Traductoare de nivel cu magnetotranzistoare in instalatii navale

Traductoare de nivel cu magnetotranzistoare in instalatii navale

1. Introducere

Utilizarea magnetotranzistoarelor ca senzori magnetici este determinata de buna liniaritate a acestora si de valoarea ridicata a raportului semnal-zgomot in regim stationar care asigura o rezolutie inalta a inductiei magnetice.

Posibilitatea realizarii magnetotranzistoarelor in tehnologia integrata bipolara sau in tehnologia CMOS permite obtinerea de circuite sensibile magnetic, superioare circuitelor bazate pe dispozitivele Hall conventionale. Datorita acestor considerente in cele mai multe cazuri se prefera inlocuirea traductoarelor clasice inductive prin senzori magnetici integrati, care au o eficienta ridicata.

Un exemplu il constituie instalatia de urmarire si indicare a nivelului in tancurile de combustibil de la bordul navelor.

2. Caracterizare generala a magnetotranzistorului bipolar vertical cu colector dublu

1. Descrierea structurii si principiul de functionare

Figura 13.1 reda sectiunea transversala printr-un magneto-tranzistor npn vertical cu colector dublu, care functioneaza pe principiul deflexiei liniilor de curent [11]. Aceasta structura este compatibila cu tehnologia circuitelor integrate bipolare. Cea mai mare parte a stratului epitaxial , slab dopat de tip , serveste ca regiune de colector si este golita de purtatorii de sarcina datorita polarizarii inverse a jonctiunii colector-baza. Cele doua contacte ale colectorului sunt realizate prin divizarea stratului ingropat (). este distanta colector-emitor, iar este latimea emitorului.

Figura Sectiune transversala printr-un magnetotranzistor

vertical cu colector dublu

In absenta campului magnetic fluxul de electroni injectati de emitor, care traverseaza baza este simetric si cei doi curenti de colector sunt egali:

In prezenta campului magnetic de inductie paralela cu suprafata cipului distributia curentului de electroni de emitor devine asimetrica producandu-se un dezechilibru al curentilor de colector. Acest dezechilibru se accentueaza datorita fenomenului deflexiei purtatorilor majoritari, electronii, in regiunea colectorului (zona epitaxiala):

Magnetotranzistorul analizat functioneaza in modul de curent Hall si abaterea este data de curentul transversal Hall. Expresia acestuia se determina echivaland stratul epitaxial al regiunii de colector cu o placa scurta Hall si aplicand proprietatilor dispozitivelor Hall duale.

In figura 13.2 este reprezentat schematic magnetotranzistorul cu colector dublu si dispozitivul Hall dual corespunzator, functionand in modul de tensiune Hall.

Figura 13.2. Magnetotranzistorul cu colector dublu functionand in modul de curent Hall (a) si dualul sau functionand in modul de tensiune Hall (b)

Deoarece dispozitivul (a) are numai trei contacte, tot atatea are si dualul sau. Daca se presupune ca fanta dintre cele doua colectoare este foarte ingusta, atunci contactul de sesizare al dispozitivului (b) se considera punctiform. Semnalul la iesirea acestui dispozitiv este jumatate din tensiunea Hall si analog pentru dispozitivul (a):

Pe baza expresiei curentului Hall la dispozitive functionand in modul de curent Hall se poate scrie [2]:

(13.1)

in care reprezinta mobilitatea Hall, G factorul de corectie geometrica, iar I_C este curentul total la =0, Potrivit figurii 13.2 s-a inlocuit prin .

2. Raspunsul senzorului si sensibilitatea relativa la curentul de polarizare

Raspunsul senzorului se exprima prin:

(13.2)

Pentru a evidentia influenta geometriei asupra raspunsului senzorului au fost simulate trei structuri de magnetotranzistoare realizate pe siliciu () avand urmatoarele rapoarte MGT1 cu si MGT2 cu si MGT3 cu si

Rezultatele simu-larii sunt prezentate in figura 13.3.

Raspunsul are va-lori maxime pentru structura 0,5. Prin dublarea distan-tei emitor-colector sensibilitatea senzo-rului scade cu 10,7% fata de valoarea sa maxima, iar prin marirea de patru ori a aceleiasi distante scaderea sensibilitatii este de 37,5%.

Considerand o geometrie data cu raspunsul senzorului depinde de proprietatile de material (figura 13.4).

Pentru cele trei dispozitive MGT1, MGT2 si MGT3 s-au
utilizat materialele: Si (), InP
) si GaAs (

Sensibilitatea magnetica relativa la curent a magnetotranzistorului se defineste astfel:

(13.3)

Pentru o inductie data (0,40T) si la un curent total de colector dat 1mA, sensibilitatea depinde de geometria dispozitivului si de proprietatile de material. In tabelul 1 sunt prezentate valorile obtinute pentru cinci structuri de magnetotranzistoare.

Tabelul Valorile numerice ale sensibilitatii S_I

3. Prezentarea traductorului de nivel

In cele mai multe cazuri pentru masurarea nivelului lichidelor in instalatiile de la bordul navelor (tancuri de combustibil, apa potabila etc.) sunt utilizate traductoare care permit indicarea in trepte a valorii acestuia. Un astfel de traductor este constituit din mai multe bobine dispuse la distante egale de-a lungul unui ghidaj cilindric in interiorul caruia se poate deplasa un flotor cu magnet permanent. La modificarea nivelului lichidului flotorul se deplaseaza, si la trecerea sa prin dreptul unei bobine, circuitul RLC din care aceasta face parte ajunge la rezonanta, iar supracresterea de tensiune de la bornele bobinei determina aprinderea unui mic bec indicator cu neon.

Desi destul de fiabil, sistemul are dezavantajul ca necesita tensiuni mari de alimentare care impreuna cu becul cu neon constituie o sursa de perturbatii pentru alte echipamente de la bordul navei.

In plus stralucirea becului cu neon si viata acestuia sunt relativ reduse, iar citirea nivelului este posibila doar local.

Aceste inconveniente se pot elimina daca bobinele se inlocuiesc prin magnetotranzistoare.

In figura 13.5 este prezentata schema de principiu a traductorului realizat pe baza unui magnetotranzistor bipolar vertical cu colector dublu.

In lipsa campului magnetic cei doi curenti de colector sunt egali si iesirea comparatorului este in starea JOS (nivel logic "0"). In prezenta unui camp de inductie paralel cu suprafata dispozitivului se produce un dezechilibru intre cei doi curenti de colector (relatia (13.1)) si la intrarea comparatorului se aplica tensiunea :

(13.4)

Se observa ca atat la traductorul clasic cu bobine cat si la acela cu magnetotranzistoare valoarea nivelului nu este indicata continuu si nici foarte precis. Nivelul este de fapt cuantizat intr-un numar 'n' de trepte, dat de numarul de bobine sau magnetotranzistoare.

Pentru a elimina situatiile de incertitudine care pot apare cand plutitorul cu magnet permanent s-ar afla intre doua magnetotranzistoare sunt utilizate concentra-toarele de flux magnetic realizate din piese polare in intrefierul carora se plaseaza magnetotranzis-toarele asa cum este ilustrat in figura 13.6. S-au facut notatiile: 1-mag-netotranzistor; 2-concen-trator de flux; 3- flotor cu magnet permanent.

4. Descrierea functionarii pe baza schemei electrice bloc de principiu

Schema de principiu redata in figura 13.7 permite afisarea rezultatului masurarii atat analogic cat si digital. Considerand un tanc de combustibil in care nivelul scade trebuie observat ca se poate ajunge in situatia in care plutitorul magnetic se afla intre doi senzori astfel incat este posibil ca nici unul dintre acestia sa nu fie activat.

Intr-o astfel de stare afisajul este stins, inconvenient ce poate fi eliminat daca se memoreaza ultima treapta de nivel la care s-a aflat lichidul. In acest scop se pot folosi celule de memorare, dar o solutie mai simpla consta in utilizarea tiristoarelor (tiristoare fizice sau simulate) pentru aprinderea elementelor de afisaj. Odata amorsate tiristoarele raman in conductie si deci memoreaza ultima valoare indicata. Stingerea lor se poate face prin taierea alimentarii.

Ca urmare, atunci cand nivelul lichidului se modifica (creste sau scade) impulsul dat de traductor, corespunzator noului nivel trebuie sa declanseze doua operatii:

1) taierea alimentarii elementelor de afisaj pentru o durata scurta de timp (cateva milisecunde) fixata de un circuit basculant monostabil (CBM) comandat printr-un circuit SAU de catre fronturile anterioare ale impulsurilor de la iesirea traductoarelor, asigurandu-se astfel stingerea tuturor tiristoarelor care fusesera amorsate anterior si

2) aprinderea tiristoarelor, corespunzatoare noului nivel, prin impulsurile transmise de la iesirile comparatoarelor pe portile acestora.

In schema bloc de principiu din figura 13.7, BIA reprezinta blocul de intrerupere a alimentarii.

Deoarece pentru un nivel al lichidului corespunzator treptei "k "sunt aprinse toate afisoarele de la 1 la k schema descrisa permite afisajul analogic in 'modul bara'.

Daca din schema se elimina diodele D₁ D_n-1 atunci afisajul va lucra in modul "punct luminos" si pentru nivelul corespunzator treptei k va fi aprins doar afisorul k.

Trebuie observat ca afisajul aprins pe nivelul k corespunde unui nivel real cuprins intre treptele k-1 si k . De aceea la nivele mici ale lichidului pentru o cunoastere mai precisa a valorii acestuia este indicata marirea numarului de traductoare care vor fi dispuse la distante mai mici unul de celalalt. Aceste traductoare care asigura o diviziune mai fina a treptelor de nivel realizeaza o 'lupa' pentru nivele mici. Ele pot fi conectate in cadrul sistemului prezentat, sau pot fi puse in functiune numai atunci cand nivelul scade sub o anumita valoare prestabilita.

Pentru afisajul numeric se foloseste un singur digit, ceea ce inseamna ca vor exista zece trepte de nivel ale lichidului (), situatia convenabila in majoritatea cazurilor practice.

Daca in schema din figura 13.7 se elimina diodele D₁ D₉, atunci in fiecare moment se va afla in conductie un singur tiristor, corespunzator unui anumit nivel al lichidului.

Semnalele in anozii celorlalte tiristoare blocate vor fi la nivelul "1" logic si doar in anodul tiristorului amorsat semnalul va avea nivel logic "0". Aceste semnale se aplica unui circuit codor zecimal-binar, la iesirea caruia se obtine nivelul lichidului in cod binar. Un decodor BCD-7 segmente care comanda un afisaj cu 7 segmente permite afisarea digitala a valorii masurate. (figura 13.8)

Codorul zecimal-binar poate fi o matrice de diode, o matrice de porti conectate intr-un mod corespunzator, sau un circuit specializat de tipul celor utilizate in tastaturile numerice.

Drept decodor BCD-7 segmente se utilizeaza orice circuit integrat de acest gen (CDB447, MMC4027).