Как использовать транзистор в качестве датчика температуры. Каков принцип работы такого датчика. Для чего применяются транзисторные датчики температуры. Какие схемы включения транзисторов используются для измерения температуры.
Принцип работы транзистора как датчика температуры
Транзистор может использоваться в качестве датчика температуры благодаря тому, что его характеристики зависят от температуры. При изменении температуры меняется напряжение на p-n переходе транзистора. Этот эффект и используется для измерения температуры.
Основные особенности работы транзистора как температурного датчика:
- При повышении температуры уменьшается напряжение на p-n переходе транзистора
- Температурный коэффициент составляет примерно -2 мВ/°C
- Изменение напряжения на переходе практически линейно зависит от температуры
- Для измерения используется переход база-эмиттер транзистора
Таким образом, измеряя напряжение на переходе база-эмиттер при постоянном токе через транзистор, можно определить температуру.
Схемы включения транзисторов для измерения температуры
Существует несколько вариантов схем включения транзисторов в качестве датчиков температуры:
1. Простейшая схема
В простейшем случае транзистор включается по схеме с общим эмиттером. Через переход база-эмиттер пропускается постоянный ток с помощью резистора. Напряжение на переходе измеряется вольтметром или подается на АЦП микроконтроллера.
2. Дифференциальная схема
Для повышения точности измерений часто используется дифференциальная схема на двух одинаковых транзисторах. Один из них является измерительным, а второй — опорным. Измеряется разность напряжений между их p-n переходами.
3. Схема с операционным усилителем
Для усиления сигнала с транзисторного датчика температуры часто применяются схемы с операционными усилителями. Это позволяет получить больший выходной сигнал и согласовать датчик с измерительными цепями.
Применение транзисторных датчиков температуры
Транзисторы в качестве датчиков температуры применяются в следующих областях:
- Измерение температуры радиаторов и теплоотводов в электронной аппаратуре
- Системы термостабилизации и термокомпенсации
- Простые электронные термометры
- Измерение температуры кристаллов полупроводниковых приборов
- Температурная защита в источниках питания
Главными достоинствами транзисторных датчиков являются их простота, низкая стоимость и хорошая линейность характеристики в широком диапазоне температур.
Преимущества и недостатки транзисторных датчиков температуры
Преимущества использования транзисторов в качестве датчиков температуры:
- Простота конструкции
- Низкая стоимость
- Хорошая линейность характеристики
- Широкий диапазон измеряемых температур
- Малые габариты
Недостатки транзисторных датчиков температуры:
- Невысокая точность измерений
- Необходимость калибровки
- Зависимость от тока через транзистор
- Влияние саморазогрева на точность
Особенности применения транзисторов как датчиков температуры
При использовании транзисторов в качестве датчиков температуры следует учитывать следующие моменты:
- Ток через p-n переход должен быть стабильным
- Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт транзистора с объектом измерения
- Для повышения точности рекомендуется использовать дифференциальные схемы
- Желательно применять специальные транзисторы с малым разбросом параметров
- Требуется калибровка датчика для получения абсолютных значений температуры
При правильном применении транзисторные датчики позволяют измерять температуру с точностью до 0,1-0,5°C в диапазоне от -55°C до +150°C.
Выбор транзистора для датчика температуры
При выборе транзистора для использования в качестве датчика температуры следует обращать внимание на следующие параметры:
- Температурный коэффициент напряжения база-эмиттер
- Линейность температурной характеристики
- Максимальная рабочая температура
- Корпус (для обеспечения теплового контакта)
- Разброс параметров
Хорошо подходят для этих целей маломощные биполярные транзисторы в металлических корпусах, например KT315, 2N3904 и аналогичные.
Для повышения точности измерений рекомендуется использовать специализированные транзисторы, предназначенные для работы в качестве датчиков температуры.
Датчик температуры | Все своими руками
Опубликовал admin | Дата 9 июня, 2014Зависимость падения напряжения на p-n переходе от температуры было замечено сразу после создания самого этого перехода. Это свойство полупроводников используется в электронных термометрах, датчиках температуры, термореле и т.д.
Простейшим датчиком температуры является p-n переход кремниевого диода, температурный коэффициент напряжения, которого равен, примерно, 3 мВ/°C, а прямое падение напряжения находится в районе 0,7В. Работать с таким маленьким напряжением неудобно, поэтому в качестве термозависимого элемента лучше использовать p-n переходы транзистора, добавив к нему базовый делитель напряжения. Полученный двухполюсник обладает свойствами цепочки диодов, т.е. падение напряжения на нем можно устанавливать намного больше, чем 0,7В. Зависит оно от соотношения базовых резисторов R1 и R2 см. рис. 1.
Обладая отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, этот двухполюсник нашел применение в схеме питания варикапов. При повышении температуры, емкость варикапов начинает увеличиваться, но одновременно уменьшается падение напряжения на двухполюснике VT1, R1,R2, что ведет к увеличению напряжения на переменном резисторе и соответственно на варикапе, уменьшая его емкость. Таким образом, достигается температурная стабилизация резонансной частоты колебательного контура. На рисунке 2 показана схема двухполюсника, который можно использовать в качестве термодатчика в схемах электронных термореле и термометрах. Здесь есть одно неудобство, кристалл транзистора КТ315 размещен в пластмассовом корпусе, что повышает инерцию измерения температуры или срабатывания реле. И второе, это неудобство крепления его к объекту, температуру которого необходимо отслеживать. Например, для отслеживания температуры теплоотводов мощных ПП, лучше применить в качестве термодатчика транзистор КТ814. Конструкция этого транзистора позволяет крепить его непосредственно к радиатору, находящемуся под потенциалом земли, всего одним винтиком. Такой датчик используется в схеме терморегулятора для вентилятора, размещенной на сайте www. ixbt.com/spu/fan-thermal-control.shtml
На рисунке 4 показана практическая схема для вентилятора охлаждения блока питания. Применение операционного усилителя средней мощности К157УД1 в качестве компаратора, позволило подключить пару вентиляторов от блока питания компьютера непосредственно на выход микросхемы, выходной ток которой, равен 0,3А. Температуру включения вентиляторов устанавливают резистором R5. Схема работает следующим образом. При нормальной температуре теплоотвода напряжение на выводе 9 микросхемы DA1 должно быть больше, чем на выводе 8. При этом на выходе DA1, выводе 6, будет потенциал близкий к напряжению питания схемы. Напряжение на вентиляторах при таких условиях будет практически равно «0». Вентиляторы выключены. При повышении температуры теплоотводов будет повышаться и температура транзистора VT1, что в свою очередь вызовет уменьшение напряжения на неинвертирующем входе 8 микросхемы DA1. Как только это напряжение будет меньше напряжения, установленного резистором R5, состояние компаратора изменится и на его выходе напряжение упадет примерно до потенциала земли. Вентиляторы включатся. Резистор R7 обеспечивает небольшой гистерезис схемы, что исключает неопределенное состояние выходного напряжения на выходе DA1 при равенстве входных напряжений. Плату терморегулятора лучше установить прямо на контролируемом радиаторе, чтобы его микросхема тоже обдувалась вентилятором. Транзистор VT1 соединяется с платой тремя проводами и устанавливается в непосредственной близости от мощных ПП.
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:26 142
Данный терморегулятор не только прост, но надежен, так как в нем нет механически размыкающихся контактов. Роль ключевого элемента выполняет тиристор VS1 типа КУ202Н. В то же время его схема не содержит дефицитных деталей. Вместо терморезистора я использую германиевый транзистор, любой из серии МП39— МП42. Базовый вывод этого транзистора не использую, его можно удалить или надежно изолировать.
Выбор других деталей для данной схемы также не представляет особых проблем, схема не слишком критична к типу используемых элементов. Практически все необходимое можно найти в любом старом транзисторном или ламповом приемнике. Стабилитрон Д814А (VD1) можно заменить на Д814Б или любой другой с напряжением стабилизации от 7 до 9 В. Транзистор VT2 — типа КТ315 с любым буквенным индексом. Тиристор VS1 — типа КУ202 или КУ201 с буквенным индексом от «К» до «Н». Диоды выпрямительного моста /Д2. /Д5— типа КД202 с буквой «Ж», «И». «Н». Последние можно заменить на Д226Б или «В», но при этом мощность нагревателя не должна преного моста /Д2. /Д5— типа КД202 с буквой «Ж», «И». «Н». Последние можно заменить на Д226Б или «В», но при этом мощность нагревателя не должна превышать 60 Вт. Если использовать по два диода Д226 в каждом плече моста, то мощность подключаемого к регулятору нагревателя можно увеличить до 130 Вт. С диодами типа КД202 мощность может быть до 600 Вт.
Величины сопротивлений резисторов также могут несколько отличаться от приведенных на схеме рис. 1. R1 — регулировка температуры — переменный резистор любого типа от 33 до 47 кОм. R2 — типа МЛТ-0,5 или 0,25 от 1,5 до 1,8 МОм. R3 и R4 — того же типа — 5,6. 6,8 кОм и 47. 51 кОм соответственно. R5 — МЛТ-2 от 18 до 20 кОм.
Детали регулятора температуры монтируют на печатной плате (рис. 2) из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1,5. 2,0 мм. Проводники вырезают резаком по линейке. Расположение деталей на лицевой стороне платы показано на рис. 3. Размеры платы и рисунок проводников позволяют устанавливать на ней диоды как типа КД202, так и типа Д226.
Датчик температуры VT1 необходимо обязательно поместить в изолирующую тонкостенную пластмассовую трубку подходящего диаметра и соединить с платой парой свитых между собой проводников. Ручка на оси переменного резистора R1 также обязательно должна быть пластмассовой.
Несмотря на простоту, терморегулятор очень надежен в работе. За три года он меня ни разу не подводил.
Схема термореле показана на рис. 1. Теплочувствительный элемент этого автомата – полупроводниковый терморезистор, сопротивление которого при понижении температуры резко увеличивается. Так при комнатной температуре (20 С) его сопротивление составляет 51 кОм, а при 5-7 С уже почти 100 кОм, то есть возрастает почти в два раза. Именно это его свойство и используется в автоматическом регуляторе температуры.
Рис. 1 Схема термореле
При нормальной температуре сопротивление терморезистора R1 относительно мало, и на базу транзистора VT1 подается постоянное смещение, которое удерживает его в открытом состоянии. С уменьшением температуры сопротивление терморезистора увеличивается, ток базы уменьшается, и транзистор начинает закрываться. Тогда триггер Шмидта, собранный на транзисторах VT2 и VT3, «опрокидывается» (VT2 открывается, а VT3 закрывается) и подает смещение в цепь базы транзистора Т4, в эмиттерную цепь которого включено электромагнитное реле.
Транзистор VT4 открывается и включает реле К1. Подстроечным резистором R3 можно выбрать пороги срабатывания триггера и, следовательно, температуру, которую устройство будет автоматически поддерживать.
Диод VD2, включенный в обратном направлении, шунтирует обмотку реле и предохраняет транзистор от пробоя при включении реле, когда в его обмотке возникает ЭДС самоиндукции. Одновременно со срабатыванием реле начинает светиться светодиод HL1, который используется в качестве индикатора работы всего устройства.
Стабилитрон VD1 и резистор R9 образуют простейший параметрический стабилизатор напряжения для питания электронной схемы устройства, а конденсаторы С1 и С2 фильтруют выпрямленное диодным мостиком VD3-VD6 переменное напряжение.
Все детали для сборки устройства вы можете легко купить в магазине радиотоваров. Резисторы типа МЛТ, транзистор VT1 -МП41; VT2, VT3 и VT4 – МП26. Вместо них можно использовать любые p-n-p транзисторы, рассчитанные на напряжение не ниже 20 В. Реле K1 – типа РЭС-10 или аналогичное, срабатывающее при токе 10-15 мА с переключающими или размыкающими контактами. Если нужного вам реле подобрать не удастся, не отчаивайтесь. Заменив транзистор VT4 на более мощный, например ГТ402 или ГТ403, вы можете включить в его коллекторную цепь практически любое реле, применяющееся в транзисторной аппаратуре. Светодиод HL1 – любого типа, трансформатор T1 – ТВК-110.
Все детали, за исключением терморезистора R1, монтируются на печатной плате, которая находится в комнате вместе с электронным выключателем (схема 2). Когда при понижении температуры реле срабатывает и замыкает контакты К 1.1, на управляющем электроде симистора VS1 появляется напряжение, которое его отпирает. Цепь замыкается.
Теперь о налаживании электронной схемы. Прежде чем подключать контакты реле 4 к тиристору VS1, терморегулятор необходимо испытать и настроить. Сделать это можно так.
Возьмите терморезистор, припаяйте к нему длинный провод в двухслойной изоляции и поместите в тонкую стеклянную трубочку, заклеив с обоих концов эпоксидной смолой для герметичности. Затем включите питание электронного регулятора, опустите трубочку с терморезистором в стакан со льдом и, вращая движок подстроечного резистора, добейтесь срабатывания реле.
Всего хорошего, пишите to Elremont © 2005
Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.
Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).
Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.
Именно поэтому рабочая температура полупроводников имеет определённые ограничения
Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.
В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.
Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.
В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.
Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.
Данные по падению напряжения на диодах
При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется). Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.
Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).
Схема термометра на диоде.
Датчики температуры для микроконтроллера
На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.
Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.
Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.
Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.
Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.
Прочие сферы применения
Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах, электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.
Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:
— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;
— превосходная чувствительность и точность.
Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Поделиться ссылкой:
Диод как датчик температуры : 1 комментарий
Германевые диоды типа Д9, Д2 — прекрасно работают при обратном включении, через сопротивление (реостат) 100 кОм ( примерно такое же обратное сопротивление диода), напр.питания 5-10 вольт. В средней точке получается примерно половина напряжения питания, которое можно сразу подавать на вход цифровых микросхем КМОП (561 ла7, тл2,…) и использовать как термостат вкл-выкл. Или создать «мост» диод+переменный резистор и делитель из двух резисторов, между которыми включить микроамперметр и получим термометр.
Оцените статью: Поделитесь с друзьями!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 + 1 и для данной схемы равен 11. Итоговая крутизна сигнала температуры получается 2*11=22мВ/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.
Индикатор температуры на транзисторах
Рубрика: Принципиальные схемы, Схемы для начинающих Опубликовано 25.03.2018 · Комментарии: 0 · На чтение: 2 мин · Просмотры:Post Views: 597
Датчик температуры на КТ361 и КТ315.
Как работает ртутный термометр? Очень просто. Столбик поднимается при повышении температуры тела. В этом случае датчик является ртуть, расширяющаяся с нагревом.
Сейчас есть целое множество электронных компонентов, также чувствительных к температуре . Такие компоненты становится датчиками в приборах измерения температуры, предназначенных для индикации превышения ее заданной нормы.
Как работает транзисторный датчик температуры
Одна из особенностей полупроводников это их чувствительность к температуре окружающей среды и ее вариациям. В приведенной схеме в качестве такого термочувствительного элемента использован кремниевый диод VD1. Он подключен к эмиттерной цепи транзистора VT1. Начальный ток через диод задается переменным резистором R1. Сопротивление подбирается таким образом, чтобы светодиод HL1 едва светился.
Теперь, если прикоснуться к диоду VD1 пальцем или каким-либо нагретым предметом, его сопротивление уменьшится, а значит, уменьшится и падение напряжения на его p-n переходе. В итоге коллекторный ток транзистора VT1 увеличится и падение напряжения на резисторе R3. Второй транзистор VT2 начнет закрываться, а VT3 напротив, открываться. Степень яркости светодиода будет возрастать. После охлаждения диода VD1 яркость светодиода HL1 достигнет первоначального значения.
Схожие результаты получится добиться, если нагревать транзистор VT1. Нагрев транзистора VT2, а тем более VT3 на яркость светодиода практически не скажется. Это объясняется слишком малым изменением тока через них.
Данные эксперименты наглядно доказывают утверждение, приведенное выше об изменении характеристик полупроводников в зависимости от окружающей температуры.
Фото сборки схемы
Список используемых деталей
| C1 | 47 мкФ 16 В |
| HL1 | Любой маломощный светодиод |
| R1 | 10 кОм переменный |
| R2, R3 | 10 кОм 0,25 Вт |
| R4, R6 | 1 кОм 0,25 Вт |
| R5 | 3 кОм 0,25 Вт |
| VD1 | КД521А |
| VT1 | КТ361А |
| VT2, VT3 | КТ315А |
Источник Конструкции И.Бакомчева
10
Post Views: 597
Термодатчики на транзисторах в схемах на МК
Физическая природа полупроводниковых материалов такова, что их параметры достаточно сильно зависят от температуры. В обычных усилительных схемах с этим явлением борются, а в измерителях температуры, наоборот, поощряют Например, у кремниевых транзисторов при постоянном токе коллектора с повышением температуры напряжение «база — эмиттер» U^^^ уменьшается с теоретическим коэффициентом 2.1 мВ/°С. Фактическое же изменение пропорционально отношению 1000|мВ|/Гх1 К], где Гх — температура среды по шкале Кельвина.
Пример расчёта. Пусть напряжение между базой и эмиттером стандартного кремниевого транзистора при температуре 7;)= 20°С составляет ^^^
С повышением температуры его корпуса до Г, = 35°С это напряжение уменьшается на 49м В: i
Реальное напряжение может несколько отличаться от расчётного, что зависит от положения рабочей точки транзистора и его типа. В любом случае рекомендуется снижать и стабилизировать ток, протекающий через /?—/7-переход, чтобы устранить эффект саморазогрева кристалла.
Рис. 3.67. Схемы подключения транзисторных термодатчиков к МК:
а) измерение температуры в диапазоне —30…+150°С. Термодатчиком выступает транзистор VTI, у которого напряжение (/[^э «дрейфует» с коэффициентом около 2 мВ/°С. Резисторами R4 и 7 выставляется диапазон температур и калибровочное напряжение +3 В на входе МК при комнатной температуре +25°С. Транзистор VTI имеет металлический корпус, торец которого можно запрессовать в термостойкую пластиковую трубку и использовать всю конструкцию как выносной щуп или зонд;
б) термодатчик на однопереходном транзисторе VTI обеспечивает линейность измерения температуры в диапазоне 0…+ 100°С;
в) транзистор VTI специально используется малогабаритный поверхностно монтируемый (SMD). Это необходимо для уменьшения тепловой инерционности датчика. К примеру, SMD- транзистор входит в стабильный тепловой режим через одну минуту после скачка температуры на 10°С (обычному «большому» транзистору требуется в несколько раз больше времени). Резистор /^/балансирует дифференциальную схему, состоящую из транзисторов VTI, VT2\
На Рис. 3.67, а…г показаны схемы подключения транзисторных термодатчиков к МК.
г) транзистор VT1 имеет в своём корпусе отверстие, через которое может закрепляться винтом на поверхности измеряемого объекта. Коллектор транзистора электрически соединяется со своим корпусом, что надо учитывать при монтаже. Температурный коэффициент преобразования прямо пропорционален отношению резисторов R3/R2 (в данной схеме около 20 мВ/°С).
Терморезистор
Устройство и виды
Терморезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от его температуры. В зависимости от типа элемента сопротивление может повышаться или падать при нагреве. Различают два вида терморезисторов:
- NTC (Negative Temperature Coefficient) – с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Часто их называют «Термисторы».
- PTC (Positive Temperature Coefficient) – с положительным ТКС. Их также называют «Позисторы».
Важно! Температурный коэффициент электрического сопротивления – это зависимость сопротивления от температуры. Описывает, на сколько Ом или процентов от номинальной величины изменяется сопротивление элемента при повышении его температуры на 1 градус Цельсия
Например, у обычных резисторов положительный ТКС (при нагреве сопротивление проводников повышается).
Терморезисторы бывают низкотемпературными (до 170К), среднетемпературными (170-510К) и высокотемпературными (900-1300К). Корпус элемента может быть выполнен из пластика, стекла, металла или керамики.
Условное графическое обозначение терморезисторов на схеме напоминает обычные резисторы, а отличием является лишь то, что они перечеркнуты полосой и рядом указывается буква t.
Кстати, так обозначаются любые резисторы, сопротивление которых изменяется под воздействием окружающей среды, а род воздействующих величин и указывается буквой, t – температура.
Основные характеристики:
- Номинальное сопротивление при 25 градусах Цельсия.
- Максимальный ток или мощность рассеяния.
- Интервал рабочих температур.
- ТКС.
Интересный факт: Терморезистор изобретен в 1930 году ученым Самюэлем Рубеном.
Давайте подробнее рассмотрим, как устроен и для чего нужен каждый из них.
Измерения
Для измерения температуры в качестве термопреобразователей можно использовать полупроводниковые диоды и транзисторы. Это объясняется тем, что при постоянном значении тока, протекающего в прямом направлении, например через переход диода, напряжение на переходе практически линейно изменяется с изменением температуры. Для того чтобы значение тока было постоянно, последовательно с диодом достаточно включить большое активное сопротивление. При этом ток, проходящий через диод, не должен вызывать его нагрева. Построить градуировочную характеристику такого термодатчика можно по двум точкам — в начале и в конце измеряемого диапазона температур. На рисунке 1, а показана схема измерения температуры при помощи диода VD. Источником питания может служить батарейка.
Рис. 1. Схема измерения температуры при помощи диода (а) и транзисторов (б, в). Мостовые съемы позволяют увеличивать относительную чувствительность устройства, компенсируя начальное значение сопротивления датчика. Аналогично влияет температура на сопротивление перехода эмиттер — база транзисторов. При этом транзистор может одновременно действовать и как датчик температуры, и как усилитель собственного сигнала. Поэтому применение транзисторов в качестве термодатчиков имеет преимущество перед диодами. На рисунке 1, б показана схема термометра, в которой в качестве преобразователя температуры используется транзистор (германиевый или кремниевый). При изготовлении термометров как на диодах, так и на транзисторах требуется построить градуировочную характеристику, при этом в качестве образцового средства измерений можно использовать ртутный термометр. Инерционность термометров на диодах и транзисторах небольшая: на диоде — 30 с, на транзисторе — 60 с. Практический интерес представляет мостовая схема с транзистором в одном из плеч (рис. 1, в). В этой схеме эмиттерный переход включен в одно из плеч моста R4, на коллектор подано небольшое запирающее напряжение.
Ключевые теги: диод, транзистор, температура | |||||
| |||||
Диод как датчик температуры- функция полупроводника
Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.
Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).
Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.
Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.
В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.
Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.
В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.
Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.
Данные по падению напряжения на диодах
При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется). Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.
Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).
Схема термометра на диоде.
Датчики температуры для микроконтроллера
На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.
Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.
Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.
Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.
Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.
Прочие сферы применения
Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах, электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.
Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:
— относительная дешевизна;
— скромные габариты;
— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;
— превосходная чувствительность и точность.
Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Простой электронный термометр на однопереходном транзисторе
категория
Радиосхемы для дома
И. Нечаев. г. КурскРадио, 1992 год, № 8, стр 17- 18
В этой статье разговор пойдет о возможности конструировать приборы для измерения температуры на расстоянии- за переделами дома или, скажем, в балконном «овощехранилище».Схем, позволяющих выполнять данную функцию, достаточно много, но есть определенные особенности при выборе термочувствительного датчика.
Как правило в большинстве случаев при конструировании подобных устройств чаще всего радиолюбителями применяются терморезисторы. Они обладают достаточно широким тепловым коэффициентом сопротивления (далее ТКС)- до 8% на градус. Однако он сильно изменяется в зоне измеряемых температур. Если для домашних термометров на этот факт можно и закрыть глаза, то если речь идет о широком диапазоне температур (например как в нашем случае- от — 40 град. С, до +40 град.С.) то возникают определенные проблемы с градуировкой измерительной шкалы прибора- она просто потеряет свою линейность.
Мы знаем также что и самый обычных p-n переход любого полупроводникового прибора может служить в качестве термодатчика, однако ТКН простого перехода очень мал- не более 0,3% на градус, и это требует введение дополнительных усилительных цепей, значительно что усложняет конструкцию.
Как показал опыт, для использования в качестве термодатчика лучше всего подходят однопереходные транзисторы типа КТ117 (они применялись в блоках питания телевизоров 2\3УСЦТ и найти их особого труда не составит) если его соединить как показано на картинке
В результате такого включения получим терморезистор сопротивлением 5… 10 кОм с КТС примерно 0,7…0,9% на градус С. При этом во всем диапазоне температур шкала прибора будет линейной. Это свойство однопереходного транзистора и позволило использовать его в качестве термодатчика в приборе, схема которого показана на рисунке
Основой рассматриваемого электронного термометра служит измерительный мост на резисторах R2- R5 в одно плечо которого включен однопереходный транзистор VT1. В диагональ моста установлен микроамперметр PA1 с нулем посередине. Источником питания может служить двухполупериодный выпрямитель- для этой цели в схему введен параметрический стабилизатор на транзисторе VT2 и стабилитроне VD1. Если прибор будет эксплуатироваться короткое время (включил, посмотрел, выключил) то тогда можно использовать и 9- ти Вольтовую батарею типа «Крона», в этом случае цепи стабилизации можно из схемы исключить.
Суть прибора заключается в следующем: все резисторы в схеме установлены постоянные, изменяемым является только лишь сопротивление термодатчика роль которого играет транзистор. При изменении температуры окружающей среды ток через термодатчик будет меняться. Причем меняться ток будет как в сторону увеличения при повышении температуры, так и в сторону уменьшения при уменьшении температуры.Получается что остается только лишь при помощи подбора резисторов измерительного моста и регулировкой подстроечного резистора R1 установить показания стрелки прибора в нулевое положение при 0 градусов С.
При настройке прибора можно воспользоваться следующими рекомендациями- в качестве эталона «нулевой» температуры можно использовать тающий лед из холодильника. Получить температуру в 40… 50 градусов С. также труда не составит- можно просто нагреть духовку до нужной температуры. Таким образом можно установить нулевое положение прибора и максимальное положительное сделав соответствующие отметки на шкале. «Минусовую» отметку можно сделать на таком-же расстоянии как и «плюсовую» потому что шкала измерений будет линейна.
Все детали термометра монтируются на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита, эскиз которой показан на рисунке
Примерный внешний вид устройства показан ни следующем рисунке
Для данного термометра лучше всего подойдет микроамперметр типа М4206 на ток 50 мкА с нулем посередине шкалы. Если вдруг данного прибора в наличие не оказалось, то можно использовать любой другой микроамперметр на указанный ток (желательно с большой измерительной шкалой), но тогда в схему необходимо будет ввести дополнительную кнопку чтобы была возможность контролировать положительные и отрицательные температуры раздельно как показано на рисунке
Ну и под конец: при необходимости прибор можно снабдить несколькими термодатчиками, включив из по следующей схеме
Таким образом мы получим возможность контролировать температуру на нескольких объектах- например дома и на улице.
Термодатчики на транзисторах в схемах на МК
Физическая природа полупроводниковых материалов такова, что их параметры достаточно сильно зависят от температуры. В обычных усилительных схемах с этим явлением борются, а в измерителях температуры, наоборот, поощряют Например, у кремниевых транзисторов при постоянном токе коллектора с повышением температуры напряжение «база — эмиттер» U^^^ уменьшается с теоретическим коэффициентом 2.1 мВ/°С. Фактическое же изменение пропорционально отношению 1000|мВ|/Гх1 К], где Гх — температура среды по шкале Кельвина.
Пример расчёта. Пусть напряжение между базой и эмиттером стандартного кремниевого транзистора при температуре 7;)= 20°С составляет ^^^
С повышением температуры его корпуса до Г, = 35°С это напряжение уменьшается на 49м В: i
Реальное напряжение может несколько отличаться от расчётного, что зависит от положения рабочей точки транзистора и его типа. В любом случае рекомендуется снижать и стабилизировать ток, протекающий через /?—/7-переход, чтобы устранить эффект саморазогрева кристалла.
Рис. 3.67. Схемы подключения транзисторных термодатчиков к МК:
а) измерение температуры в диапазоне —30…+150°С. Термодатчиком выступает транзистор VTI, у которого напряжение (/[^э «дрейфует» с коэффициентом около 2 мВ/°С. Резисторами R4 и 7 выставляется диапазон температур и калибровочное напряжение +3 В на входе МК при комнатной температуре +25°С. Транзистор VTI имеет металлический корпус, торец которого можно запрессовать в термостойкую пластиковую трубку и использовать всю конструкцию как выносной щуп или зонд;
б) термодатчик на однопереходном транзисторе VTI обеспечивает линейность измерения температуры в диапазоне 0…+ 100°С;
в) транзистор VTI специально используется малогабаритный поверхностно монтируемый (SMD). Это необходимо для уменьшения тепловой инерционности датчика. К примеру, SMD- транзистор входит в стабильный тепловой режим через одну минуту после скачка температуры на 10°С (обычному «большому» транзистору требуется в несколько раз больше времени). Резистор /^/балансирует дифференциальную схему, состоящую из транзисторов VTI, VT2\
На Рис. 3.67, а…г показаны схемы подключения транзисторных термодатчиков к МК.
г) транзистор VT1 имеет в своём корпусе отверстие, через которое может закрепляться винтом на поверхности измеряемого объекта. Коллектор транзистора электрически соединяется со своим корпусом, что надо учитывать при монтаже. Температурный коэффициент преобразования прямо пропорционален отношению резисторов R3/R2 (в данной схеме около 20 мВ/°С).
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 + 1 и для данной схемы равен 11. Итоговая крутизна сигнала температуры получается 2*11=22мВ/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.
В датчике установлен термометр типа LM35, что обеспечивает надежность и точность при измерениях температуры. Благодаря герметизации датчика с измерительным элементом, обеспечивается высокая вибростойкость и влагостойкость.
Основные технические характеристики:
• Подходит для использования в газообразных средах, а также измерения температуры окружающей среды и температуры предметов и исследуемой поверхности
• Возможность крепления с помощью болтового соединение непосредственно к поверхности измеряемой температуры
• Защита от инверсной подачи питания
• Рабочая температура достигает +100 °C
• Диапазон измеряемых температур: -50…+80
• Напряжение питания: постоянный ток 12В
• Потребляемый ток: 10мА
• Напряжение выходного сигнала: 0-10В
• Выходной ток: 20мА
Конструкция датчика позволяет крепить его непосредственно к площади поверхности для измерения температуры ее поверхности или компенсации температурных изменений (для лучшего эффекта, на место контакта нанести небольшой слой теплопроводной пасты, например КПТ-8 или КПТ-19), возможно так же крепить таким способом датчик температуры на пластиковые, поливинилхлоридные и прочие поверхности изготовленные из материалов с низкой теплопроводностью.
Предыстория:
Обратился как-то ко мне знакомый, который работал инженером в фирме — интеграторе GPS/Глонасс оборудования. Один из их клиентов захотел измерять температуру окружающей среды за бортом очередного трактора. На этой технике уже стояли GPS — терминалы, отечественные, ADM600, какой-то пермской конторы. Спросил меня, какой лучше датчик применить, недорогой. У меня сразу возникла мысль, почему бы не применить DS18B20, на что коллега мне ответил: «у треккера нет 1wire», есть только 2 АЦП, один канал от 0-13, второй от 0 — 36, ну и плюс еще всякие входа дискретные и протокольные интерфейсы. Странно думаю, как так-то? В общем нужно было срочно решить его проблему, причем еще и как обычно — недорого. Придя домой сразу же открыл ящик стола. В кассетнице лежало с десяток DS18b20 и LM35. Откуда LM 35, я даже и не вспомнил. Никогда их не применял. Открыв ДШ по GPS треккеру и вправду не обнаружил у него шину Dallas а. Решено, делать датчик на том что есть — LM35. В ДШ написанно, что при базовом подключении, цена деления 10мВ на 1 градус С. И при этом нет возможности измерить отрицательную температуру.
Исходя из этого, требуется усилить сигнал и сделать смещение на датчике, что бы была возможность измерения отрицательных температур. Полазив в интернете, нашел схему смещения на двух диодах. Решил поставить транзистор.
В качестве усилителя применен низковольтный ОУ LM358:
Дальше решил промоделировать схему со смещением:
Как видно из рисунка, выходной сигнал измеряется (вольтметром) относительно общего провода.
Резистор R1 и транзистор Q1(включенный как диод) образуют схему смещения уровня вывода GND датчика температуры. При этом потенциал нижнего вывода резистора R4 оказывается отрицательным по отношению к GND LM35 и, датчик может работать как с положительными, так и с отрицательными температурами. Измерение выходного сигнала, как уже говорилось выше, осуществляется относительного общего провода питания. При нулевом значении температуры выходное напряжение составляет 0.6В (при использовании транзистора MMBT3906).
Снижение температуры ниже нуля вызывает уменьшение выходного напряжения (10 мВ на 1С на выходе LM35).
Подъем температуры выше нуля приводит к росту выходного напряжения.
Далее вопрос стал о конструктиве. Набросал 3D в Proteus, дабы визуально оценить размеры (решил плату усилителя совместить с головкой датчика в единую конструкцию, ибо линии на этом тракторе могут достигать длины и более 2х метров).
В DIPe сразу не понравилось, громоздко. Решил использовать планарные элементы. В качестве элемента для головки термодатчика использовал медный наконечник с отверстием под болт, решил обжать им LM35, предварительно промазав КПТ-8. Обжал при помощи специальной обжимки от Phoenix contact, брал у коллеги, поэтому не удалось сфотографировать. Далее аккуратно обработал простыми плоскогубцами.
Нарисовал плату в sLayot, получилась достаточно компактна:
Ну дальше сборка, решил сделать сразу 10 штук:
После сборки, обжал аккуратно наконечником корпус термодатчика и хорошо припаял с обратной стороны печатной платы… Конечно лучше было сделать прорези и пропаять с обеих сторон, но времени не было. Плату аккуратно обмакнул в Казанский герметик и поместил в термоусадочную трубку с клеем, провода от датчика поместил в пластиковый гофрорукав с авторынка, диаметром 6мм.
Питание датчика осуществляет отдельный параметрический стабилизатор на TL431 и МДП транзисторе и в данном случае не рассматривается.
Попробовал я откалибровать датчик. Калибровал при помощи спиртового градусника и своего самодельного термометра на DS18B20:
Калибровал так: холодильник, улица, фен. Хотя можно было применить чашку со льдом и комфорку плиты. Но так как термодатчик линеен, не стал сильно заморачиваться и сделал несколько замеров:
Сопоставляя данные с разных термометров сделал вывод: датчик получился достаточно точным.
Схема подключения датчика к прибору ADM600:
Передал датчики товарищу. Который через неделю после инсталяции термометров скинул мне отчет из програмного комплекса Fort Monitor, все работало =)
PS: По оси Y указана температура, а не напряжение. Так устроен программный комплекс…
Температура оказывает существенное влияние на электронные продукты. Это влияет как на производительность системы, так и на ожидаемый срок службы компонентов. С ростом плотности схем в одинаковых или часто меньших размерах проблемы с температурой могут только возрастать — даже при компенсирующем влиянии все более низких компонентов энергопотребления. Измерение температуры может позволить электронной системе компенсировать ее влияние и предотвратить серьезные проблемы перегрева.
Температурные датчики легко изготавливаются с использованием технологии обработки полупроводников с использованием температурных характеристик PN-перехода. Как отмечается в разделе «Полупроводниковые переходные термометры», в , Руководство по измерениям, измерительным приборам и датчикам, второе издание, , «Пакетная обработка и четко определенные производственные процессы, связанные с полупроводниковой технологией, обеспечивают недорогие и стабильные по качеству датчики температуры». В качестве неотъемлемого аспекта определяющих уравнений транзистора температурная чувствительность PN-перехода вполне предсказуема и очень линейна в типичном рабочем диапазоне полупроводников от -55 до + 150 ° C.
В дополнение к перекрестку PN в диоде, датчик температуры полупроводниковый переход может быть достигнуто за счет короткого замыкания коллектор-база перехода биполярного транзистора, чтобы создать диод. Когда постоянный ток проходит через соединение база-эмиттер, он создает напряжение между базой и эмиттером (Vbe), которое является линейной функцией абсолютной температуры. Общее прямое падение напряжения имеет температурный коэффициент приблизительно 2 мВ / ° C.
Напряжение в зависимости от температуры датчика полупроводникового перехода гораздо более линейное, чем у термопары или резистивного температурного устройства (RTD).Тем не менее, температурный коэффициент полупроводникового датчика больше (но все еще довольно мал) по сравнению с термопарой или RTD. С интегральной схемотехникой можно добавить компенсацию, а также усиление и другие аспекты сопряжения системы, включая диагностику, цифровой выход и многое другое.
Дополнительные схемы, такие как усиление и компенсация, могут быть легко добавлены к датчику температуры транзистора.
,Как рассчитать температуру перехода (от температуры окружающей среды)
Температура соединения (или температура канала) может быть рассчитана из окружающей среды с использованием следующего уравнения.
* Rth (j-a): Тепловое сопротивление «переход-среда» варьируется в зависимости от типа печатной платы. Для справки ниже приведена таблица термического сопротивления в упаковке, основанная на использовании стандартной печатной платы ROHM.
* Значение Rth (j-a) отличается для каждого номера детали, но значения будут близки, если пакет одинаков.
** Если текущее потребление нестабильно и время от времени меняется, то усредненные значения тока потребления должны быть назначены в формуле расчета для получения приблизительного значения (см. «Используемый или не оценочный метод».
Ниже приведен пример корреляции между потреблением тока и температурой перехода, когда Rth (j-a) составляет 250 градусов./ Вт, температура окружающей среды 25 град.
Температура перехода увеличивается пропорционально потреблению тока. Константа пропорциональности для этого — Rth (j-a).
Поскольку Rth (j-a) составляет 250 град. / Вт, температура соединения повышается на 25 град. за каждый прирост 0,1 Вт потребления тока. Это означает, что температура соединения становится 150 град. когда потребление тока составляет 0,5 Вт, и график в этом случае предполагает, что ток за 0,5 Вт не может быть применен к TR.
Когда применяется тот же ток, температура перехода также увеличивается с повышением температуры окружающей среды. Это уменьшает применимый ток впоследствии. Максимальное потребление тока зависит от теплового сопротивления и температуры окружающей среды.
Максимальное потребление тока уменьшается при указанном соотношении.
Приведенная выше кривая снижения номинальных характеристик иллюстрирует коэффициент ослабления тока в процентах, который может применяться ко всем пакетам.Например, в случае пакета MPT3 (SOT89) максимальная применимая мощность составляет 0,5 Вт при 25 град. и применимый ток уменьшается со скоростью 0,8% / град. Это означает, что значение снижается до 0,4 Вт. Это составляет 80% от 100% его первоначального значения (20% вниз), а затем до 0,2 Вт, что составляет 40% от его первоначального значения (60% вниз).
Переходное тепловое сопротивление
В приведенных выше примерах мы обсуждали случаи, когда ток подается на устройство непрерывно. Далее мы обсудим случай, когда температура повышается за счет мгновенного приложения тока.
На приведенном выше графике показано тепловое сопротивление в момент времени (переходное тепловое сопротивление), график ширины импульса по оси X и Rth (j-a) по оси Y.
Этот график показывает нам, что температура перехода повышается по мере того, как сохраняется текущее время приложения, достигая состояния плато (называемого термическим насыщением) через 200 секунд.
Мы можем использовать вышеприведенную формулу расчета для получения температуры перехода, когда ток подается мгновенно в виде одного импульса.
Метод расчета температуры соединения (от температуры корпуса)
Температура соединения может быть рассчитана из температуры корпуса, как показано ниже. Примером может быть замена Rth (j-a) в формуле на Rth (j-c).
* Температура корпуса измеряется радиационным термометром как максимальная температура на поверхности упаковки, на которой нанесена маркировка.
* Обратите внимание, что температура корпуса существенно отличается в зависимости от метода / точки измерения.
** Значение считается приблизительным, когда приложенный ток не является постоянным, смещаясь время от времени путем присвоения усредненного значения потребления.
Поскольку значение Rth (jc) варьируется в зависимости от типа печатной платы, а также от условий рассеивания тепла (включая состояние пайки), приведенная выше формула потенциально не будет применяться к вашим расчетам, поскольку измеренные значения на плате RHOMs может не совпадать с измеренными значениями на вашей плате.Например, температура корпуса может быть ниже по сравнению, даже если приложенный ток одинаков, когда печатная плата имеет хорошие характеристики рассеивания тепла.
Иллюстрация ниже показывает, что Rth (j-c) становится ниже по мере того, как рисунок земли коллектора на печатной плате становится меньше. (Площадь земли коллектора / толщина / материалы плюс материал печатной платы, ширина цепи размера также принесут различные результаты измерения Rth (j-c).
Значение Rth (j-c) может различаться в зависимости от характера и состояния печатной платы.Трудно выбрать правильное место для точного измерения температуры корпуса. Из-за этого не рекомендуется приближать температуру соединения к температуре корпуса.
Тепловое сопротивление переход-корпус Rth (J-C) — Подробности
В принципе, тепловое сопротивление переход-корпус Rth (j-c) является индексом, в основном используемым для упакованных (сквозных отверстий) устройств TO220 путем пайки его в радиатор. В этом случае, поскольку теплоотвод между кожухами является трактом теплового излучения, можно точно рассчитать температуру перехода путем измерения температуры кожуха в точке в середине такого тракта.В частности, если используется радиатор с идеальными характеристиками рассеивания тепла (например, бесконечный радиатор), способность рассеивания тепла считается безграничной. Само собой разумеется, что «температура корпуса» = «температура окружающей среды», а температура корпуса = 25 град. (Tc = 25 град.) Вводится в формулу расчета.
(Тепловое сопротивление бесконечного радиатора: Rth (c-a) =; затем Rth (j-a) = Rth (j-c))
Для устройств поверхностного монтажа путь теплового излучения — это, в основном, часть печатной платы, которая находится непосредственно под устройством; что может затруднить измерение температуры корпуса из-за местоположения.Даже если измеряется температура на маркировочной стороне устройства, его доля тепловыделения во всем тепловыделении довольно мала. Следовательно, не рекомендуется использовать эту температуру в формуле для расчета температуры соединения.
Тем не менее, поскольку у наших клиентов много запросов о значении Rth (jc) для SMT-устройств, ROHM иногда предоставляет значение Rth (jc) при условии, что температура измеряется со стороны маркировки устройства, установленного на ранее упомянутая стандартная печатная плата.Из-за этого значение Rth (j-c) следует рассматривать как справочное.
Если устройство смонтировано на печатной плате не так, как у нас, доля рассеяния тепла во всем тепловом излучении будет отличаться, что затруднит точное определение температуры перехода.
Термостойкость стандартных пакетов (справочные данные)
Значения в следующих данных не являются ни гарантированными, ни максимальными / минимальными значениями. Пожалуйста, относитесь к ним только как к справочным данным.*
* Приведенные здесь данные получены по результатам измерения конкретной партии продукции.
* Rth (j-a) варьируется в зависимости от печатной платы, условий тепловыделения с использованием методов пайки и метода измерения температуры.
Страница Транзистора ,
Ранее мы создали пожарную сигнализацию с использованием термистора и систему пожарной сигнализации с использованием микроконтроллера AVR. Сегодня мы создаем очень простую цепь датчика температуры или цепь датчика температуры . Эта схема использует очень мало базовых компонентов, которые могут быть легко доступны, каждый может создать их сразу. Этот датчик тепла не только прост, но и эффективен; Вы можете попробовать это дома.
Здесь Транзистор BC547 используется в качестве датчика тепла.По мере увеличения температуры PN-перехода транзистор начинает проводить до некоторой степени. Это свойство «температуры» транзистора используется здесь, чтобы использовать его в качестве теплового датчика.
Диод 1N4148 и переменный резистор 1К Ом используется здесь, чтобы установить опорный или пороговый уровень для чувствительности тепла. И чувствительность схемы можно отрегулировать, вращая ручку.
Работа схемы проста, когда происходит нагрев или повышение температуры до уровня, при котором она пересекает пороговое значение, установленное параметром Pot, затем ток коллектора увеличивается, и светодиод начинает медленно гореть.Мы также можем использовать зуммер вместо светодиодов. Также обратите внимание, что перед началом тестирования схемы сначала установите переменный резистор. Когда вы полностью поверните его в одном направлении, светодиод будет выключен, а когда вы полностью поверните его в другом направлении, светодиод будет светиться с полной подсветкой. Поэтому установите горшок в положение, при котором небольшое вращение приведет к тусклому освещению светодиода.
Зависимость PN-переходов от температуры в транзисторе можно понять по формулам, представленным здесь.Напряжение базы-эмиттера (V BE ) падает ок. -2,5 мВ / ° C, отрицательный знак указывает на падение или уменьшение напряжения на B и E.
NPN-транзистор очень похож на диод, если мы закорачиваем базу (B) и коллектор (C) транзистора. В этом случае B-C действует как положительный вывод, а эмиттер (E) действует как отрицательный вывод. И если мы будем поддерживать источник напряжения постоянным, то напряжение на транзисторе станет функцией температуры. Для PNP транзистор E будет положительным выводом, а B-C будет отрицательным.Следовательно, закорачивая B и C, мы можем использовать транзистор в качестве детектора температуры. Ниже приведен NPN транзистор BC547 Конфигурация контактов:
Рабочая температура транзистора BC547 составляет до 150 градусов C, поэтому его можно идеально использовать при высокой температуре в качестве теплового датчика. И мы также можем сделать из этого пожарную сигнализацию.
,Двухцентровые температурные датчики | Hackaday
Когда им нужно добавить контроль температуры в проект, многие хакеры используют термопару K-типа для своих высокотемпературных нужд или встроенную ИС, чувствительную к температуре, когда она не нагревается. Термопара рассчитана на очень малые токи и чрезвычайно высокое усиление, и для ее чтения вам в значительной степени нужна специальная ИС, которая может быть дорогой. Микросхемы не такие дорогие, но в основном они ограничены кипящей водой. Что вы делаете, если хотите контролировать печь для оплавления?
Существует более дешевый способ, который охватывает диапазон между антарктической зимой и расплавленным припоем, и вы, вероятно, уже получили детали на полке.Даже если вы этого не сделаете, вам понадобятся только два дополнительных цента, при условии, что в вашем проекте уже есть микроконтроллер с АЦП. Спецификация: обычный ванильный диод и резистор.
За последний год я использовал диоды в качестве датчиков температуры в трех проектах: один — это обжарочный аппарат для кофе, который доводит зерна до 220 ° C в горячем воздухе, другой — нагревательную плиту для оплавления, которая достигает примерно 210 ° C, и третий — утюг для переноса тонера, который имеет очень стабильную температуру 130 ° C.Во всех этих случаях меня не волнует фактическое числовое значение температуры — все, что имеет значение, это воспроизводимость — поэтому я никогда не пытался что-либо калибровать. Я думал, что сделаю это правильно для Hackaday, и попытаюсь раздвинуть скромный диод до предела для науки.
В результате произошел пожар на печатной плате, испытательные контуры были распаяны при температуре выше 190 ° C, разболтались температурные датчики, и, наконец, сломался ramekin и арахисовое масло 200 ° C по всему моему столу. Веселые времена! С другой стороны, мне удалось получить достаточно данных для калибровки некоторых диодов, и результаты были фантастическими.Тестируемые схемы включали в себя как лучшие практики, так и самые простые, которые могли бы сработать, и результаты довольно близки. Это определенно техника, которую вы хотите иметь под своим поясом для большинства температурных диапазонов. Дьявол кроется в деталях, конечно, так что читайте дальше!
Диоды
Мы все знаем, что такое прямое падение напряжения обычного кремниевого диода, верно? 0,6 В или 0,7 В или около того, и этого достаточно для многих расчетов на основе салфеток. Но это падение напряжения зависит от двух основных факторов: тока, который вы проходите через диод, и температуры.Если вы держите ток фиксированным и считываете прямое напряжение, у вас есть датчик температуры. Несмотря на то, что он может немного отличаться для разных диодов, рассчитайте реакцию -2 мВ / ° C.
Удержание «фиксированного» тока может быть столь же простым, как и использование резистора: поскольку прямое напряжение диода не сильно меняется, ток через резистор практически постоянен. Все, что вам нужно сделать, это установить подходящее значение резистора. Следующим шагом является создание источника постоянного тока из двух транзисторов.Я опробую оба эти метода здесь.
Хотя это не новость. Следующим шагом по сложности, используемым большинством микросхем, чувствительных к температуре, является «кремниевый температурный датчик с запрещенной зоной». Вместо диода используются два транзистора, и синфазные недостатки устраняются с помощью операционного усилителя. Это прекрасно работает в микросхеме, где два транзистора могут быть почти одинаковыми и иметь одинаковую температуру, но для целей «Сделай сам» это добавляет больше сложности, чем стоит. Вот белая бумага, если вы хотите копаться в деталях.
Вместо того, чтобы стремиться к точности, которая измеряется в долях градуса, мне интересно узнать, насколько точными могут быть простейшие хакерские решения, сделанные в домашних условиях. Что вы получаете, добавляя реальный источник постоянного тока? Стоит ли оно того? Давайте разберемся.
Экспериментальный дизайн
Я взял семь диодов, шесть 1N4148 и 1N4002, и нагрел их вместе с термопарой K-типа и довольно хорошим мультиметром Fluke, который считывает их. 1N4148 является стандартным малосигнальным диодом мертвого стандарта и поставляется в не стеклянном корпусе: он идеально подходит для наших целей.На три из 1N4148s был подан ток через резистор 10 кОм просто потому, что это хорошее среднее значение, и я хотел оценить изменчивость диода к диоду. Были выбраны два других значения резистора: 3,3 кОм и 100 кОм, что приблизительно соответствует разумному диапазону токов.
Резисторы и источник постоянного токаЯ соединил 1N4002, высоковольтный, сильноточный выпрямительный диод, с резистором 10 кОм, чтобы посмотреть, какой эффект имел другой тип диода. Наконец, последний 1N4148 работал от цепи постоянного тока, прямо из Art of Electronics , которая вырабатывала довольно солидный 50 мкА.
Микроконтроллер STM32 был запрограммирован на получение показаний от каждого из диодов всякий раз, когда я набираю температуру. Если бы у меня был мультиметр регистрации, это могло бы быть намного менее скучным. Как бы то ни было, я подождал, пока отображаемая эталонная температура не достигнет значения даже в пять градусов, и набрал его в STM32, который считал семь АЦП и распечатал все эти значения через последовательный порт. Поэтому я нагревал все диоды, записывал данные на моем ноутбуке, пока они медленно охлаждались, очищал их, как только это было сделано, и наносил на них график.
Звучит легко, правда? Ну, вот где это весело. Настоящая хитрость заключается в том, чтобы убедиться, что все семь диодов и термопара имеют одинаковую температуру, начиная от комнатной и заканчивая горящей печатной платой.
Четыре неудачи равны успеху
Разговаривая с собственным Майком Щисом из Hackaday, он спросил, как вы паяете диоды, когда температура превышает температуру плавления припоя. Я, естественно, ответил, что я всегда обжимаю в таких ситуациях (что правда), а затем продолжил строить диодный испытательный стенд с паяными соединениями.Прочитав где-то, что арахисовое масло хорошо до 210 ° C или около того, я подумал, что оно станет отличной иммерсионной средой для выравнивания температур. Хорошо, что так и было, потому что все паяные соединения разомкнулись в одно и то же время при 190 ° C: отличное испытание на однородность температуры. Это была также ценная калибровка моего эталонного датчика температуры — температура плавления припоя 60/40 составляет 185 ° C — 190 ° C. Пятно на! Но никакие данные не регистрируются, когда провода приходят непаянными.
Когда я перезагружаюсь, я использую конфорку с (извитым) диодом в качестве датчика температуры, но я часто каптоную прикрепляю другой диод или два к рассматриваемой плате, чтобы получить измерение на плате.И поскольку ножки этих диодов болтаются на ветру, я избавился от паяных соединений. Так что я решил, что это будет работать и здесь, поэтому я перепаял испытательный стенд с семью новыми диодами, прикрепленными к куску пустой печатной платы, чтобы выровнять температуру. Все шло, пока я не почувствовал запах моей целевой температуры 250 ° C, когда я почувствовал запах дыма. Я немедленно выключил обогреватель и начал регистрировать температуры, и, конечно же, они понизились. А потом они снова начали подниматься, и было намного больше дыма.
Эпоксидный слой печатной платы был в огне! Оказывается, он начинает тлеть при температуре около 240 ° C и хорошо горит при температуре 260 ° C. Вместо того, чтобы идти к огнетушителю, я открыл несколько окон, продолжал регистрировать и достал камеру. Я на самом деле получил некоторые данные, но мой офис все еще пахнет немного.
Следующий сбой связан с приклеиванием диодов непосредственно к сплошной металлической пластине. В конце концов, он не будет гореть при 250 ° C. Проблема заключается в том, что он очень медленно охлаждает , если только вы не снимаете его с керамического нагревательного элемента, и в процессе этого диоды и термопара свободно извиваются из пластины, что приводит к аномальному понижению температуры на пять градусов по всей плате.Оказывается, что это произошло в меньшей степени и при запуске Firey-PCB. Вы могли бы решить эту проблему с помощью некоторого массива данных в постпроизводстве, но я решил дать горячей обработке еще один шанс, потому что это очень хорошо решило проблему контакта.
Последний этап был снова с арахисовым маслом, но на этот раз, начиная с высокой температуры расплавителя около 200 ° C и без полного погружения паяных соединений. И это тоже сработало бы, если бы не растрескивание из-под рамеки, когда оно ударяло о кусок мрамора, который я использовал для его охлаждения.Оглядываясь назад, это было очевидно, и это, вероятно, работало бы безупречно, если бы я надевал силиконовую подставку. С маслом, протекающим по всему столу, при температуре 200 ° C и обильным количеством бумажного полотенца, мне удалось записать этот прогон, по крайней мере, до тех пор, пока масло не исчезло. Я уберу завтра.
Итоговый итог: два пригодных набора данных, один из прогона обожженной печатной платы и один из теста на погружение в масло с трещинами. Ничто не идеально, но достаточно сделать некоторые выводы.
Результаты
Мой первый вывод состоит в том, что самый простой из всех способов, диод и резистор 10 кОм, подаваемый в АЦП, достаточен для неточной работы в любом приемлемом температурном диапазоне.Я знал это, используя его для оплавления припоя и обжаривания кофе, но я все еще был впечатлен хорошей линейностью диода по сравнению с эталоном термопары. Вы должны использовать этот «трюк».
Далее, создание источника постоянного тока, вероятно, не стоит того, если вы действительно не заботитесь о повышении температуры. Если подойдет простая воспроизводимость, не беспокойтесь. Да, я получил абсолютно прекрасные результаты при температуре 220 ° C, но разница между лучшим и худшим случаями, вероятно, составляет один или два градуса во всем диапазоне.Вам следует потратить время на обеспечение хорошего физического контакта между диодом и объектом, который вы сначала измеряете, а затем подключить транзисторы.
1N4002, большой, накачанный диод, работал почти идентично 1N4148 при питании с одинаковым сопротивлением, и три 1N4148 отлично отслеживали друг друга. Единственное, что имеет значение, это ток. Честно говоря, я был удивлен. Это говорит о том, что вы можете просто купить пакет с диодами и резисторами 1%, возможно, откалибровать несколько для проверки, и все готово.Поскольку уклоны всех диодов практически одинаковы, вы можете даже откалибровать их по одной точке при комнатной температуре. Насколько это легко?
Хотите знать, что на самом деле сложно во всем этом? Тестирование цепи за пределами диапазона, в котором он будет функционировать.
Треснувший ramekin, утечка горячего масла, сбор данных.
Испытание печатной платы при температуре. Ты видишь дым?
Тест PCB, до.
На этот раз точно! (Плохой термоконтакт.)
Резисторы и источник постоянного тока
Испытательная установка, растворенная в арахисовом масле при 190 ° C
Как выглядит сгоревшая печатная плата
,Похожие записи
