Другие методы измерения температуры

Только что в тексте упоминались температурные сенсоры, работающие на принципах электричества. Сейчас пришло время кратко описать их характеристики для наиболее любознательных читателей.

> Полупроводниковые сенсоры температуры. После термисторов это, наверное, простейшие в использовании детекторы температуры. Наиболее распространенные сенсоры состоят из пары транзисторов. Сигнал с выхода сенсора зависит от температуры.

> Термопары. Этот тип сенсора генерирует напряжение, изменяющееся с температурой. Термопара состоит из двух проводов из разных металлов (к примеру, один — из меди, второй— из сплава меда, с никелем, сваренных или спаянных в одной точке. Такой сплав разных металлов приводит к появлению разности потенциалов, зависящей от внешней температуры. Термопары можно использовать для измерения очень высоких температур: сотен и даже тысяч градусов.

> Инфракрасные сенсоры температуры. Такие сенсоры измеряют поток инфракрасного света, испускаемого нагретыми объектами. Подобные детекторы особенно удобно использовать тогда, когда необходимо помещать сенсор на расстоянии от объекта, температуру которого нужно измерять, - к примеру, когда объект окружён коррозионной средой. На промышленных объектах и в научных лабораториях они используются широко, наряду с термопарами.

Вернемся к термисторам. Они делятся на две группы.

> Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Сопротивление термисторов данного типа уменьшается с ростом температуры.

> Термисторы с положительным температурным коэффициентом. У этих термисторов сопротивление с ростом температуры увеличивается.

На термисторе, как правило, указывается, к какому типу он относится; если же такая маркировка вдруг отсутствует, то его тип можно выяснить и самостоятельно в процессе калибровки, определяя, увеличивается или уменьшается сопротивление с ростом температуры.

В каталогах продавцов радиоэлементов сопротивление термисторов обычно приводится при температуре 25 °С. При измерении сопротивления самостоятельно мультиметром (см. главу 9) эту процедуру следует провести на нескольких температурах; эти измерения помогут откалибровать термистор по шкале. Если же детектор должен включать или отключать какой-то элемент схемы при заданной температуре, то совершенно необходимо как можно точнее измерить его сопротивление в данной точке. Термисторы имеют два вывода и не имеют полярности, так что можно не волноваться, какой именно вывод присоединить к положительному потенциалу.

Вибрации двигателя постоянного тока

Задумывались ли вы когда-нибудь, каким образом может вибрировать мобильный телефон? Нет, внутри у него нет никаких прыгающих насекомых: в качестве вибратора используется двигатель постоянного тока. Моторы, работающие от постоянного тока, могут преобразовывать электрическую энергию, например, батарейки, в механические колебания. Это движение может использоваться для поворота колес робота или для создания тех же вибраций телефона. Фактически двигатель постоянного тока можно применять везде, где требуется получать механические движения.

Важнейшую часть мотора составляет электромагнит, да и весь мотор, если разобраться, состоит из электромагнита, вращающегося на оси между двумя постоянными магнитами (рис. 5.8).

Положительный и отрицательный выводы батареи подсоединяются к двигателю так, чтобы каждый конец электромагнита имел одинаковую полярность с находящимся рядом с ним постоянным магнитом. Полюса постоянных магнитов воздействуют на электромагнит таким образом, что тот начинает вращаться вокруг своей оси вследствие неустойчивости своего положения. Как только электромагнит поворачивается на 180 градусов, его положительный и отрицательный полюса меняются местами с исходными, и магнит продолжает свое вращение вокруг оси. Полярность подключения меняется при помощи нехитрого устройства, состоящего из коллектора (сегментированного колеса, каждый сегмент которого подключен к противоположному полюсу электромагнита) и металлических щеток, которые касаются коллектора и, таким образом, изменяют полятность.

Коллектор вращается вокруг оси, а щетки находятся в фиксированном положении: одна подключена к положительному выводу батареи, вторая — к отрицательному. Поскольку ось двигателя и, следовательно, коллектор постоянно вращаются, сегменты последнего попеременно касаются только одной щетки с определенным зарядом. Это, в свою очередь, приводит к изменению полярности электромагнита.

Если вам непременно хочется самому понаблюдать за описанным механизмом работы электродвигателя постоянного тока, можно купить за несколько рублей дешевый моторчик и разобрать его на части.

Ось двигателя постоянного тока совершает несколько тысяч оборотов в минуту — многовато для большинства реальных приложений, поэтому очень часто моторы оснащают и продают с инерционным механизмом передачи (например, червячного типа), которое позволяет уменьшить скорость вращения вала до сотен оборотов в минуту (об/мин). Такой же метод используется в автомобилях для переключения скоростей в коробке передач.

В каталогах производителей электродвигателей указываются некоторые технические характеристики. Основными являются две из них.

> Скорость вращения: указывается в оборотах в минуту (об/мин, или rpm— revolutionsperminute). Это основная величина, которую нужно учитывать при подборе мотора для своих нужд. К примеру, для вращения колес управляемого игрушечного автомобиля вполне достаточно 60 об/мин, т.е. 1 оборота в секунду.

> Рабочее напряжение: указывается диапазон напряжений. В электронике удобно применять моторы, рабочие напряжения которых лежат в диапазоне от 4,5 до 12 В. Также следует проверить номинальное напряжение двигателя и количество оборотов в минуту для этого значения. Если подать на мотор напряжение, которое меньше номинального, то его вал будет вращаться на оборотах, более низких, чем указано для номинала.

Двигатели постоянного тока имеют два вывода (к которым припаиваются внешние провода): один для подключения к положительному, второй— отрицательному потенциалу. Для того чтобы двигатель заработал, достаточно просто подать на него требуемое напряжение постоянного тока и, соответственно, выключить ток, чтобы остановить вращение.

Для более эффективного контроля скорости вращения вала мотора можно использовать метод, известный под названием широтно-импулъсной модуляции (ШИМ). Данный метод заключается в подаче на мотор напряжения не постоянно, а короткими импульсами. Чем больше заполнение интервала импульсами напряжения (и, соответственно, короче промежутки между этими импульсами), тем быстрее вращается вал мотора. Если необходимо собрать устройство с контролем скорости вращения вала, например, робота, то скорость должна контролировать электроника, используя, скажем, ту же ШИМ.

Если к валу мотора присоединяются колеса, вентилятор или лопасти миксера, перед включением обязательно следует убедиться, что эти элементы присоединены безопасно. Если этого не сделать, то детали могут слететь с вала и ударить вас или стоящих рядом людей.

Не пошуметь ли немножко?

Возможно, время от времени вы задавали себе вопрос: что же такое звук? Звук представляет собой всего-навсего колебания воздуха. При разговоре, к примеру, голосовые связки человека вибрируют, в результате чего возникают звуковые волны, распространяющиеся в воздухе и достигающие ушей собеседника.

В электронике для создания звука используются громкоговорители и генераторы звука. На самом деле электроника представляет собой весьма шумную дисциплину по сравнению с другими: можно слушать музыку, пищать, заставлять выть сирены и издавать другие звуки. В следующих подразделах мы исследуем большинство устройств, позволяющих проделать все эти трюки и, наконец, услышать "голос" вашего проекта.

Говорит громкоговоритель

Большинство громкоговорителей, или динамиков, состоит из постоянного магнита, электромагнита и конуса. На рис. 5.9 показано, как эти составные части образуют одно устройство.

К конусу громкоговорителя (он называется диффузором) крепится электромагнит. Когда через него протекает электрический ток, он или приближается к постоянному магниту, или отталкивается от него (если ток течет в противоположном направлении). Движение электромагнита заставляет дрожать диффузор, т.е. создавать звуковые колебания.

Частоты, на которых громкоговоритель может вещать, измеряются в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Человеческое ухо способно воспринимать звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В зависимости от размеров и строения громкоговорителя, он способен создавать звуки в той или иной области частот. К примеру, в стереоаппаратуре используется один динамик для генерации низких частот (басов) и другой для генерации высоких. Однако, если для какой-то задачи нужно простое устройство, воспроизводящее звуки, не стоит серьезно заботиться о выборе громкоговорителя и его частотном диапазоне. Разве только если проект заключается в построении супер-пупер-высококлассной аудиосистемы, можно позволить себе потратить значительное время и средства на исследования и подбор динамиков.

Применение единиц Гц и кГц рассматривается более детально в главе 1.

Генераторы звука

Согласитесь, пищалки— это круто! Они могут использоваться для всего на свете: апример, для предупреждения о том, что кто-то зашел в комнату, или для того, чтобы сгонять не в меру заигравшегося кота с обеденного стола.

Как работает генератор звука

Вот как работают простейшие генераторы звука (зуммеры): на пьезоэлектрический кристалл подается напряжение, которое заставляет этот кристалл сжиматься или расширяться. Если подсоединить к такому кристаллу диафрагму, то изменения напряжения приведут к ее вибрации, что, в свою очередь, вызовет звуковые колебания. Такие генераторы называют пьезоэлектрическими; все они основаны на пьезоэлектрическом эффекте: способности некоторых кристаллов (например, кварца или топаза) претерпевать механические изменения под воздействием электрического тока.

Есть и такие генераторы, в которых используется электромагнит. Однако для начала мы рекомендуем ограничиться пьезоэлектрическими зуммерами, просто, чтобы уменьшить количество движущихся частей.

Пищалки имеют два вывода и богатый ассортимент внешних исполнений. Пара простейших и самых распространенных из них изображена на рис. 5.10. Чтобы правильно подать напряжение на кристалл, необходимо убедиться, что положительный потенциал подается на красный провод.

Чья пищалка громче?

Зуммер генерирует звук на одной-единственной частоте; в спецификации, однако указывается несколько параметров.

> Частота генерируемого звука: большинство генераторов формируют звуковые колебания на частотах от 2 Гц до 4 кГц. Именно на них человеческий слух воспринимает звуки лучше всего.

> Рабочее напряжение и диапазон допустимых напряжений: просто следует убедиться, что генератор работает от напряжений, которые выдает схема подключения.

> Уровень звука в децибелах (дБ): чем выше число децибел, тем громче звук издает генератор. Аналогично, чем выше напряжение, подаваемое на него (естественно, в диапазоне допустимых напряжений), тем, снова же, громче звук. (Децибелы служат для измерения ослабления/усиления сигналов относительно какого-то уровня. Для амплитуд сигналов справедлива формула N дБ = 20 lg (Aj/A2), где Aj и А2 — амплитуды сигналов. — Примеч. ред.)

Следует убедиться, чтобы громкость звука генератора лежала в диапазоне, в котором он не может нанести повреждения слуху. При уровне звука примерно 85 дБ и выше начинается раздражение слухового нерва. (Это утверждение основано на том факте, что постоянно действующий на протяжении длительного времени громкий звук может привести к нарушениям слуха. Однако уровень 85 дБ соответствует шуму взлетающего рядом самолета, и ни один зуммер не воспроизведет колебания такой мощности. — Примеч. ред.)

Часть III

Электроника на бумаге

Поиск по сайту: