Датчик температуры из транзистора: Термодатчик на транзисторе — E-core

Термодатчик на транзисторе — E-core

В этой статье я расскажу об использовании биполярного транзистора в качестве датчика температуры. Описание приводится в контексте использования его для измерения температуры радиатора (теплоотвода).

Главное преимущество датчика температуры на транзисторе в том, что он обеспечивает хороший тепловой контакт с радиатором и его относительно просто на нем закрепить и стоит биполярный транзистор не дорого.

Ниже показана схема включения транзистора и узел обработки сигнала на ОУ. VT1 это и есть транзистор-термодатчик, который крепится на радиатор.

Транзистор намеренно используется p-n-p структуры т.к. радиатор часто соединяется с общим проводом схемы, а коллектор транзистора в корпусе TO-220 соединен с теплоотводной пластиной и при креплении транзистора нет необходимости электрически изолировать его от радиатора, что дополнительно упрощает конструкцию.

Падение напряжения на p-n переходе изменяется при увеличении его температуры с крутизной примерно -2 мВ/градус (т. е. уменьшается с ростом температуры). Такое малое изменение напряжения не очень удобно обрабатывать АЦП, более того удобнее когда зависимость прямая т.е. при увеличении температуры сигнал температуры растет.

Приведенная схема смещает, инвертирует и усиливает сигнал с транзистора, обеспечивая увеличение выходного напряжения с ростом температуры, и работает следующим образом.

Из опорного напряжения, формируемого делителем R1R2, вычитается падение напряжения на транзисторе и результат вычитания усиливается. Опорное напряжения выбирается чуть выше падения напряжения на транзисторе при температуре 25 градусов, чем обеспечивается измерение напряжения ниже 25 градусов.

Коэффициент усиления схемы определяется соотношением R5/R4 и для данной схемы равен 10. Итоговая крутизна сигнала температуры получается 2*10=20мВ/градус. Таким образом для обеспечения измерения температуры от 0 градусов выходной сигнал при 25 градусах должен быть не менее 25*0,022=0,55В. Превышение напряжения смещения над падением на транзисторе при 25 градусах должно быть не менее 0,05В.

Падение напряжения на транзисторе при 25 градусах составляет 0,5-0,6В и зависит от конкретного типа транзистора и тока через него и наверняка подобрать опорное напряжение «с ходу» не получится, поэтому на этапе отладки требуется подбор резисторов R1R2 для конкретного типа транзистора и тока через него, от одного транзистора к другому это значение может меняться, но это уже может быть скорректировано программными методами.

Ток через транзистор определяется сопротивлением резистора R3, в данной схеме ток примерно равен 15мА. Рекомендуемое значение тока через транзистор 10-20мА.

Приведенная схема адаптирована под АЦП с опорным напряжением 3,3В, но может быть использована и для 5В опорного напряжения, для этого необходимо увеличить коэффициент усиления схемы, исходя из требуемого диапазона температур.

На элементах R6VD1 собрана схема ограничения выходного напряжения на случай нештатных ситуаций, например обрыва провода к транзистору. Если напряжение питания ОУ не превышает опорное напряжение АЦП, то их можно исключить.

В качестве DA1 может использовать любой ОУ, обеспечивающий работу при однополярном питании и входном напряжение от 0В. Например дешевый и распространенный LM358.

В качестве транзистора может использоваться любой не составной транзистор p-n-p структуры.

Терморегулятор

Терморегулятор.

 

Рисунок 1

Терморегулятор (рисунок 1) предназначен для регулировки температуры на остекленной лоджии, где хранятся овощи, и требуется поддерживать температуру 0-6 °С .  Лоджия примыкает к кухне, в форточку окна которой вмонтирован вытяжной вентилятор. Теплый воздух из кухни обогревает лоджию, за счет чего там создается требуемая температура. Для регулировки температуры можно применить данный терморегулятор. В качестве датчика температуры используется германиевый транзистор с отсоединенной базой VT7. Он, в свою очередь, включен в цепь база-коллектор кремниевого транзистора VT6 с большим коэффициентом передачи тока (200). Как известно, обратный ток германиевых диодов в 1000 раз больше, чем у кремниевых и зависит от температуры в логарифмической пропорции: он увеличивается примерно в 2 раза при увеличении температуры на каждые 8 °С .

Регулировка угла открывания тиристора VD3 производится с помощью аналога однопереходного транзистора VT4, VT5. Времязадающий конденсатор C1 заряжается от одного из плеч дифференциального каскада VT1-VT3. В цепь его базы включен делитель, состоящий из резистора R5 и составного транзистора–термодатчика VT6, VT7. На делитель подается напряжение с переменного резистора R2, благодаря чему можно регулировать температуру, при которой происходит срабатывание термодатчика. Ток источника тока дифференциального каскада на VT2 регулируется переменным резистором R7, благодаря чему можно регулировать число оборотов вентилятора, когда он работает. Это требуется, если вентилятор мощный и сильно шумит при работе на полную мощность.

 

Конструкция и детали.

 

Терморегулятор собран в корпусе от блока питания Денди. На передней панели помещены резисторы регулировки температуры R2 и мощности R7, а также гнезда для подключения сетевой вилки от вентилятора. Печатная плата имеет размеры 45х75 мм. На стороне, обращенной к сетевой вилке, поверхностным монтажем распаяны детали схемы. Тиристор расположен на противоположной стороне, а его выводы подпаяны проводами к противоположной стороне платы. 

В схеме можно использовать транзисторы КТ3102, КТ3107, КТ209, КТ361, КТ315, ГТ309 и др. Тиристор можно использовать также типа КУ201Л. Диоды — КД226Д, FR207. Резисторы типа МЛТ-0.125, R12 – МЛТ-2. Конденсатор типа К10-17б.

 

Наладка.

 

Ток через составной транзистор VT6-VT7 должен составлять при температуре 19 °С 1.5 мА, чтобы при 2 °С он был равен 300 мкА.

Для подбора тока надо измерить ток утечки перехода коллектор-эмиттер германиевого транзистора при температуре 19 °С и высчитать коэффициент передачи тока кремниевого транзистора: он равен отношению требуемого тока 1500 мкА к измеренному току утечки. Далее необходимо подобрать кремниевый транзистор с близким к высчитанному значением коэффициента передачи тока.

Резисторы R1 и R3 надо заменить подстроечными резисторами и при температуре 3 °С добиться их регулировкой при среднем положении движка R2 срабатывания терморегулятора. Далее вместо них надо впаять постоянные резисторы с близкими к подобранным номиналами сопротивления. Можно, конечно, установить на печатную плату непосредственно подстроечные резисторы, но для этого надо немного ее доработать.

· Скачайте схему в формате CircuitMaker
· Скачайте печатную плату в формате TraxMaker

· Просмотрите фото терморегулятора

 
· Посетите мой сайт
· Напишите мне

Бачурин Николай Валентинович. Январь 2005 года.

BJT и диодные датчики температуры – Быстрая прогулка

Когда дело доходит до повседневного измерения температуры, термистор является самым простым и недорогим компонентом для удобного получения данных о температуре. Это хорошо, но в этой статье я объясню, как использовать обычные транзисторы с биполярным переходом и маломощные диоды в качестве точных мониторов/датчиков температуры. Поскольку они являются настоящими аналоговыми компонентами, вам не нужно писать длинные коды и/или вызывать специальные сторонние библиотеки, даже если вы используете их в своих относительно сложных проектах микроконтроллеров!

Диод датчика температуры – прямое

Стоит еще раз отметить, что диод может использоваться в качестве датчика температуры, и большинство датчиков температуры на основе диодов используют изменение прямого напряжения. Это связано с тем, что зависимость является довольно линейной с падением напряжения примерно на 2 мВ меньше на каждый градус повышения температуры (-2 мВ/°C).

Вы знаете, что типичное прямое падение напряжения (V _F ) обычного кремниевого диода составляет 700 мВ или около того. Это нормально, но помните, что на это падение напряжения влияет ток, протекающий через диод (I _F ) и температура, непосредственно окружающая диод. Итак, если вы поддерживаете постоянный ток и считываете прямое напряжение, да, у вас есть довольно простой диод датчика температуры! Звучит здорово, правда?

Я использовал слабосигнальный кремниевый диод 1N4148 (https://www.vishay.com/docs/81857/1n4148.pdf) в качестве датчика температуры в нескольких хобби-проектах по электронике. Мой выбор сделан намеренно, так как диод в корпусе DO-35 имеет оболочку из неплавкого стекла, которая подходит для моих «горячих» применений. Ниже вы можете увидеть простую идею датчика температуры 1N4148.

Здесь достаточно одного резистора, потому что прямое падение напряжения на диоде не сильно меняется и, следовательно, ток через резистор достаточно постоянен. В любом случае, вы можете выбрать источник постоянного тока для управления диодом — смотрите ниже.

Примечание: Для кремниевого диода барьерное напряжение для протекания тока выше 700 мВ, а для германиевого диода оно выше 300 мВ. Кроме того, «объемное сопротивление» диода — это приблизительное сопротивление на клеммах диода, когда на него подается прямое напряжение и ток. Это сопротивление является динамическим, т. е. изменяется в зависимости от величины прямого напряжения и тока, протекающих через диод в любой момент времени.

Диод датчика температуры – Обратный

Следует также отметить, что обратный ток диода можно использовать даже в качестве датчика температуры. См. https://www.digikey.com/eewiki/display/Motley/Diodes#Diodes-LeakageLeakage

Я также измерил обратный ток диода 1N4148, используя установку, показанную ниже. И я обнаружил, что обратный ток утечки довольно мал — всего около 3 наноампер (нА). И температура, и напряжение влияют на обратный ток диода, поэтому я использовал постоянный источник питания 5 В постоянного тока при снятии показаний DVM.

Датчик температуры BJT

Переход база-эмиттер BJT имеет очень предсказуемую передаточную функцию, которая зависит от температуры. Итак, чтобы измерить температуру корпуса устройства или температуры платы, мы можем использовать дискретный транзистор NPN (или PNP), как показано на следующем рисунке.

Как обсуждалось ранее, одним из интересных свойств кремниевого диода является то, что он имеет температурный коэффициент около -2 мВ/°C, то есть напряжение падает на -2 мВ с каждым °C, когда он нагревается. , и это довольно линейно от 0 до 100°C. Поскольку переход база-эмиттер любого транзистора также является диодом, дискретные транзисторы легко использовать в качестве надежных датчиков температуры.

Здесь стоит отметить, что почти любой кремниевый диод/биполярный переходной транзистор можно использовать в качестве датчика температуры, и в большинстве случаев любой прецизионный операционный усилитель можно использовать для формирования сигнала датчика (скорость обычно не большая проблема). Но Motorola MTS102 — это кремниевый датчик температуры, специально разработанный и оптимизированный для этого конкретного применения (https://datasheetspdf.com/pdf-file/521287/Motorola/MTS102/1).

A Практическая/экспериментальная конструкция

Температура — это величина, которую необходимо часто контролировать в электронных схемах, особенно когда мы работаем с силовой электроникой, рассеивающей много тепла. Экстремальные температуры могут быть очень разрушительными, но при эффективном управлении температурой (часто путем отключения контура или принудительной вентиляции) мы можем предотвратить повреждение системы, предотвращая в конечном итоге дорогостоящие аварии.

Итак, теперь вы можете увидеть маленькую схему датчика температуры на основе BJT, который разработан максимально простым, с обычными и дешевыми компонентами, но в то же время максимально гибким и полезным. На следующей схеме (v1) показана практическая/экспериментальная схема, состоящая из старого доброго биполярного транзистора (BC107B) и дешевого дифференциального компаратора IC (LM39).

3Н).

Подводя итог, несмотря на то, что продемонстрированные здесь решения имеют несколько ограничений, удивительно легко использовать диоды и транзисторы в качестве дешевых и надежных аналоговых датчиков температуры и использовать их в повседневных хобби-электронных проектах. Я использовал множество различных конфигураций связанных цепей в качестве грубых мониторов температуры. Тем не менее, я почти уверен, что многие другие могут знать об этом намного больше, чем я. Итак, наслаждайтесь поиском в Google, чтобы найти знания и работу, которую они вложили в свои удивительные проекты, и многое другое!

Постскриптум

Я просто хочу показать вам свою небольшую коллекцию «стеклянных диодных датчиков температуры», которые обычно используются в индукционных плитах и ​​рисоварках. В этот момент можно легко пожать плечами и по умолчанию предположить, что это дешевый диод датчика температуры. Но на самом деле это термистор с отрицательным температурным коэффициентом 100K (термистор NTC 100K)

• . 0072
• Родственный проект https://www.codrey.com/electronic-circuits/aquarium-cooler-fan/

Растяжимые термочувствительные схемы с подавлением деформации на основе транзисторов из углеродных нанотрубок

Gao, W. et al. Полностью интегрированные массивы носимых датчиков для мультиплексного анализа пота на месте. Природа 529 , 509–514 (2016).

Артикул Google Scholar

Park, S.I. et al. Мягкие, растяжимые, полностью имплантируемые миниатюрные оптоэлектронные системы для беспроводной оптогенетики.

Нац. Биотехнолог. 33 , 1280–1286 (2015).

Артикул Google Scholar

Чортос, А., Лю, Дж. и Бао, З. В поисках протеза электронной кожи. Нац. Матер. 15 , 937–950 (2016).

Артикул Google Scholar

«>

Тройник, Б. С.-К. и другие. Вдохновленный кожей органический цифровой механорецептор. Наука 350 , 313–316 (2015).

Артикул Google Scholar

Венер, М. и др. Интегрированная стратегия проектирования и производства полностью мягких автономных роботов. Природа 536 , 451–455 (2016).

Артикул Google Scholar

Гупта, С. и Ло, К. Дж. Бесконтактное картирование диэлектрической проницаемости и pH-чувствительные пленки для остеоинтегрированных протезов и мониторинга инфекций. IEEE Trans. Мед. Изображение 36 , 2193–2202 (2017).

Артикул Google Scholar

Lee, S. et al. Амортизирующая конструкция для интерфейса ткань-машина с использованием перестраиваемого адгезивного геля. Нац. коммун. 5 , 5898 (2014).

Артикул Google Scholar

Соекадар, С. Р. и др. Гибридный экзоскелет мозга/нейрональной руки на основе ЭЭГ/ЭОГ восстанавливает полностью независимую повседневную деятельность после квадриплегии. Науч. Робот. 1 , eaag3296 (2016).

Артикул Google Scholar

Мейер Г., Пертейс М. и Макинва К. Системы интеллектуальных датчиков: новые технологии и приложения (Wiley, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, 2014 г.).

Книга Google Scholar

Хсу, Ю.-К. и другие. Датчик температуры с динамическим распределением смещения мощностью 18,75 мкВт с погрешностью 0,87°C (3σ) без коррекции и 0,00946 мм ² площадь. 2017 IEEE Междунар. Конф. твердотельных схем. https://doi.org/10.1109/ISSCC. 2017.7870281 (2017 г.).

Юсефзаде, Б., Шалмани, С. Х. и Макинва, К. А. А. Преобразователь температуры в цифру на основе BJT с погрешностью ± 60 мК (3σ) в диапазоне от −55 °C до +125 °C в 0,16-мкм CMOS. IEEE J. Твердотельные схемы

52 , 1044–1052 (2017).

Артикул Google Scholar

Дэн С. и др. Интеллектуальный датчик температуры CMOS с методом калибровки по одной точке для клинического применения. IEEE Trans. Цепи Сист. II 63 , 136–139 (2016).

Артикул Google Scholar

Ха, Д. и др. Температурные КМОП-датчики во временной области с двумя контурами синхронизации с задержкой для контроля температуры микропроцессора. IEEE Trans. Интеграл очень большого масштаба. Сист. 20 , 1590–1601 (2012).

Артикул Google Scholar

«>

Хаттори, Ю. и др. Многофункциональная электроника, похожая на кожу, для количественного клинического мониторинга заживления кожных ран.

Доп. Здравоохранение Матер. 3 , 1597–1607 (2014).

Артикул Google Scholar

Джин, Х., Абу-Рая, Ю. С. и Хейк, Х. Усовершенствованные материалы для мониторинга состояния здоровья с помощью носимых на коже устройств. Доп. Здравоохранение Матер. 6 , 1700024 (2017).

Артикул Google Scholar

Yokota, T. et al. Сверхгибкие датчики физиологической температуры большой площади для многоточечных измерений. Проц. Натл акад. науч. США 112 , 14533–14538 (2015).

Артикул Google Scholar

Ким, Д.-Х. и другие. Материалы для многофункциональных баллонных катетеров с возможностями электрофизиологического картирования сердца и абляционной терапии. Нац. Матер. 10 , 316–323 (2011).

Артикул Google Scholar

Сюй Л. и др. Трехмерные многофункциональные покровные мембраны для пространственно-временных измерений и стимуляции сердца по всему эпикарду. Нац. коммун. 5 , 3329 (2014).

Google Scholar

Yan, C., Wang, J. & Lee, P.S. Растяжимый графеновый термистор с регулируемым тепловым индексом. ACS Nano 9 , 2130–2137 (2015).

Артикул Google Scholar

Трунг, Т. К., Рамасундарам, С., Хван, Б.-У. и Ли, Н.-Э. Полностью эластомерный прозрачный и эластичный датчик температуры для носимой электроники, прикрепляемой к телу. Доп. Матер. 28 , 502–509 (2016).

Артикул Google Scholar

«>

Хан, Ю., Остфельд, А. Э., Лохнер, К. М., Пьер, А. и Ариас, А. С. Мониторинг показателей жизнедеятельности с помощью гибких и носимых медицинских устройств. Доп. Матер. 28 , 4373–4395 (2016).

Артикул Google Scholar

Webb, R.C. et al. Ультратонкие конформные устройства для точной и непрерывной термической характеристики кожи человека. Нац. Матер. 12 , 938–944 (2013).

Артикул Google Scholar

Salowitz, N. P. et al. Микротехнологические расширяемые сенсорные сети для интеллектуальных сенсорных материалов. IEEE Sens. J. 14 , 2138–2144 (2014).

Артикул Google Scholar

Чортос А. и др. Механически прочные и легко растягивающиеся транзисторы, в которых используются полупроводники и электроды из углеродных нанотрубок. Доп. Матер. 28 , 4441–4448 (2016).

Артикул Google Scholar

Похоровски И. и др. Н-связанный супрамолекулярный полимер для селективного диспергирования и последующего высвобождения полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубок большого диаметра. Дж. Ам. хим. соц. 137 , 4328–4331 (2015).

Артикул Google Scholar

Лей Т., Похоровски И. и Бао З. Разделение полупроводниковых углеродных нанотрубок для гибкой и растяжимой электроники с использованием метода удаления полимера. Согл. хим. Рез. 50 , 1096–1104 (2017).

Артикул Google Scholar

Wang, Y. et al. Высокоэластичный, прозрачный и проводящий полимер. Науч. Доп. 3 , e1602076 (2017).

Артикул Google Scholar

«>

Сюй, Дж. и др. Полимерно-полупроводниковые пленки с высокой эластичностью благодаря эффекту наноограничения. Наука 355 , 59–64 (2017).

Артикул Google Scholar

Li, Y. & Shimizu, H. К растяжимому, эластичному и электропроводящему нанокомпозиту: морфология и свойства полистирола- b -(этилен- co -бутилен)- b -стирол]/многостенные композиты углеродных нанотрубок, изготовленные с помощью обработки с большими сдвиговыми усилиями. Макромолекулы 42 , 2587–2593 (2009).

Артикул Google Scholar

Чортос, А. и др. Исследование ограничивающих факторов в растягиваемых полностью углеродных транзисторах для надежной растягиваемой электроники. ACS Nano 11 , 7925–7937 (2017).

Артикул Google Scholar

«>

Ван, Х. и Бао, З. Сопряженный полимер, сортировка полупроводниковых углеродных нанотрубок и их применение в электронике. Nano Today 10 , 737–758 (2016).

Артикул Google Scholar

Чжоу, X. Дж., Пак, Дж. Ю., Хуанг, С. М., Лю, Дж. и МакЮэн, П. Л. Структура зон, рассеяние фононов и предел производительности транзисторов с одностенными углеродными нанотрубками. Физ. Преподобный Летт. 95 , 146805 (2005 г.).

Артикул Google Scholar

Гао, Дж. и Лоо, Ю.-Л. Зависимый от температуры электрический транспорт в сетях полупроводниковых углеродных нанотрубок, отсортированных по полимерам. Доп. Функц. Матер. 25 , 105–110 (2015).

Артикул Google Scholar

Яо З., Постма Х.В.К., Баленц Л. и Деккер К. Внутримолекулярные соединения углеродных нанотрубок. Природа 402 , 273–276 (1999).

Артикул Google Scholar

Rother, M. et al. Понимание переноса заряда в смешанных сетях полупроводниковых углеродных нанотрубок. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 8 , 5571–5579 (2016).

Артикул Google Scholar

Мурманн, Б. Анализ и разработка элементарных каскадов МОП-усилителя (NTS Press, Остин, Техас, 2013 г.).

Google Scholar

Цай, Л., Чжан, С., Мяо, Дж., Ю, З. и Ван, К. Полностью напечатанные растяжимые тонкопленочные транзисторы и интегральные логические схемы. ACS Nano 10 , 11459–11468 (2016).

Артикул Google Scholar