MC34161在電動執(zhí)行器中的應用

摘要：MC34161／MC33161系列集成電路是一種廉價的通用電壓監(jiān)測器，可用于各種電子設備的電源電壓監(jiān)測，該器件可通過模式選擇方式來實現檢測正、負電壓的過、欠壓，以及某一正或負電壓的上、下限電壓，可直接驅動發(fā)光二極管顯示或蜂嗚器報警，也可根據需要接成控制電路。文中介紹由MC34161系列集成電路構成的電動執(zhí)行器應用電路。
關鍵詞：電動執(zhí)行器；伺服放大器；電動操作器；位置發(fā)生器；集成電路

1 MC34161系列電壓檢測集成電路簡介
MC34161／MC33161系列集成電路采用8腳雙列直插封裝，外形和引腳如圖1所示，內部等效電路如圖2所示。它由兩個相同的檢測通道組成，分別由輸入比較器、模式選擇電路、通道比較器、異或門及輸出級電路組成，同時，該電路內部還提供了一個穩(wěn)定的參考電壓源。

1．1 輸入比較器
兩個輸入比較器的門限電壓相同，其數值為1．27V±2％，并且都有25mv的滯迥電壓，以防止比較器輸入信號穿越閥值電壓時產生振蕩，輸入比較器采用同相輸入，具有較高的輸入阻抗。
1．2 模式選擇電路
該器件設有模式選擇電路，可通過模式選擇輸入端接入不同的輸入電壓以達到不同的功能，不同接法時的真值表如表1所示。

1．3 基準電壓源
該器件提供一路輸出電壓為2．54V，電流為2mA的基準電壓源，可供檢測負電壓或模式選擇時使用?；鶞孰妷涸淳哂袃炔勘Ｗo電路，當輸出電流超過2mA時，保護電路將使輸出關斷。
1．4 輸出級電路
器件的輸出級為集電極開路輸出，使應用更加靈活。由于內部電路采用了正反饋自舉電路，使該器件在靜態(tài)電流較小的情況下，具有較低的飽合壓降。器件的電氣參數可參閱文獻。
電動執(zhí)行器是電動單元組合儀表中的執(zhí)行單元，通常由伺服放大器，電動操作器及執(zhí)行機構組成，其中的電路部分包括：伺服放大器電路，電動操作器電路，位置發(fā)送器電路等。在上述三種電路中有一個共同點，就是都用到具有滯迥特性的電壓比較器，因此用MC34161電壓檢測集成電路對上述電路進行改進，在保證原電路功能的前提下，可達到簡化電路設計，降低生產成本，改善電路性能的效果。

2 MC34161在伺服放大器中的應用
伺服放大器是電動執(zhí)行器中的重要部件，其主要作用是將來自調節(jié)器的電流信號與位置發(fā)送器的電流信號進行綜合放大，根據其差值控制交流電子開關的通斷，進而控制伺服電機按要求運轉。
目前普通型伺服放大器內部通常由前置級、中間級、輸出級組成。其中前置級多為隔離放大器(本文以磁放大器為例)；中間級為交流開關驅動級，其實質是電壓比較器；輸出級為交流電子開關。驅動級的作用是對磁放的輸出信號進行判斷，當磁放輸出電壓的絕對值大于死區(qū)電壓時，驅動級會使某個交流電子開關的通斷發(fā)生變化，根據伺放中間級的功能和作用，用MC34161集成電路構成伺放的交流開關驅動級，由于其自身具有滯迥特性可使電路更加簡單，性能更加優(yōu)良。

用MC34161構成伺放的中間級，其實質就是將磁放的輸出電壓作為被監(jiān)測的電壓信號，由于MC34161內部輸入電壓比較器的門限電壓為1．27V±0．2％，而磁放在輸入信號之差大于150μA(II)或240μA(III)時，其輸出電壓為±1V，因此，為使MC34161能對磁放的輸出電壓進行有效檢測，需將磁放的輸出電壓進行遷移，即加一個偏移電壓使磁放的輸出電壓大于MC34161內部的門限電壓，圖3中給出了重新設計的伺放原理電路。圖中，前置級仍然采用磁放大器，I1、I2、I3為輸入信號，If為位置發(fā)送器信號。中間級采用MC34161構成驅動級，輸出級采用固態(tài)繼電器作為交流電子開關。
在圖3電路中，將MC34161模式選擇端接在大于2．8V的電源上，使通道比較器A3、A4的輸出均為“0”，從而構成雙路正電壓過壓檢測電路。恒流管2DH及電阻R5用于產生遷移電壓。電阻R1、R2(R1=R2)、R3、R4(R3=R4)將磁放大器的差動輸出信號轉換成對地的單端信號，以利于檢測電路的信號處理。
由伺服放大器的原理可知，當磁放大器的輸出端電壓Uab=Ua-Ub=0(或小于死區(qū)電壓)時，伺服放大器中的電子開關SSR1、SSR2均關斷，此時電機停轉；當Uab>0時，其中一個電子開關(例如SSR1)導通，電機朝著一個方向運轉，而當Uab0時，另一個電子開關SSR2導通，電機將朝著另一方向運轉。根據伺服放大器的原理，由圖3可知，當磁放的輸出電壓Uab>0時，應有：

式中：Uab為MC34161內部輸入電壓比較器的門限電壓，其值為1．27V±0．2％，Up=IhR5為遷移電壓。而此時：

因此，只要合理選擇電路參數，就可在Uab>0時，SSR1導通，SSR2關斷，電機正轉；同理，當Uab0時，SSR1關斷，SSR2導通，電機反轉。
由圖可知，改變R5的阻值可調節(jié)伺服放大器的靈敏度即“死區(qū)”電壓的大小。電路中，R1=R2=2．2kΩ，R3=R4=10kΩ，2DH選1mA左右的恒流二極管，R5用1．5kΩ的電位器代替，調節(jié)電位器使Up=1．27V左右即可。

3 D型電動操作器中的中途限位電路
電動操作器是電動單元組合儀表中的輔助單元，通常與電動執(zhí)行器配合使用，安裝在控制室內，完成對電動執(zhí)行器的手動操作及手動／自動之間的無擾動切換，同時具有閥位指示和中途限位功能。利用MC34161集成電路對D型操作器的限位電路進行改進，可使電路更加簡單可靠，安裝調試更加方便，其原理電路如圖4所示。圖中，將MC34161的模式選擇端接在基準電壓輸出端，使通道比較器A3的輸出為“1”，A4的輸出為“0”，從而構成正電壓上、下限電壓檢測器電路。電流If為位置發(fā)送器的輸出電流，Rf為電流取樣電阻，通過測量取樣電阻上的電壓Uf可以判斷電動執(zhí)行器輸出軸的位置，據此，可判斷執(zhí)行器輸出軸是否需要限位。由于通過取樣電阻的電流是位置發(fā)送器的輸出電流，其阻值不能太大，而為了滿足MC34161對檢測電壓的要求，需要在取樣電壓Vf上疊加一個偏移電壓，使檢測電壓數值加大，圖中采用恒流二極管2DH及電位器Rw1、Rw2、電阻R1、R2組成偏移電壓產生電路。

由圖可知，由輸入電壓比較器A2、通道比較器A4、異或門y2及晶體管T2以及外接繼電器J2組成上限限位比較器電路，而由A1、A3、y1、T1以及繼電器J1組成下限限位比較器電路。當位置發(fā)送器輸出電流If大于上限設定值時，U3>1.27V，使輸入比較器A2的輸出為高電平“1”，于是異或門y2使晶體管T2導通，繼電器J2觸點動作，使放大器相對應的電子開關關斷，電機停止轉動。當位置發(fā)送器電流If小于下限設定值時，U21．27V，輸入比較器A1輸出低電平“0”，異或門y1使晶體管T1導通，繼電器J1觸點動作，使伺服放大器相對應的電子開關關斷，電機停止轉動。
在圖4電路中，選恒流管的恒流值Ih=2mA，Rw1+R1=Rw2+R2，設電位器Rw1的動點對Uf點的電阻為R1f電位器Rw2的動點對UL點的電阻為R2f。因此由圖可得，上限比較器的輸入電壓為：

以III型儀表為例，If為4～20mA，如果要求執(zhí)行器上限設定范圍為45°～90°，則對應的電流If為12～20mA，若選Rf=50Ω，則由(3)式可得上限電路參數R1f=170Ω～570Ω；如果要求執(zhí)行器輸出軸的下限設定范圍為0°～45°，則對應的電流If為4～12mA，由(4)式可得下限電路參數R2f=570Ω～970Ω。綜合上述，我們可選R1=R2=560Ω，Rw1=Rw2=620Ω。因此，圖4電路只要合理選擇Rw1、Rw2的阻值就可滿足III型儀表的需要。

4 位置發(fā)送器中的電子限位電路
位置發(fā)送器通常與執(zhí)行機構一起安裝在工作現場，工作環(huán)境惡劣，對其可靠性要求很高，目前大多數執(zhí)行機構中的位置發(fā)送器，都具有行程限位功能，有機械限位及電子限位兩種，電子限位是通過電子電路間接檢測并判斷執(zhí)行機構運行時輸出軸的所在位置，然后控制交流電子開關，進而達到控制伺服電機運轉的目的。由于MC34161的輸入電壓比較器自身具有滯回特性，因此用其改造位置發(fā)送器的電子限位電路能達到簡化電路，改善性能的效果。圖5是用MC34161構成電子限位電路的II型位置發(fā)送器電路。

圖中，將MC34161模式選擇端(7腳)接參考電壓輸出端(1腳)構成正電壓上、下限電壓檢測電路，從而控制雙向可控硅的導通與關斷，進而
達到控制電機的目的。運放A5及晶體管9013等構成II型位置發(fā)送器電路，由晶體管9013的集電極輸出0～10mA直流電流IL作為輸出電流。電位器W1為導電塑料電位器，用以檢測執(zhí)行器輸出軸的位移，W2用于位置發(fā)送器地零位調節(jié)。R0為輸出電流取樣電阻，通常，晶體管的β>>1，因此，通過R0的電流可以認為與位置發(fā)送器的輸出電流相等，從而通過對R0兩端電壓的監(jiān)測，可間接判斷執(zhí)行器輸出軸所在的位置。由于電路采用單電源供電，當電路輸出電流為零時，運放A5輸出低電平，為使三極管可靠截止，將取樣電阻R0的一端通過穩(wěn)壓管接地，使三極管的射極電壓Ue提高，同時也有利于MC34161對三極管射極電壓Ve的檢測。
圖中，RW1、R1、A1、A4、T2等組成上限限位電路，RW2、R2、A1、A3、T1等組成下限限位電路。其中，尺W1、R1及RW2、R2分別組成上限和下限分壓網絡，由圖可知，取樣電壓Ue為：
Ue=ILR0+UZ (5)
式中，R0為取樣電阻，取值為100Ω。UZ為可調穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，通過調節(jié)R9、R10的阻值可使其穩(wěn)壓值改變，我們取1．5V。
4．1 上限分壓網絡參數的確定
當執(zhí)行器輸出軸達到上限設定值時，取樣電壓Ue經分壓后應大于1．27V，即

式中IL的單位為mA，R0的單位為kΩ。
在圖5電路中，如果中途限位的上限值為5～10mA連續(xù)可調，對應的執(zhí)行器輸出軸轉角為45°～90°，當IL=10mA時，RW1=0．97R1；當IL=5mA時，RW1=0．57R1。因此，可取R1=10kΩ，RW1取5kΩ電阻與5kΩ電位器串聯組成。
4．2 下限分壓網絡參數的確定
當執(zhí)行器輸出軸達到下限值時，取樣電壓Ue經分壓后應小于1．27V，即

同理，如果中途限位的下限值設置為0～5mA連續(xù)可調，對應的執(zhí)行器輸出軸轉角為0°～45°，當IL=5mA時，RW2=0．57R2，IL=0mA時，RW2=0．18R2。因此，可取R2=10kΩ，RW2取1kΩ電阻與5kΩ電位器串聯組成。