電感式傳感:如何將微小型 2 毫米 PCB 電感器用作傳感器
最近,一位客戶問我他是否可以將微小型 PCB 線圈用作 LDC1000 電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (LDC) 的傳感元件。該 PCB 線圈在四層電路板上每一 PCB 層只有三匝,線圈直徑為 2 毫米。PCB 線圈的電感太低,無法產(chǎn)生與 LDC1000 振蕩的 LC 諧振回路。由于傳感器所在位置的空間很有限,因此我建議添加一個固定串聯(lián)電感器來解決他的兩難問題。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/307993.htm電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器將外部 LC 諧振回路電路用作傳感元件。該諧振回路包含一個帶串聯(lián)寄生電阻的電感器和一個并聯(lián)電容器,如圖 1 所示。
圖 1:LC 諧振回路能感測導(dǎo)電目標的距離
諧振回路振蕩頻率范圍受電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出驅(qū)動器的驅(qū)動強度限制。要確保 LC 諧振回路的穩(wěn)定振蕩,LDC1000 不僅需要 5kHz 至 5MHz 的傳感器振蕩頻率,同時還要保證諧振等效并聯(lián)電阻 (RP) 保持在 798Ω 和 3.98MΩ 之間。這些邊界條件可創(chuàng)建各種情景,使所選傳感器的阻抗不足以設(shè)計適當?shù)?LC 諧振回路振蕩器。
在通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量三匝、四層 PCB 電感器時,我發(fā)現(xiàn)在 5MHz 最大允許震蕩頻率下的電感是 150nH。在該頻率下,我測量的串聯(lián)電阻為 0.54Ω。
LC 諧振回路的振蕩頻率計算公式為:
因此,需要用一個 6.8nF 的電容器將諧振回路振蕩頻率降低至 5MHz。然而,諧振等效并聯(lián)電阻的計算公式
顯示:RP 只有 40.8Ω,明顯低于 LDC1000 諧振回路驅(qū)動器確保穩(wěn)定振蕩所需的 798Ω 的最小值。無法為 150nH PCB 線圈增加電容器值,因此不能產(chǎn)生可在 LDC1000 的 fsensor 和 RP 邊界條件范圍內(nèi)工作的 LC 諧振回路。
為克服這個問題,我為傳感器電感器添加了一個固定串聯(lián)電感器,如圖 2 所示。該串聯(lián)電感器可增加傳感器阻抗,而且無需在不支持的振蕩頻率下工作。適當?shù)墓潭ù?lián)電感器包括表面安裝 (SMD) 電感器與多層 PCB 線圈。串聯(lián)電感器不應(yīng)該作為二級傳感器使用,因此必須將其與附近的可移動導(dǎo)電材料進行物理隔離,或者使用屏蔽式 SMD 電感器。
注意,當使用固定串聯(lián)電感器時分辨率會受到影響,因為組合電感中只有一部分可作為傳感器使用(類似于為 AC 信號添加一個 DC 失調(diào))。因此,您需要在輕松滿足 LDC1000 邊界條件的同時,讓串聯(lián)電感器盡量小。這樣才能產(chǎn)生盡可能最好的分辨率。
圖 2:添加一個串聯(lián)電感器可增大傳感器阻抗
我添加了一個采用 0603 封裝的 TDK MLZ1608E4R7M 多層電感器,其具有 4.7μH 的標準電感。傳感器電感器和串聯(lián)固定電感器在 5MHz 下的組合電感測量值為 5.3μH,組合串聯(lián)電阻為 6.4Ω。
為獲得一定裕度,我添加了一個 270pF 的諧振回路電容器,以產(chǎn)生 4.2MHz 的振蕩頻率。LC 諧振回路的諧振等效并聯(lián)電阻為 3.1MΩ,完全在 LDC1000 的規(guī)定 RP 范圍內(nèi)。
如果您的 LDC 設(shè)計空間有限,必須使用支持低電感的小尺寸傳感器線圈,或是您需要將小型彈簧用作傳感元件,您只需要添加一個固定串聯(lián)電感器就夠了。這樣將會在 LDC 邊界條件范圍內(nèi)提供 LC 諧振回路振蕩。
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