5.2 Выбор элементной базы устройства
На чертеже приведена электрическая принципиальная схема разрабатываемого лабораторного макета. Приемная рамка подключаются к розетке XS1, генераторная – к розетке XS2. DA2 – входные усилители, которые вместе с микросхемой DA4 выполняют функцию синхронного детектирования принимаемых сигналов. В качестве DA2 использованы микросхемы NE5532 производства фирмы Texas Instruments. Отличительными особенностями этих операционных усилителей является
– низкий ток потребления (330 µА);
– Rail-To-Rail выход (выход, в пределах диапазона питания);
– низкая стоимость;
Эти факторы в основном определили использование их в данном устройстве.
Микросхема DA4 – CD4051 – представляет собой мультиплексор аналоговых сигналов в диапазоне ±7,5 Вольт:
– время включения/выключения – 220 нc;
– сопротивление канала в открытом состоянии – 10 Ом.
Для сравнения, отечественная микросхема со сходными функциями К561КП2 имеет следующие характеристики: время коммутации в пределах 300 – 400 нс, сопротивление открытого ключа в пределах 350 – 500 Ом. Высокие характеристики и доступность определили использование CD4051 в разрабатываемом устройстве. Внутренняя структура и назначение выводов микросхемы приведена на рисунке 4.2[8].
Дальнейшее усиление и фильтрация сигнала происходит на DA4 (NE5532). Усиленный сигнал с выходов операционных усилителей подается на вход АЦП, входящего в состав микроконтроллера ATMEGA 16 [9], для его оцифровки и передачи на управляющую ЭВМ в целях более сложной обработки (определение геометрических размеров проносимого предмета; определение типа металла; обнаружение характерных признаков, присущих конкретному виду оружия и так далее).
Рисунок 5.1 – Внутренняя структура и назначение выводов CD4051
В схеме использовались полевые транзисторы, как наиболее хорошо подходящие транзисторы для преобразовательной и измерительной техники. Они обладают рядом преимуществ перед биполярными, кроме того, функциональнее и дешевле. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, следующие:
1) Управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.
2) В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью (в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор приобретает, благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора).
3) Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя. Вышеуказанное имеет значение, поскольку досмотровая техника эксплуатируется в различных погодных условиях.
4) Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число MOSFETов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассимметрирования токов, что, очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.
5) Полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности.
Для создания необходимого зондирующего магнитного поля, ток, развиваемый в генераторной рамке, должен иметь величину 10 ампер. Создание таких больших токов до последнего времени затрудняло построение металлодетекторов, использующих импульсный метод намагничивания. Ситуация изменилась с появлением мощных КМОП транзисторов, способных коммутировать токи величиной в десятки ампер. В данной работе используются мощные КМОП-транзисторы КП723В (аналог IRFZ40). Максимальный ток стока, на который рассчитан этот транзистор, составляет 50 А, что вполне удовлетворяет поставленным требованиям. Особенностью данного транзистора, как и многих других мощных КМОП-ключей, является включенный между стоком и истоком защитный стабилитрон (показан на рисунке 5.2). В проектируемой схеме стабилитроны, входящие в состав транзистора, ограничивают амплитуду выбросов напряжения на индуктивности генераторной рамки, что является достаточно нетривиальным решением, позволяющем не прибегать к дополнительной схеме ограничения, приводящей к усложнению устройства.
Рисунок 5.2 – Условное обозначение транзистора КП723В
Важный момент, о котором нужно помнить при использовании мощных полевых транзисторов – это достаточно высокая входная емкость Сзи (для IRFZ40 емкость порядка 2000 pF), что приводит к большим динамическим токам затвора. Для максимально быстрого включения КМОП-ключа необходим источник напряжения с минимальным внутренним сопротивлением, способный отдавать в импульсе достаточно высокий ток для заряда входной емкости транзистора. В этой ситуации использование порта микроконтроллера невозможно, поэтому для управления такими транзисторами применяют специальные микросхемы-драйверы, удовлетворяющие поставленным выше условиям. В настоящей работе использованы микросхемы IR2101 (производство International Rectifier). Внутренняя структура и расположение выводов приведено на рисунке 5.3 [10] .
Рисунок 5.3 – Внутренняя структура и назначение выводов IR2101
В состав микросхемы входят два независимых драйвера для управления мощными ключами, что позволяет строить двухтактные схемы. В данном устройстве используется две IR2101 и четыре КП723В, объединенных в мостовую схему. Использование мостовой схемы позволяет повысить мощность, отдаваемую в нагрузку (в данном случае – генераторную рамку), ровно в два раза по сравнению с двухтактным включением. Для управления работой звукового излучателя также был использован указанный полевой транзистор, поскольку он удовлетворяет всем требованиям обвязки полярного излучателя звука S-424HDT вкупе в управлением светодиодной индикацией.
Все элементы, используемые в схеме, предназначены для поверхностного монтажа, что позволяет добиться повышения надежности устройства, уменьшения энергоемкости и, как следствие, увеличения времени работы от аккумуляторной батареи.