5) могут и наводят ния источников питания на основе AC/DC- Lc и может быть эффективно использована синфазные ЭМП, которые в случае несогла- и DC/DC-преобразователей. для фильтрации высокочастотных диффе- сованности или неоднородностей в линиях ренциальных помех [9]. подключения могут создавать дифференци- Для подавления дифференциальной ЭМП альные ЭМП. Соответственно, при констру- можно использовать дроссель (катушка ин- Причина такого интересного и необычно- ировании импульсных блоков питания или дуктивности), однако для удешевления реше- го решения состоит и в том, что необходи- преобразователей возникает необходимость ния и снижения его массогабаритных харак- мо избежать насыщения сердечника. Схемы в поиске решения для подавления кондук- теристик и себестоимости такой отдельный типовых входных фильтров ЭМП для одно- тивных помех по входу (в линии питания), дифференциальный дроссель в фильтрах фазной электросети показаны на рис. 2, а ти- по выходу (в линии подключения нагрузки) ЭМП, как правило, не используется. Вместо повая характеристика подавления синфаз- и общее решение по минимизации излучае- него применяют индуктивность рассеивания ной и дифференциальной ЭМП приведена мых ЭМП. синфазного дросселя, которая проявляется из- на рис. 3 [6]. за неидеальности реальных дросселей и может В первом случае, для того чтобы шумы, задаваться конструктивно. Индуктивность Кроме правильной топологии и выбора которые приводят к возникновению ЭМП рассеяния между обмотками Ls обычно со- элементов фильтра, здесь имеют значение и появляются внутри блока питания (пре- и соответствующие конструктивные подхо- образователя), не возвращались на его входную сторону, в блок питания встраива- Рис. 4. Пути распространения и меры для минимизации кондуктивных ЭМП по входу блока питания ется фильтр, необходимый для их миними- зации (подавления). Поскольку мы имеем дело с двумя типами кондуктивных помех, то и фильтр должен быть сконструирован так, чтобы подавлять и синфазную, и диф- ференциальную ЭМП. Подавление требу- ется в полосе частот от 10 кГц для аппара- туры военного и специального назначения и от 150 кГц для аппаратуры широкого и ин- дустриального применения и контролирует- ся для всех типов оборудования до частоты 30 МГц [1]. Как правило, для этого используется специ- альный одно- или двухкаскадный LC-фильтр π-фильтра. Для подавления синфазной ЭМП предлагается синфазный дроссель, который содержит две (для однофазной сети) или три (для трехфазной сети) связанные симметрич- ные обмотки с точно обозначенным началом каждой из них и выполненные на одном зам- кнутом сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью. Использование таких сердечников не нарушает работоспо- собности фильтра, поскольку при должной симметрии они не имеют склонности к на- сыщению, так как постоянная составляющая тока создает в них противоположное по зна- ку магнитное поле и вычитается. Это свой- ство позволяет проектировать фильтры ЭМП для постоянного тока, предназначенные для КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
46 компоненты фильтры Рис. 5. Меры для минимизации кондуктивных ЭМП по выходу блока питания и типовая схема выходного фильтра Рис. 6. Пути распространения излучаемых ЭМП и общие рекомендации по минимизации их уровня ды, необходимые, чтобы эффективность фильтра не была нивелиро- тов и использование фильтра на линиях передачи данных. Не менее вана. Важно не размещать входные цепи вблизи каскадов, связанных эффективным здесь окажется и экранирование, но поскольку из- с преобразованием электрической энергии. А чтобы уменьшить по- лучаемые от источника питания ЭМП содержат высокочастотные мехи, излучаемые источником питания, требуется минимизировать составляющие часто с очень широким спектром, то эффективность влияние линий подключения, то есть фильтр следует подключать как экранирования зависит от материала экрана, его установки и условий можно ближе к входным клеммам источника питания. Общие реко- окружающей среды. Однако в первую очередь нужно очистить от по- мендации показаны на рис. 4 [7]. мех входную и выходную линии подключения блока питания. Для противодействия выходным ЭМП нужно подключать источ- Если корпус устройства не металлический то для того, чтобы заглу- ник питания к нагрузке толстыми и как можно более короткими про- шить увести помеху в источнике питания на землю, будет весьма эф- водами. Если по той или иной причине это невыполнимо, то диф- фективно применение металлической пластины или металлической ференциальную ЭМП можно уменьшить, установив на выходной пленки. Это обеспечивает низкий импеданс по напряжению перемен- линии конденсатор или фильтр, как это показано на рис. 5 [7]. ного тока между источником питания и приложением, соответствен- но, оно будет менее подвержено влиянию шума от блока питания. Проблема минимизации излучаемых ЭМП, а они нормируются Пути излучения ЭМП и общие рекомендации по минимизации их и контролируются в полосе частот 30 МГц — 1 ГГц, а в ряде случаев уровня приведены на рис. 6 [7]. и до 5 ГГц [1], осложняется тем, что они представляют собой радио- волны. Такие радиоволны излучаются от кабелей, в том числе вход- На этом проблемы не заканчиваются. Помехи могут носить явно ных и выходных линий подключения, и даже от сигнальных линий, выраженный импульсный характер в виде одиночных импульсов идущих к внешней стороне устройства, и все они в той или иной мере высокого напряжения, которые рождаются не в самом преобразова- обладают антенным эффектом. По этой причине сначала необхо- теле, а приходят на его вход извне. Поскольку рассмотренные выше димо принять соответствующие контрмеры, чтобы избежать помех фильтры ЭМП — это по своей сути фильтры низкой частоты (ФНЧ), на линии ввода/вывода. Если этого недостаточно, следует прибегнуть они должны быть сконструированы так, чтобы поглощать подобные к дополнительным решениям, таким как снижение крутизны фрон- импульсы путем их интегрирования, и такая характеристика фильтра должна нормироваться. Большую роль в этом играет правильный Рис. 7. Пример сравнения характеристик подавления импульсов длительностью 1 мкс выбор материала сердечника [6]. Пример различия в импульсных фильтрами компании Cosel в зависимости от материала сердечника характеристиках фильтров приведен на рис. 7. синфазного дросселя Кроме того, нельзя забывать и о демпфировании фильтров, в про- тивном случае при воздействии импульсов они сами станут источни- ками помех в виде гармонического переходного процесса. Реальный фильтр, по причине неидеальности входящих в него компонентов и разводки печатной платы, а также из-за взаимного влияния компо- нентов, не будет идеальным. Ряд физических факторов, приводящих к неидеальности фильтров в интересующем нас частотном диапазоне, указан в CISPR 17: 2011 (стандарт описывает методы измерения характеристик подавления пассивных фильтрующих устройств и аналога в виде ГОСТ Р не име- ет), в их числе: • насыщение сердечника дросселя подавления синфазных помех; • снижение магнитной проницаемости сердечников с ростом частоты; КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
фильтры компоненты 47 • паразитные явления в пассивных компонентах фильтра — эк- Рис. 8. График снижения мощности для фильтра NAH-06 компании Cosel вивалентная последовательная индуктивность (equivalent в зависимости от температуры окружающей среды series inductance, далее — ESL) и эквивалентная последовательная емкость (equivalent series capacitance, далее — EPC); Вторым важным моментом являются номинальное рабочее на- пряжение и ток фильтра, обеспечивающие необходимую мощность. • взаимные связи по электромагнитному полю между компонентами Здесь же следует учитывать и вносимые фильтром потери вне поло- фильтра; сы подавления помех. С этой целью для фильтра задается его сопро- тивление по постоянному току или максимальное падение напря- • неоптимальное подключение к земле (общему проводу), связанное жения. Потери приводят к нагреву элементов фильтра, в первую с особенностями конструктивного исполнения фильтра. очередь сердечников дросселей, изменяя их магнитную проницае- То есть в реальном фильтре нет и не будет идеальных проводни- мость, что влияет на характеристики подавления ЭМП. Нагрев так- же негативно скажется и на надежности фильтра. Поэтому нужно ков, индуктивностей, конденсаторов, у них появятся собственные учитывать, что характеристики мощности (чаще по рабочему току) резонансы, а также возникнут взаимные связи (индуктивные и ем- для большинства фильтров ЭМП зависят от температуры и снижа- костные) между компонентами фильтра. Реальную модель, напри- ются с ее увеличением. Поэтому в спецификациях фильтров приво- мер синфазного дросселя, можно посмотреть в [10]. Если неидеаль- дится график снижения мощности (Derating Curve), определяющий ность компонентов необходимо учитывать при разработке любого максимально допустимый коэффициент нагрузки фильтра от тем- фильтра ЭМП, то связи между компонентами для фильтров малой пературы. Пример такого графика приведен на рис. 8. мощности не столь заметны, однако при проектировании фильтров большой мощности мы уходим уже в уже область электромагнитно- Третья характеристика фильтра — его амплитудно-частотная харак- го взаимодействия [5]. теристика (АЧХ), ее задают отдельно для синфазного и дифференциаль- ного сигналов. Если нужно большее подавление, следует выбирать двух- Даже в результате столь краткого экскурса в область генерации ЭМП звенные фильтры, однако в обычной ситуации, если преобразователь и решения проблем минимизации их уровня, который не только вли- рассчитан верно, то, как правило, достаточно однозвенных фильтров. яет на работу конечного приложения, но и жестко регламентирован Схемы типовых фильтров приведены ранее на рис. 2, а типовые АЧХ — соответствующими стандартами, видно, что потребность в специ- на рис. 3. Кроме частотных, для некоторых фильтров нормируются ализированных фильтрах для их подавления довольно высока и эти, и их временные характеристики. Однако здесь есть подвох. Согласно простые на первый взгляд, устройства не так просты, как кажется. А де- стандарту, АЧХ нормируются в системе 50 Ом. То есть выходное со- лать что-то надо, поскольку ЭМС — та проблема, от решения которой противление источника испытательного сигнала и сопротивление на- не уйти (подробно в серии статей [1]). В связи с этим возникает вопрос: грузки фильтра при испытаниях являются резистивными с импедансом а как, собственно, поступить? Можно ли самим разработчикам конеч- 50 Ом (подробно, включая схемы измерений, в [6]). Соответственно, ного продукта создать такой фильтр? Можно. (Как сказала героиня из- в реальных условиях при включении фильтра уже в состав конкретного вестного фильма Эльдара Рязанова: «Можно, конечно, и зайца научить приложения его АЧХ может отличаться и при отсутствии должного курить. В принципе, ничего нет невозможного… для человека с интел- демпфирования даже приводить к росту помех. С точки зрения выбора лектом».) Но стоит ли? Нет, не стоит, если вы, конечно, не планируете фильтров по частотным и временным характеристикам компания Cosel начать их массовый выпуск как самостоятельного продукта. предлагает своим клиентам очень широкий выбор. Разработка такого фильтра потребует времени и немалых затрат, Выбор АЧХ фильтра влияет на ток утечки. А значит, этот факт а изготовление — определенных технологий, специфических ком- следует учитывать, исходя из требований к конечному приложению. понентов, поиска поставщиков и доставку от разных производи- Ток утечки обязательно задается в спецификации на конкретный тип телей, но главное, понадобятся опыт и технологическая дисципли- фильтра ЭМП. на. Нестабильность в намотке синфазного дросселя, даже на уровне плюс-минус полвитка, приводит к критическому изменению уровня Определившись с базовыми электрическими характеристиками подавления синфазной ЭМП [8]. фильтра ЭМП можно перейти к выбору его конструктивных особен- ностей, а именно к конструктивному исполнению — форм-фактору Кроме того, данный продукт придется не только изготавливать, (обычный или низкопрофильный), креплению (на поверхность или но и регулярно тестировать, а также сертифицировать по безопасности, на DIN-рейку), типу терминалов для подключения, устойчивости как минимум в составе конечного приложения. Изменение в конструк- к механическим нагрузкам (вибрация, удары). Также необходимо ции фильтра, даже замена типа лишь одного элемента, может потребо- учитывать и условия окружающей среды и осуществлять выбор в со- вать повторения дорогой и затратной по времени сертификации, при- ответствии с климатическим исполнением, диапазоном рабочих тем- чем в ряде случаев опять-таки конечного приложения [1]. Учитывая, что ператур и влажностью. вам, как правило, потребуется относительно небольшая партия таких фильтров, оптимальным вариантом будет их приобретение. Теперь воз- Последним, но от этого не менее важным, является выбор фильтра никает законный вопрос: а что, собственно, покупать? И второй: у кого? в соответствии с требованиями по безопасности — максимально допустимое напряжение изоляции, устойчивость к разрядам стати- Как выбрать оптимальный фильтр ЭМП ческого электричества, пожаробезопасность. Эти характеристики, Выполнение требований по ЭМС — проблема, от решения кото- рой, как уже было сказано, не уйти, и решать ее необходимо начиная с самых ранних стадий проектирования. Надежда на русский авось и подходы по типу «вали кулем, потом разберем» здесь не работают. Отсутствие должного внимания к ее решению, по опыту автора статьи, в том числе и горькому, приводит к дополнительным, часто значитель- ным затратам времени и средств на доработку, а то и переработку уже «готового» решения, которое проваливалось на сертификации [1]. В первую очередь при выборе фильтра необходимо учитывать об- ласть его применения и назначение. Здесь, в том числе и от компании Cosel, для выбора доступны однофазные, трехфазные фильтры ЭМП для подавления помех по входу AC/DC- и DC/DC-преобразователей, фильтры для шин постоянного тока и фильтры по выходу AC/AC- и DC/AC-преобразователей, которые, кроме подавления помех, обе- спечивают необходимую форму выходного сигнала. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021 www.kite.ru
48 компоненты фильтры О компании Cosel чтобы потом не возникли проблемы с сертификацией продукции [1], должны быть подкреплены соответствующими сертификатами Компания Cosel — это не новый производитель, предприятие основано непосредственно на выбранный фильтр. в Японии в 1969 году и является одним из ведущих мировых разработчи- ков и изготовителей высокоэффективных источников питания переменного И конечно же, учитывайте рекомендации по применению вы- тока, DC/DC-преобразователей и фильтров электромагнитных помех. Ставя бранного вами фильтра ЭМП, который не только должен быть из- во главу угла качество, надежность и гибкость в использовании, компания готовлен надежным производителем, но и получен от надежного разрабатывает одни из самых качественных и надежных продуктов, которые поставщика — только так можно быть уверенным в его характери- сегодня представлены на мировом рынке. Номенклатура изделий предназна- стиках и надлежащей работоспособности. Одним из таких изгото- чена в основном для требовательных приложений в секторах промышленно- вителей и является компания Cosel, гарантирующая поставки каче- сти, автоматизации производства, медицины, телекоммуникаций, освещения ственной продукции через сеть своих авторизованных поставщиков. и возобновляемых источников энергии. Поскольку это не столь известный в Российской Федерации произво- дитель, следует познакомиться с ним поближе. Компания Cosel основывает свою деятельность на философии управ- ления «Поддержание нашей репутации в обществе с помощью подхода, Заключение ориентированного на качество» и действует на основе принципа и практи- ки комплексного управления качеством (Total Quality Management, TQM). Во второй части статьи будут рассмотрены серии фильтров ЭМП, Компания Cosel видит своей целью производство импульсных источников которые предлагает компания Cosel. Будут представлены основных питания самого передового исполнения и высокой надежности, делая их при- характеристик доступных для заказа серий фильтров ЭМП, рас- влекательными и конкурентоспособными на рынке любой страны. Сегодня смотрены базовых различий между ними и сферы применения. n Cosel — это глобальная компания с оборотом $200 млн, в которой работают около 572 сотрудников. Офисы продаж компании расположены в Японии, литература Азии, Европе и Северной Америке. 1. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от решения кото- Преимущества компании Cosel: рой не уйти // Компоненты и технологии. 2017. № 7. • Широкая номенклатура готовых к применению продуктов: 2. 2020/2021 Short form catalog power supplies/EMI Filters. Aug. 2020. – источники питания переменного тока (AC/DC-преобразователи) www.coseleurope.eu/dl1008 мощностью 3 Вт – 10 кВт, в том числе конфигурируемые; 3. www.cosel.co.jp/en2018/products/sub06.html – DC/DC-преобразователи мощностью 1,5–700 Вт; 4. www.cosel.co.jp/en2018/index.html – фильтры (однофазные и трехфазные), 5. Манушин И. Модельно-ориентированная разработка эффективных филь- в том числе фильтры электромагнитных помех; тров подавления ЭМП для преобразователей большой мощности в CST – продукты указанных категорий для жестких условий эксплуатации. STUDIO SUITE // Компоненты и технологии. 2018. № 1. • Поддержка клиентов через своих официальных локальных дистрибью- 6. EMI Filter. Technical Notes. July 08, 2020. торов: www.cosel.co.jp/en2018/data/pdf/technotes_nf.pdf#page=2 – нет ограничений по минимальной партии для заказа; 7. Q&A FAQ Noise (Emission/EMI) type and How to reduce? – конкурентоспособные сроки производства и быстрая поставка; www.en.cosel.co.jp/technical/qanda/a0014.html – широкая техническая поддержка клиентов компании. 8. Рентюк В. Синфазные дроссели TDK-EPCOS, как решение проблемы… • Признанные во всем мире сертификаты безопасности на все продукты синфазных дросселей // Компоненты и технологии. 2020. № 1. компании. 9. Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобра- Преимущество приобретения фильтров подавления ЭМП у такой компа- зователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. нии, как Cosel, состоит в том, что в случае изменения характеристик вашего 2015. № 8. продукта, например увеличения потребляемой мощности, не потребуется 10. González-Vizuete P., Dominguez-Palacios C., Bernal-Méndez J., Martín- разработка нового фильтра — можно просто выбрать новый фильтр анало- гичного конструктивного исполнения из доступного модельного ряда. Для Prats M. A. Simple Setup for Measuring the Response to Differential Mode этого необходимо использовать руководство по выбору [2] или информацию Noise of Common Mode Chokes. www.mdpi.com/2079-9292/9/3/381/htm со страницы [3] сайта компании [4]. Выбор корректного фильтра для опреде- ленного типа оборудования требует внимательного изучения документации и АЧХ конкретных фильтров. Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2021
Search
Read the Text Version
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
- 73
- 74
- 75
- 76
- 77
- 78
- 79
- 80
- 81
- 82
- 83
- 84
- 85
- 86
- 87
- 88
- 89
- 90
- 91
- 92
- 93
- 94
- 95
- 96
- 97
- 98
- 99
- 100
- 101
- 102
- 103
- 104
- 105
- 106
- 107
- 108
- 109
- 110
- 111
- 112
- 113
- 114
- 115
- 116
