Все своими руками Датчик температуры
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.
Такой датчик используется в схеме терморегулятора для вентилятора, размещенной на сайте www. ixbt.com/spu/fan-thermal-control.shtmlНа 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:27 098
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./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.
Заметки для мастера — Датчик температуры
Схема инфракрасного датчика
Рис.1
На рис.1 показана схема устройства которая работает на отражение или пересечение ИК луча и может использоваться на объектах за которыми необходимо постоянное наблюдение или др. Модулированная частота ИК луча 36 кГц и исключает ошибки от различных световых, тепловых приборов и солнечного света. В схеме используется микросхема К561ЛН2.
Транзистор, датчик перегрева
При эксплуатации мощных усилителей низкой частоты или источников питания (инверторы, преобразователи, стабилизаторы), желательно иметь информацию о степени нагрева теплоотводов. Если по какой-то причине устройство используется в критических условиях, то температура нагрева мощных транзисторов может достигнуть (!) 150°С. При этом велика вероятность их теплового и электрического пробоя. Контролировать степень нагрева радиаторов поможет устройство, схема которого показана ниже. В качестве термодатчика используется пара германиевых транзисторов МП26, которые, наверняка, завалялись у многих радиолюбителей за ненадобностью, рис.2
Рис.2
Устройство питается прямо от источника питания контролируемой конструкции. Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле R1=(Un–10)/8. Светодиод начинает светиться при нагреве транзисторов до температуры 70°С.
Датчик температуры
Датчик температуры, схема которого показана на рисунке 3, можно использовать как защитное устройство мощных транзисторов от перегрева.
Рис.3
Этот датчик отключает питание от защищаемого блока или узла, как только температура превысит допустимую. Термодатчиком служит транзистор VT1, его приклеивают через изоляционную прокладку к корпусу защищаемого элемента. VT1, VT2 в схеме образуют пороговое устройство которое срабатывает при определенной температуре. Благодаря ПОС через R7 процесс открывания транзисторов протекает лавинообразно, срабатывает реле и своими контактами отключает питание от защищаемого блока. При снижении температуры устройство возвращается в исходное состояние. Порог срабатывания можно задать от +30 до +80 градусов Цельсия при помощи резистора R2.
Транзистор VT1 можно заменить на МП40-МП42, VT2 на КТ503, для более высоких температур использую кремниевые транзисторы МП116 и КТ361. Реле типа РЭС-22.
«Справочник по схемотехнике для радиолюбителей»
Боровской В. П.
В качестве датчика температуры | Датчики температуры
Простой датчик температуры электродвигателя
Если необходима оперативная информация о температуре, скажем, электродвигателя ручного инструмента или сварочного трансформатора, то можно использовать устройство, схема которого приведена ниже.
Контролирует температуру датчик, в качестве которого используется германиевый транзистор VT1. Информация о температуре объекта управляет генератором, собранном на транзисторе VT2. Далее сигнал с генератора усиливается (VT3) и управляет зажиганием светодиода. Пока температура корпуса измерительного транзистора не достигнет 60°С (он установлен на корпусе двигателя или трансформатора) генератор не работает и светодиод HL1 не горит.
При нагреве датчика до 60°С запускается управляемый генератор и светодиод начинает вспыхивать несколько раз в минуту. При повышении температуры повышается частота и при 90-100°С вспышки следуют с частотой несколько герц. Таким образом, ориентируясь на частоту вспышек светодиода можно примерно определить температуру двигателя или трансформатора. В качестве датчика выбран германиевый транзистор, поскольку у них зависимость обратного тока коллектора от температуры начинает особо меняться начиная с температуры около 70°С.
Вместо указанного на схеме ГТ329 можно использовать любой другой (скажем, МП35 – 38), но в этом случае для крепления его к металлическому корпусу двигателя придется использовать изолирующую прокладку, корпус же ГТ329 выполнен из пластмассы. В качестве источника питания можно использовать любой источник, с напряжением 9-18 В, потребляемый устройством ток – 8-10 мА. Резистор R1 подбирается в зависимости от напряжения питания по оптимальному току через стабилитрон (8-10 мА).
Распределенный датчик температуры DTS
Температура – ключевой индикатор безопасности в любой отрасли. Технология распределенных датчиков температуры, используя оптическое волокно, способна измерять температуру в любой точке волокна, с интервалом в 1 метр, тем самым предоставляя детальную температурную зависимость всех интересующих участков. Данные, полученные этим методом, позволяют сделать на его основе интеллектуальные системы оповещения, тем самым заменяя устаревшие точечные системы мониторинга. В качестве датчика выступает само оптоволокно, а распределенная природа DTS технологии позволяет определять изменение температуры в произвольной точке, находясь за много километров от неё. Более того, на качество измерения не влияет электромагнитное излучение, таким образом, технология свободна от ложных срабатываний. Компания Светопровод предоставляет самые современные и высокоэффективные DTS технологии. В полевых условиях достигается разрешение по температуре вплоть до 0,1 °С. Мы обеспечиваем сочетание высокоскоростных измерений при непревзойдённом температурном разрешении на больших расстояниях до 30 км.
Принцип работы DTS
Технология распределенных датчиков температуры позволяет использовать оптический кабель в качестве датчика температуры, где возможно определить температурный профиль (т.е. график температуры от времени) оптоволокна путем «посыла импульса» с одного конца системой DTS. Принцип работы распределенного датчика температуры основан на детектировании Рамановского рассеяния света. Когда световой импульс лазера распространяется по оптоволокну, небольшая часть света рассеивается. Наблюдаются различные типы рассеиваний: Рамановское рассеяние лазерного импульса появляется непосредственно благодаря молекулярным колебаниям в оптоволокне.
Данное рассеяние происходит на разных длинах волн по отношению к падающему лазерному лучу, и называется стоксовыми и антистоксовыми линиями. Так как энергия колебаний волокна является функцией температуры, то, анализируя интенсивность стоксовых и антистоксовых линий Рамановского рассеяния, можно вычислить температуру. Если учитывать время, требуемое рассеянному излучению для достижения детектора, то становится возможным измерять температуру волокна в любой точке.
Схема подключения: Распределенного датчика температуры
20.jpg» /%
Ключевые особенности: DTS
- -Диапазон измерений: до 30 км;
- -Пространственное разрешение: 1 метр;
- -Температурное разрешение: 0.1 °C;
- -Длительность измерения: от 3 секунд;
- -Система проста в обслуживании и установке;
- -Программируемые сигналы оповещения;
- -Интерфейс RS232/485, USB, Relay, Ethernet 100, Modbus;
- -Доступны специальные оптические датчики;
- Программное обеспечение
Инструкция по работе и настройки распределенного датчика температуры предоставляется на CD-Диске и входит в комплект поставки, постоянная и без ограничений пользователей лицензия ;
Волоконно-оптические датчики температуры
Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.
Принцип работы оптоволоконного датчика
Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения — локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.
Обратное световое рассеяние при температурном воздействии
Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.
Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:
• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;
• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;
• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.
Интенсивность рассеяния так называемого антистоксова диапазона зависит от температуры, в то время как, стоксов диапазон от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света.
• Бриллюэновские линии, которые более интенсивные чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.
Датчики температуры на основе Рамановских линий
Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.
Метод измерения
Самым известным методом обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry = оптическая рефлектометрия временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания. Соотношение излучаемого рассеивания света с эффектом Рамана, сигнал обратного рассеивания при измерении комбинационного рассеянного света составляет коэффициент 1000. Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов.
Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.
Структура измерительной системы
Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотномодулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.
Бриллюэновские системы (информация с сайта www.vodosfera.com)
Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях.
Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра.
К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает.
Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки
Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.
Далее в разделе публикуем статью, предоставленную компанией «Инверсия-Сенсор» о применении оптоволоконных датчиков в системе мониторинга электрических кабелей.
Система термомониторинга кабельной линии с использованием оптоволоконного датчикаМатериал предоставлен компанией «Инверсия-Сенсор»
Из-за своей большой стоимости и высокой технологической значимости аварийный выход из строя силовых высоковольтных кабельных линий является чрезвычайным происшествием, требующим срочного и дорогостоящего ремонта. Во многих случаях причиной аварийности кабельной линии являются локальные перегревы, которые могут быть вызваны повышением токовой нагрузки в линии, ухудшением условий охлаждения кабеля по длине, или же являются результатом возникновения некоторых дефектов в изоляции кабеля и муфт.
Своевременное выявление зон перегрева кабеля и муфт возможно при использовании систем температурного мониторинга с применением оптического волокна, интегрированного в конструкцию кабеля. Подобные системы измерения распределения температуры вдоль кабельной линии, проводимого с использованием эффекта рассеивания лазерного импульса в оптическом кабеле, называемого рамановским, сейчас интенсивно внедряются на практике.
Оптоволоконная система «ASTRO» отечественного производства (компания «Инверсия-Сенсор») предназначена для оперативного контроля профиля температуры высоковольтных кабельных линий в процессе эксплуатации.
Оптическое волокно, интегрировано в конструкцию кабельной линии и расположено, обычно, в зоне экрана, под внешней оболочкой. В него лазером периодически излучаются диагностические импульсы и при помощи измерительного прибора регистрируется обратный отраженный поток света.
При изменении параметров встроенного в кабель оптического волокна, возникающих под воздействием температуры, для каждого конкретного участка кабельной линии определяется величина локальной температуры.
Локальная температура на каждом конкретном участке кабельной линии рассчитывается с использованием разницы во времени между моментом времени получения отраженного от каждого участка импульса и моментом излучения лазерного импульса в оптическое волокно. Зная скорость распространения света в измерительном оптоволокне, можно с высокой точностью рассчитать место, которому соответствует спектр отраженного оптического сигнала.
Оперативное определение температурного профиля кабельной линии позволяет обслуживающему персоналу эффективно эксплуатировать линию, используя:
- Метод контроля температуры по оптическому рассеянию в отраженных сигналах, позволяет проводить оперативное измерение температурного профиля на кабелях, имеющих большие длины, до 16 км. Это дает возможность при помощи одного прибора контролировать протяженные объекты или несколько объектов сразу, включив их последовательно.
- Знание температурного профиля кабельной линии позволяет оптимизировать ее загрузку, рационально учитывать реальные климатические условия и локальные особенности пролегания всех участков кабельной линии.
- Поскольку оптоволоконной системой производится измерение температуры под оболочкой кабельной линии, в программном обеспечении мониторинга производится перерасчет на температуру токоведущей жилы кабеля, определяется переходный процесс нагрева при скачке нагрузки. Особенно важно это для определения технической возможности передачи по кабельной линии дополнительной мощности, с учетом наиболее нагретого участка кабеля.
- При помощи системы «ASTRO» можно определять места возникновения и оценивать степень развития дефектов, сопровождающихся локальным разогревом отдельных участков контролируемой кабельной линии.
- Можно оперативно проводить определение мест обрыва кабельной линии после возникновения фатальных дефектов или аварийных динамических воздействий на кабель.
Система температурного мониторинга кабельных линий конструктивно состоит из двух основных элементов — оптического волокна, проложенного вдоль кабельной линии, являющегося распределенным датчиком температуры, и измерительного прибора со средствами обработки и анализа первичной информации, установленного в защитном шкафу.
Если кабельная линия была изначально рассчитана на использование с системой температурного мониторинга, то оптическое волокно заранее устанавливается под оболочкой кабеля еще на этапе его изготовления.
Если же система температурного мониторинга устанавливается на уже эксплуатируемой кабельной линии, внутри которой отсутствует измерительное оптическое волокно, то тогда оно прокладывается снаружи и фиксируется максимально близко к контролируемому кабелю. Наружный способ прокладки оптического волокна-датчика температуры менее предпочтителен, так как имеет существенно меньшую точность и более подвержен влиянию внешних температурных воздействий.
Шкаф системы температурного мониторинга кабельной линии включает в себя непосредственно измерительный прибор марки «ASTRO», промышленный компьютер со специализированным программным обеспечением для обработки информации, оценки состояния и прогнозирования возможного увеличения нагрузки кабельной линии. Также в шкафу монтируется источник бесперебойного питания и все необходимые технические средства для коммуникации с верхним уровнем АСУ-ТП.
Климатическое исполнение защитного шкафа системы мониторинга определяется параметрами технического задания на создание системы. Сам шкаф может быть установлен рядом с концевой муфтой контролируемой кабельной линии или располагаться на удалении до нескольких километров, в зависимости от длины линии. При наружной установке шкаф снабжается системой внутреннего температурного кондиционирования.
Система температурного мониторинга высоковольтной кабельной линии марки «ASTRO» работает полностью в автоматическом режиме, в соответствии с внутренними расчетными и экспертными алгоритмами и заданными локальными настройками для каждого объекта контроля.
Информация о текущем температурном режиме работы контролируемой кабельной линии и результаты проведения экспертной диагностики постоянно отображаются на экране встроенного промышленного компьютера. Полная информация о состоянии линии передается в систему АСУ-ТП более высокого уровня по оптическому волокну с использованием стандартного протокола МЭК 61850.
Технические параметры системы «ASTRO»
Диапазон измерения температуры, °C
Термодатчики на транзисторах в схемах на МК
Физическая природа полупроводниковых материалов такова, что их параметры достаточно сильно зависят от температуры./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).
|
Характеристики полупроводникового р-п перехода в диодах и биполярных транзисторах довольно сильно зависят от температуры [11]. Если прямосмещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 16.19А) (см. раздел 5.3.1 главы 5), выходное напряжение, снимаемое с него, будет прямо пропорционально изменению его температуры (рис. 16.20). Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калибровку только по двум точкам для определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью (наклон прямой характеризует чувствительность детектора). Рис. 16.20. Зависимость напряжения от температуры для прямосмещенного полупроводникового перехода, снятая в условиях постоянного токак примеру, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность равна — 2.3 мВ/°С, а при токе 1 мА, она падает до — 2.0 мВ/°С. Любой диод или биполярный транзистор могут быть использованы в качестве сенсоров температуры. На рис. 16.19Б отображена схема детектора температуры на базе транзистора, в той вместо источника тока используется источник напряжения и резистор R. Ток, протекающий через транзистор, можно найти из выражения: Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и К=0.6 В, сопротивление R = (E-V)/I = 44 кОм. При увеличении температуры напряжение Кпада— Рис. 16.21. Зависимость погрешности измерений от температуры, построенная для датчика температуры, реализованного на основе кремниевого транзистора PN100 ет, что приводит к незначительному увеличению тока /. В соответствии с уравнением (16.47) это вызывает нето снижение чувствительности, которая выражается в появлении нелинейности. Этой нелинейностью в ряде случаев можно пренебречь, однако иногда при обработке сигналов ее приходится учитывать. Благодаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные (диодные) датчики температуры получили довольно широкое распространение. На рис. 16.21 отображена зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности. Детекторы температуры на основе диодов часто встраиваются в кремниевую подложку монолитных сенсоров для осуществления температурной компенсации. к примеру, такие детекторы методом диффузии формируются на мембранах кремниевых микросенсоров давления для компенсации температурной зависимости пьезорезистивных элементов. Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной температуре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосредственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине того определять температуру [12]. Такой полупроводниковый датчик температуры построен на основе зависимости между напряжением база-эмиттер (VBE) и коллекторным током биполярного транзистора. На рис. 16.22А отображена упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике транзисторы Ql и Q4 формируют, так называемое, токовое зеркало, вырабатывающее два одинаковых тока Тс=1 и /„=/, которые поступают на транзисторы Qx и Qr Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор Q2, как правило, состоит из нескольких идентичных транзисторов (к примеру, 8), включенных параллельно. Поэтому плотность тока в Q] будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав Qr Разность напряжений база-эмиттер двух транзисторов Qx и Q2 равна: где г-множитель тока (8 в нашем примере), к — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, Т — температура в Кельвинах. Ток Icm одинаков для обоих транзисторов. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение V = 179 мкВ/ К, величина того не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, можно найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик: При г=8 и R = 358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функцией: //Г= 1 мкА/К. Рис. 16.22. Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (А) и зависимости тока от напряжения (Б) На рис. 16.22Б отображены зависимости тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (16.50) в данном конкретном случае является постоянной величиной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона. Ток легко преобразуется в напряжение. к примеру, если последовательно с датчиком включить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропорционально абсолютной температуре. Работа упрощенной схемы, отображенной на рис. 16.22А, соответствует Рис. 16.23. Типовая передаточная функция полупроводникового датчика температуры LM35DZ (Напечатано с разрешения National Semiconductors, Inc) Поскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, применяемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом принципе. Среди них LM35 (National Semiconductors) — с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) — с токовым выходом. На рис. 16.23 отображена передаточная функция датчика LM35Z, чувствительность того настроена на уровень 10 мВ/°С. Погрешность нелинейности такого датчика невелика, обычно она не выходит за пределы ±0.ГС. . Список тем Назад Вперед
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
Индикатор температуры на транзисторах КТ361 и КТ315
Рубрика: Принципиальные схемы, Схемы для начинающих Опубликовано 25.03.2018 · Комментарии: 0 · На чтение: 2 мин · Просмотры:Post Views: 785
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
Post Views: 785
Как получить датчик температуры от транзистора?
Температура оказывает значительное влияние на электронные изделия. Это влияет как на производительность системы, так и на ожидаемый срок службы компонентов. Из-за все более плотной схемы в тех же или часто меньших корпусах, проблемы с температурой могут только увеличиваться — даже с компенсирующим влиянием компонентов все более низкого энергопотребления. Измерение температуры может позволить электронной системе компенсировать ее влияние и предотвратить серьезные проблемы с перегревом.
Датчики температуры легко изготавливаются с использованием технологии обработки полупроводников с использованием температурных характеристик PN-перехода. Как отмечено в «Термометры полупроводниковых соединений» в Справочнике по измерениям, контрольно-измерительным приборам и датчикам , второе издание, , «Пакетная обработка и четко определенные производственные процессы, связанные с полупроводниковой технологией, обеспечивают низкую стоимость и неизменно высокое качество датчиков температуры». Как неотъемлемый аспект 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 PN-переходу в диоде датчик температуры полупроводникового перехода может быть получен путем короткого замыкания перехода коллектор-база биполярного транзистора для создания диода. Когда через переход база-эмиттер проходит постоянный ток, он создает напряжение между базой и эмиттером (Vbe), которое является линейной функцией абсолютной температуры. Общее прямое падение напряжения имеет температурный коэффициент примерно 2 мВ / ° C.
Зависимость напряжения полупроводникового датчика от температуры гораздо более линейна, чем у термопары или резистивного датчика температуры (RTD).Однако температурный коэффициент полупроводникового датчика больше (но все же довольно мал) по сравнению с термопарой или RTD. При проектировании интегральной схемы можно добавить компенсацию, а также усиление и другие аспекты взаимодействия с системой, включая диагностику, цифровой выход и многое другое.
Дополнительные схемы, такие как усиление и компенсация, могут быть легко добавлены к датчику температуры транзистора.
диодов — Можно ли использовать любой BJT для измерения температуры?
Вы можете использовать многие (но не или ) типы BJT и получить хорошие результаты.Для этого типа схемы \ $ \ Delta \ $ — Vbe вам не следует использовать , а не , использовать общие детали, такие как диоды или выпрямители 1N400x 1N4148 1N914, РЧ-биполярные транзисторы, германиевые транзисторы OC71 или массивные силовые транзисторы 2N3055.
Принцип измерения здесь состоит в том, чтобы измерить разности в прямом падении диодно-подключенного транзистора при двух токах, возможно, с разницей в декаду, что гораздо более предсказуемо, чем простое измерение Vbe. Разница имеет четко определенное поведение, и нескорректированная ошибка может быть меньше 1 ° C даже для случайных (подходящих) транзисторов.Это невозможно при простом измерении Vbe, и, конечно, мы, , всегда, , хотим избежать индивидуальной калибровки.
Компромисс заключается в большей сложности (все на одной микросхеме, поэтому не ваша проблема) и примерно 1/10 чувствительности по напряжению (больше похоже на -200 мкВ / ° C, чем на -2 мВ / ° C, о которых все знают), что требует Схема авто-нуля на микросхеме.
Транзистор с диодным соединением ведет себя больше как идеальный диод , чем, скажем, 1N4148.В частности, коэффициент идеальности \ $ n \ $ равен 1 (обычно что-то вроде 1,004 для 2N3904), а не где-то между 1 и 2. По этой причине вы также найдете транзисторы с диодным соединением, используемые в логарифмических и антилогарифмических схемах.
\ $ \ Delta V_ {BE} = n \ frac {kT} {q} \ ln (\ frac {I_ {HIGH}} {I_ {LOW}}) \
$Если \ $ n \ $ = 1.0, kT / q = T * 8.61E-5, Ihigh / Ilow = 10, то
\ $ \ Delta V_ {BE} = 198 \ mu \ $ V / ° C
Использование диода даст вам ошибку 50-100%. При абсолютной температуре.
Другим фактором, влияющим на точность такой схемы, является сопротивление базы. Чтобы свести к минимуму эту ошибку, используйте транзистор средней мощности, такой как 2N4401 или 2N4403, или 2SC1815 или C8050 и т. Д. И т. Д. (PNP или NPN будут работать, поскольку это двухпроводное соединение). Конечно, только кремниевые. Вы можете использовать транзистор более высокой мощности, если хотите, чтобы язычок закрывался болтами, но утечка может начать влиять на измерения при очень высоких температурах.
Двухтранзисторный датчик температуры — Электротехнический стек
Фон
Я подумывал сделать датчик температуры на некоторых NPN транзисторах.Я прочитал страницу Википедии о кремниевых датчиках температуры с шириной запрещенной зоны (нельзя использовать более двух ссылок …) и эту статью от Analog Devices, Inc., которая, как мне кажется, аккуратно объясняет, как два или более транзистора могут использоваться для измерения температуры. Еще одна ссылка —
Основная идея заключается в том, что напряжение база-эмиттер V_BE может быть связано с температурой через.
V_BE = kT / q ln (I_C / I_s)
Итак, для двух транзисторов.
V_BE1 = kT / q ln (I_C1 / I_s1) V_BE2 = kT / q ln (I_C2 / I_s2)
Для двух согласованных транзисторов, как в интегральной схеме, я должен иметь I_s = I_s1 = I_s2.Далее, если брать разницу этих двух.
V_BE1 — V_BE2 = kT / q ln (I_C1 / I_s) — kT / q ln (I_C2 / I_s)
Применяя тот факт, что разница между двумя логарифмами ln (x) — ln (y) = ln (x / y),
V_BE1 — V_BE2 = kT / q ln ([I_C1 / I_s] / [I_C2 / I_s])
А это равно
V_BE1 — V_BE2 = kT / q ln ([I_C1] / [I_C2])
Итак, разница в напряжениях база-эмиттер даст мне температуру, умноженную на константу.
V_BE1 — V_BE2 = [k / q ln (I_C1 / I_C2)] T
Я сделал следующую схему.Поскольку VB1 = VB2, VBE1 — VBE2 должны равняться VE1 — VE2, я измерил напряжения VE1 и VBE2.
Схема
смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab
Данные
Теперь, когда канал 2 находится на RE1, а канал 3 — на RE2, мой осциллограф показывает следующее.
Я также использовал утилиту MEASURE осциллографа, чтобы определить, что VE1 в среднем составляет около 1,88 вольт, а VE2 — около 1,76 вольт в среднем.Я также измерил это с помощью своего цифрового мультиметра и обнаружил, что напряжения колеблются, но однажды я измерил 1,909 вольт на VE1 и 1,782 вольт на VE2. Фактические значения сопротивления RE1 и RE2 составляют 98,4 кОм и 1,01 кОм соответственно.
Итак, I_C1 = VE1 / RE1 и I_C2 = VE2 / RE2.
Проблема
Теперь, если я буду строго следовать уравнению
V_BE1 — V_BE2 = [k / q ln (I_C1 / I_C2)] T
, где k — постоянная Больцмана, q — элементарный заряд (заряд электрона), а I_C1 и I_C2 — токи коллектора транзистора 1 и 2 соответственно, я должен получить показания температуры для T.
T = (V_BE1 — V_BE2) * 1 / [k / q ln (I_C1 / I_C2)]
Я получаю абсурдные показания температуры, например -5415,135909660602 градуса Цельсия, или если я переворачиваю значения для I_C1 и I_C2, я получаю 5415,135909660602 градуса Цельсия.
Что-то мне не хватает? Спасибо!
Как использовать диоды, транзисторы, ИС в качестве датчиков температуры
Обычно термисторы используются в качестве датчиков для определения и контроля температуры в электронных схемах. Однако обычные полупроводниковые компоненты, такие как транзисторы и диоды, на самом деле работают лучше, чем терммиторы, когда дело доходит до обнаружения изменений температуры.
Фактически, эта особенность является одним из самых больших недостатков полупроводниковых устройств, рабочие характеристики которых сильно страдают при повышении температуры их тела.
Повышение температуры вызывает пропорциональное уменьшение характеристики прямого напряжения любого полупроводника, и этот атрибут используется всякий раз, когда полупроводниковая часть настроена для измерения температуры.
Они также становятся идеальной альтернативой для измерения изменений температуры, и лучший аспект полупроводниковых датчиков заключается в том, что реакция на изменения температуры является довольно линейной, что невозможно в термисторах.
Это явление возникает из-за того, что поток напряжения и тока через переход pn в BJT или диоде сильно зависит от окружающей температуры. Мы можем легко доказать это с помощью обычного кремниевого диода, скажем, используя любой из диодов серии 1N400X или просто диод 1N4148.
Использование диода 1N4148 в качестве датчика температуры
Подключите выводы омметра к анодному и катодному контактам диода так, чтобы диод был смещен в прямом направлении.То есть прикрепите красный щуп измерителя к аноду диода, а черный стержень к катоду.
Чтобы быть более точным, правильное соединение будет таким, которое показывает минимальное сопротивление в диапазонах x1, x10 или x100 омметра. Проверьте показания измерителя, затем используйте тепло (тепла от вашего пальца может быть достаточно, зажмите диод между пальцами и удерживайте его в течение нескольких секунд), и вы можете обнаружить, что сопротивление медленно меняется на шкале омметра!
Однако, несмотря на то, что диоды обычно можно использовать в качестве датчиков или преобразователей температуры, они, как правило, не являются идеальной альтернативой.
Как правило, стандартный биполярный транзистор или BJT может легко работать как очень эффективный датчик температуры, особенно если он сконфигурирован как диод. Это означает, что когда его коллектор и база соединены вместе, чтобы работать как один конец «диода»; при этом эмиттер транзистора похож на другой конец.
V BE BJT или напряжение база-эмиттер в этой ситуации будет критически зависеть от тока коллектора устройства, а также от температуры окружающей среды или его корпуса.Следовательно, BJT можно было бы использовать для создания невероятно линейных преобразователей температуры, которые могут эффективно работать в диапазоне от -55 ° C до + 125 ° C.
Транзисторные преобразователи температуры
Практически все типы транзисторов могут использоваться для создания приблизительного измерения температуры из-за зависимости транзистора между напряжением база-эмиттер и температурой при условии, что ток, протекающий через его коллектор, является постоянным.
Однако некоторые BJT, как правило, работают как идеальные преобразователи температуры по сравнению с другими.Очевидно, транзисторы, которые поставляются в корпусах типа металлических банок (ТО-5, и особенно маленькие типы ТО-18), обеспечивают улучшенный отклик по сравнению с другими вариантами, имеющими эпоксидный или пластиковый корпус.
Кроме того, ряд BJT демонстрирует повышенную линейность на своей кривой V BE v I c по сравнению с другими. На рисунке 4 показан базовый преобразователь температуры на биполярных транзисторах NPN.
Использование MAT01 в качестве датчика температуры
В этой конкретной конструкции используется сдвоенный транзистор (пара согласованных кремниевых транзисторов NPN, заключенных в один корпус), например, MAT01.На эмиттеры подается постоянный ток 1 мА и 2 мА (убедитесь, что используются разные токи эмиттера для Q1 и Q2) и выходное напряжение примерно 59 мкВ / ° K.
Дифференциальный операционный усилитель необходим для усиления и увеличения выходного напряжения до некоторого значимого значения. Рекомендуется откалибровать диапазон напряжения до 10 мВ / ° K, чтобы можно было использовать обычный вольтметр.
Чтобы выполнить это с этим датчиком BJT, дифференциальный операционный усилитель должен иметь коэффициент усиления более 167.Когда выходное напряжение достигает 10 мВ / ° K, для проверки эквивалентной температуры на транзисторе можно использовать любой цифровой вольтметр из 3 1/2 цифр.
Использование 2N2222 в качестве датчика температуры
Точная схема датчика температуры, показанная на рисунке ниже, работает с конфигурацией инвертирующего повторителя обычного операционного усилителя вместе с одним стандартным BJT, таким как 2N2222 в металлическом корпусе.
Транзистор используется как датчик датчика температуры, который должен иметь соответствующий корпус, например старинную ручку датчика вольтметра, небольшой отрезок металлической трубки и т. Д.
В случае реализации концепции для определения температуры в существующем устройстве, оно может быть полностью размещено внутри устройства и может не потребовать отдельного корпуса. Тем не менее, независимо от того, как он расположен, очень важен хороший тепловой контакт с измеряемой температурой.
Для этого приложения используются два источника опорного напряжения постоянного тока +/- 6,2 вольт. Диод D1 обеспечивает опорное напряжение +6,2 В, а диод D2 — опорное напряжение -6,2 В. Питание +6,2 подключено к распиновке коллектор / база датчика температуры BJT (Q1).Это означает, что ток эмиттера Q1 будет линейно возрастающим и чувствительным только к температурным изменениям, поскольку напряжение коллектора для Q1 поддерживается постоянным.
Этот ток повышается операционным усилителем IC1 до уровня, пропорционального выходному потенциалу 100 мВ / ° K. Переменный резистор R1 можно отрегулировать в процессе калибровки, чтобы обеспечить соответствующий уровень масштабирования. Опять же, любой обычный 31/2-разрядный цифровой мультиметр может хорошо работать для считывания температуры, хотя дисплей будет в градусах Кельвина.
Если вы хотите изменить измерение на градусы Цельсия, вы должны знать, что шкалы Кельвина и Цельсия идентичны, но смещены на 273 градуса (0 ° C = 273 ° K). Чтобы увидеть показания температуры в градусах Цельсия, потребуется перенастройка смещения.
Потенциометр R3 переключает температурный диапазон стандартной конструкции от Кельвина до Цельсия путем суммирования противотока от источника -6,2 В, используя ток от BJT.
Потенциометр настроен так, чтобы генерировать нулевой выходной сигнал усилителя IC1 с температурой образца на транзисторе, установленной точно на 0 ° C.
Калибровка
После построения схемы ее необходимо откалибровать. Начните с установки предустановок R1 и R3 примерно по центру их отдельных циферблатов. Включите цепь и подождите примерно 5-10 минут, чтобы цепь стабилизировалась при комнатной температуре. А пока приготовьте чашу с тающим льдом или «ванну со льдом». Температура льда в воде 0 ° C; (температура, при которой лед начинает превращаться в воду).
Используйте обычный стеклянный термометр для проверки температуры тающего льда 0 ° C (32 ° F).Как только цепь стабилизируется и ванна с тающим льдом настроена, погрузите транзистор 2N2222 в ванну и подождите около 30 секунд. Когда вы видите, что выходное напряжение операционного усилителя больше не меняется, настройте потенциометр R3 так, чтобы на измерителе было ровно 0,00 вольт.
Дайте датчику 2N2222 остаться в ванне еще на пару минут, пока вы контролируете температуру ванны с помощью стеклянного термометра, чтобы убедиться, что температура ванны соответствует показаниям счетчика контура.Как только вы обнаружите, что выходное напряжение достаточно стабильно (небольшое отклонение допустимо), выньте транзистор 2N2222 и стеклянный термометр и верните их к комнатной температуре.
Как только два блока снова стабилизируются до комнатной температуры (это можно проверить по показаниям на стеклянном ртутном термометре и дополнительным постоянным показаниям на показаниях выходного измерителя схемы), могут быть выполнены заключительные этапы процедуры калибровки. завершенный. Измените потенциометр R3 так, чтобы показания на измерителе, подключенном к выходу операционного усилителя, совпадали с показаниями на стеклянном ртутном термометре (цифры справа от десятичной точки на измерителе можно игнорировать).
Когда это будет выполнено, выход 0 В на операционном усилителе будет соответствовать 0 ° C, выход 3 В постоянного тока будет соответствовать 30 ° C и так далее. Это происходит, очевидно, из-за учета масштабирования 100 мВ / ° C. Альтернативой калибровки может быть использование теплой водяной бани. Создайте теплую водяную баню, объединив горячую и холодную воду, и выполните описанные выше процедуры калибровки контура при комнатной температуре.
Совместное использование транзистора и диода
В этой конструкции индикатора температуры используются транзистор и диод вместе во взаимно дополняющем режиме.
Диод поддерживается при температуре окружающей среды, и результирующее падение напряжения на нем используется в качестве опорного уровня. Определение температуры выполняется транзистором, расположенным рядом с источником тепла, который необходимо обнаружить.
Таким образом, транзистор T1 действует как датчик фактической температуры по отношению к температуре окружающей среды, определяемой диодом. Это реализуется путем сравнения напряжения база / эмиттер BJT с опорным уровнем от соединения D1 и R1 через предварительно установленный P1.
Транзистор будет оставаться выключенным до тех пор, пока температура вокруг него остается ниже определенного уровня, который может быть соответствующим образом установлен с помощью P1.
Напряжение эмиттера базы T1 начинает падать примерно на 2 мВ в ответ на повышение температуры на каждый градус Цельсия вокруг BJT.
Когда напряжение эмиттера базы транзистора становится ниже, чем уровень напряжения на дворнике P1, транзистор начинает проводить, на что указывает постепенно увеличивающийся свет светодиода D2.
Значения резисторов R1 и R2 зависят от напряжения питания Ub и могут быть определены с помощью следующих простых уравнений:
R 1 = (U b — 0,6 / 5) (результат будет в кило Ом)
R 2 = (U b — 1,5) / 15 (результат будет в килоомах)
Для максимально возможной функциональности конструкции крайне важно убедиться, что эталонный диод размещается на открытом воздухе при комнатной температуре и ни в коем случае не рядом с T1 или источником тепла, за которым контролирует T1.
Следует иметь в виду, что, несмотря ни на что, абсолютная максимальная температура транзистора T1 не должна превышать 125 ° C, если вы хотите поддерживать T1 в надлежащем рабочем состоянии.
Использование микросхемы AD590 в качестве датчика температуры
Существуют различные прецизионные интегральные схемы или ИС, которые специально разработаны в качестве датчиков температуры, такие как AD590, LM35 и т. Д.
ИС AD590 — это просто двухконтактная ИС, которую можно приобрести очень дешево. в корпусе ТО-18, а также в уникальном плоском 2-контактном корпусе.Устройство работает как термочувствительный источник тока и рассчитано на считывание температуры с точностью примерно 1 мкА / ° K.
Когда ток проходит через микросхему AD590 через последовательно подключенный резистор номиналом 1 кОм, вызывает изменение напряжения на резисторе на 1 мВ / ° K (согласно закону Ома) в ответ на соответствующее изменение температуры на устройстве AD590.
Возможно, можно использовать датчик температуры AD590 по-разному. Один из основных способов показан ниже, путем подключения последовательного резистора приблизительно 100 Ом.Эта конструкция известна как однотемпературная или одноточечная схема. Горшок R2 можно настроить так, чтобы выходное напряжение совпадало точно в соответствии со стандартным ртутным термометром при определенной температуре.
Незначительный нелинейный отклик в устройстве, который является обычным для всех полупроводниковых устройств, может привести к небольшой погрешности в диапазонах, далеких от калиброванной шкалы.
Другой способ — подключить AD590 напрямую между стабилизированным источником опорного напряжения +5 В и инвертирующим входом операционного усилителя.
Диапазон измерения датчика можно настроить с помощью резистора обратной связи (RF) по формуле:
В o = (I µA / ° K) (R F ) (T).
Мы могли бы аналогичным образом использовать AD590 со схемой двойной подстройки, использующей операционный усилитель, как описано выше.
Ток смещения суммируется с током IC на инвертирующем входе операционного усилителя. Можно подключить пару потенциометров, один для управления смещением, а другой — для регулировки усиления, так что схема может быть настроена с использованием двух разных температур, что минимизирует ошибку.
Использование LM35
LM35 — еще один универсальный и точный датчик температуры, предназначенный для создания выходного напряжения, которое может быть прямо пропорционально температуре в градусах Цельсия. Это означает, что при температуре 0 ° C выходное напряжение будет 0 В.
Выходное напряжение повышается на 10 мВ на каждый градус Цельсия. Это означает, что если температура LM35 составляет 19,8 ° C, он будет обеспечивать выходное напряжение 0,198 В.
Это определенно значительное преимущество перед другими датчиками температуры, которые предназначены для генерации выходного сигнала в кельвинах.Для этих датчиков для измерения температуры в градусах Цельсия требуется невероятно стабильное опорное напряжение, которое необходимо вычесть из показаний.
Еще одна хорошая вещь в LM35 — это удивительно низкое потребление тока, не более 60 мкА. Это обеспечивает увеличенный срок службы батареи и небольшое рассеяние мощности микросхемы, что гарантирует, что ошибки, связанные с внутренним нагревом, как правило, незначительны при температуре около 0,1 ° C при напряжении батареи 4 В.
Как подключить
Вы можете настроить датчик LM35 напрямую с аналогового или цифрового мультиметра или, что более странно, на персональный компьютер, который впоследствии мог бы обрабатывать и сохранять измеренные данные о температуре.Подходящее программное обеспечение для этой функции можно найти в Интернете. Надежность LM35 / LM35C обычно составляет 0,4 ° C при 25 ° C. Чтобы внутреннее рассеивание оставалось небольшим, нагрузка должна быть не ниже 5 кОм.
Если между датчиком и измерителем используется удлиненный экранированный кабель, необходимо подключить RC-схему (последовательный резистор 10 Ом с I мкФ) между выходом LM35 и землей для защиты от любого вида наведенных колебаний.
Советы и рекомендации по датчику температуры
Размещение датчиков температуры на печатной плате представляет ряд трудностей.Температурные градиенты между датчиком и измеряемой температурной точкой часто могут вызывать ошибки, а устранение неисправностей цифровых и аналоговых источников шума может быть чрезвычайно трудным. При уровнях сигнала датчика температуры IC в диапазоне микровольт или милливольт, правильная компоновка является обязательной.
Эта статья посвящена удаленным датчикам температуры диодов (RDTS), которые используются для контроля диодных переходов в высокоинтегрированных энергоемких устройствах, таких как процессор. Наличие датчика на матрице устраняет необходимость в дорогостоящих методах сборки, необходимых для измерения температуры корпуса.Датчик также может контролировать температуру перехода биполярного транзистора, такого как обычный 2N3904 / MMBT3904. RDTS с интерфейсом мультиплексора может быть рентабельным способом включения нескольких узлов измерения температуры для системы; Обсуждаемые методы реализации также могут применяться к другим аналоговым или цифровым датчикам температуры IC.
Чтобы понять источники ошибок и способы их устранения, вот краткое общее описание встроенных датчиков. На рис. 1 показана упрощенная схема, лежащая в основе большинства интегрированных датчиков температуры (аналоговых или цифровых) с биполярными транзисторами NPN или PNP в качестве диодов.Стандартное уравнение для падения напряжения на базе эмиттера биполярного транзистора, описанное моделью транзистора Эбберса-Молла, включает член обратного тока насыщения (Is), который показывает изменение устройства от устройства. Вы можете использовать однотоковый метод, если точность не критична (4–8 ° C).
| Рисунок 1. Упрощенная схема точных датчиков температуры IC |
Чтобы исключить член Is, мы используем двухтоковый метод, как показано на рисунке 1.В реальной модели требуемым параметром является плотность тока перехода база-эмиттер, но на схеме это упрощено за счет идентичности геометрии двух диодов и масштабирования тока через диоды. В нашем примере предполагается, что на диоды подается ток 16: 1. Эта схема позволяет проводить одно дифференциальное измерение, которое помогает устранить шум, появляющийся на диоде, улучшая шумовые характеристики схемы. Поскольку удаленные диодные датчики имеют только один доступный диод, два дифференциальных измерения выполняются с последовательными интервалами времени, которые затем вычитаются, чтобы получить уровень сигнала около 240 мкВ / ° C.Разница во времени в измерениях не обеспечивает такой же помехозащищенности, как полученная при однократном дифференциальном измерении, но все же приемлемо.
Большинство традиционных датчиков температуры исходит из того, что ток, создаваемый RDTS (ток эмиттера), совпадает с током базы. Хотя это верно для удаленных диодов с высоким бета-коэффициентом или очень малым бета-изменением (отношение тока коллектора транзистора к его базовому току), не соответствует действительности , когда чувствительный диод интегрирован в энергоемкие устройства с высокой плотностью интеграция, такая как процессоры и FPGA, доступна сегодня с геометриями 90 нм и меньше.Термодиоды с субмикронной геометрией, такой как 90 нм, 60 нм или 45 нм, имеют очень низкие бета-характеристики. Чтобы преодолеть это, несколько производителей выпустили устройства RDTS, которые поддерживают биполярный транзисторный переход (BTJ) / бета-компенсацию транзистора, например технологию TruTherm от National. Характеристики этих деталей сильно различаются, поэтому внимательно изучите спецификации.
Рекомендации по компоновке печатной платы
Основными нарушителями целостности аналогового сигнала на печатной плате являются электромагнитные помехи, эффекты термопары, сопротивление следа и ток утечки на печатной плате.На целостность цифрового сигнала в основном влияют длина трассы и импеданс на рабочей частоте.
Работа со следовым (последовательным) сопротивлением. Разработчик платы должен сделать все возможное, чтобы минимизировать последовательное сопротивление, потому что чем выше импеданс трассы, тем больше вероятность того, что шумовая связь станет проблемой. Для дальнейшего уменьшения последовательного сопротивления устройства RDTS имеют внутреннюю схему компенсации. Цифровой регистр, который позволяет вам программировать смещение показаний температуры, сообщаемых устройством, довольно распространен и может использоваться для компенсации последовательного сопротивления.Последовательное сопротивление имеет линейную функцию для конкретного датчика (, рис. 2, ), поскольку входные каскады большинства устройств RDTS могут обрабатывать синфазное смещение, вызванное последовательным сопротивлением в несколько Ом.
| Рис. 2. Влияние последовательного сопротивления печатной платы на точность температуры |
В некоторых устройствах RDTS реализована компенсация последовательного сопротивления, но этот метод вносит больше шума в общее показание температуры.Устройства без последовательного подавления сопротивления измеряют разницу между показаниями напряжения двух диодов при разных уровнях тока. Подавление последовательного сопротивления обычно достигается введением другого уровня тока и другого измерения напряжения диода. Однако измерения напряжения не происходят одновременно, что затрудняет шумоподавление.
Работа с шумом. Первая защита от проблем с шумом — это схема внутри самого RDTS. Как показано на рис. 3 , аналоговый интерфейс, архитектура АЦП и дополнительная цифровая фильтрация на кристалле — все это играет важную роль в обеспечении стабильных, бесшумных показаний температуры.Большинство датчиков включают аналоговый фильтр на выводах RDTS. Некоторые реализуют ΣΔ (сигма-дельта) АЦП, который включает цифровой фильтр для усреднения первого каскада, который отсутствует в АЦП последовательного приближения (SAR). Заключительный этап защиты — это цифровой фильтр, включенный в большинство устройств RDTS и обычно называемый цифровым сглаживающим фильтром. Поскольку продукты разных производителей различаются, внимательно изучите спецификации устройств.
| Рисунок 3.Функциональная блок-схема RDTS |
Хорошая компоновка всегда важна, особенно когда уровни сигнала опускаются до уровня 240 мкВ / ° C. Даже если вы имеете дело с аналоговыми датчиками с чувствительностью 10 мВ / ° C, уровень сигнала все равно невелик, и вам все равно нужно быть осторожным. В цифровых средах, где уровни шума могут составлять многие сотни милливольт, важно держать аналоговые дорожки отдельно от цифровых схем и цифровых дорожек: следите за индуктивной связью между дорожками на печатной плате.Избегайте трассировки цифровой трассы параллельно с аналоговой трассой. Если цифровая трасса должна пересечь аналоговую трассу, убедитесь, что две трассы перпендикулярны. Защитите аналоговые дорожки от помех, используя подходящие байпасные конденсаторы источника питания и следуя рекомендациям производителя. Без надлежащего байпаса неправильно скомпенсированная индуктивность соединительного провода может вызвать шум в цифровых датчиках.
Неправильно выбранный байпасный конденсатор может привести к утечке тока с печатной платы на диодные дорожки, в то время как неправильные процедуры очистки также могут вызвать ошибки в показаниях температуры удаленных диодных датчиков ( Рисунок 4 ).На рисунке утечка 20 нА может вызвать ошибку более 0,2 ° C.
| Рис. 4. Остерегайтесь индуктивной связи и тока утечки |
Электромагнитные помехи — слишком широкая тема, чтобы ее здесь освещать, но есть много хороших источников информации. Эффектом термопары можно пренебречь, если схема ограничена несколькими соединениями медь / пайка, а уровень сигнала находится в субмикровольтах.
Физическое размещение сенсора
Физическое размещение сенсора имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы вы измеряли температуру, которую, как вы думаете, вы измеряете.Кривая на рис. 5 показывает характеристики транзистора 2N3904 / MMBT3904, установленного различными способами для измерения температуры воздуха. Установленное на плате сквозное отверстие 2N3904 (T1) на самом деле не измеряет температуру воздуха, даже если корпус был установлен вне платы, насколько позволяли выводы, потому что выводы имеют очень хорошую теплопроводность к датчику. Это хорошо, если вы хотите измерить температуру платы, но плохо, если вы пытаетесь измерить температуру окружающего воздуха.Лучшие альтернативы показаны с транзисторами, обозначенными T2 и T3. T2 размещается на печатной плате вне основной платы. T3 размещается за пределами основной платы на конце экранированного кабеля с витой парой. T4 измеряет местную температуру, измеряемую четырехвходовым RDTS National Semiconductor LM95214. LM95214 может определять температуру четырех удаленных диодов, а также собственную температуру перехода (T4). Если мы сравним характеристики T1-T4, мы получим кривую, показанную на рисунке 5. Простой силовой резистор в застойной воздушной среде нагревает заднюю сторону платы.По мере того, как резистор нагревается, повышается температура установленных на плате 2N3904 (T1) и LM95214 (T4). Мы использовали термопару в качестве эталона для измерения температуры воздуха. Экранированный кабель витой пары можно удлинить на много футов, но в этом случае необходимо ограничить емкость согласно рекомендациям производителя RDTS и выбрать калибр провода, чтобы минимизировать последовательное сопротивление.
| Рис. 5. Размещение температурного датчика |
Устранение неисправностей удаленных диодов в шумной среде
В системе с большим количеством компонентов шум может исходить из различных источников, обеспечивая изоляцию шума источник затруднен.Вот простой метод отладки, который определяет источник шума с помощью оценочной платы, доступной у большинства поставщиков полупроводников RDTS. На рис. 6 показана оценочная платформа RDTS LM95245 компании National Semiconductor, которая поставляется с программным обеспечением SensorEval, которое обеспечивает доступ к регистрам RDTS через USB-соединение. Оценочная плата питается от шины USB, что упрощает общее подключение. Процедура проста:
- Поднимите штыри RDTS или вырежьте следы и вставьте соединение диода оценочной платы в систему, чтобы определить, подходит ли проводка печатной платы к датчику и вызвана ли проблема источником питания или другой источник
- В качестве альтернативы вы можете вырезать дорожки между RDTS и встроенным диодом и заменить соединение экранированным кабелем витой пары (для помехоустойчивости), чтобы определить, может ли проблема быть вызвана фактической прокладкой на печатной плате
| Рисунок 6.Устранение неисправностей системной платы с шумом |
Большинство источников ошибок можно компенсировать, но не все. Вы получите наилучшие результаты, если укажете датчик со встроенной помехоустойчивостью и соблюдаете правильную технику компоновки. Убедитесь, что датчик установлен правильно, чтобы целевая температурная зона или устройство воспринимались должным образом, и учитывайте окружение датчика.
Простой индикатор температуры с использованием транзистора BC547
В сообщении объясняется простая схема индикатора температуры с использованием одного транзистора BC547 и дополнительного диода 1N4148.
Индикация температуры радиатора на силовом транзисторе в цепях большой мощности может быть чрезвычайно полезной. Для этой цели идеально подойдет простой и недорогой индикатор температуры, поскольку точность не является важным фактором. В конструкции индикатора температуры здесь в качестве опорного уровня используется падение напряжения на диоде, поддерживаемое при температуре окружающей среды. Определение температуры осуществляется транзистором, установленным на радиаторе и / или рядом с рассматриваемым силовым транзистором.На принципиальной схеме датчик температуры представляет собой транзистор T1, и его базовое эмиттерное напряжение сравнивается с опорным уровнем на стыке D1 и R1 через заданное значение P1. Транзистор будет оставаться выключенным до тех пор, пока его температура остается ниже определенного уровня, который · эффективно устанавливается параметром P1. Напряжение база-эмиттер транзистора упадет примерно на 2 мВ при повышении температуры примерно на 1 градус Цельсия. Когда напряжение база-эмиттер транзистора падает ниже уровня напряжения на стеклоочистителе P1, транзистор проводит и зажигает светодиод D2.Это будет происходить постепенно и, таким образом, обеспечит индикацию в довольно широком диапазоне. Значения R1 и R2, конечно, зависят от напряжения питания Ub и могут быть рассчитаны следующим образом: R1 = (Ub — 0,6) / 5 кОм R2 = (Ub — 1,5) / 15 кОм Для оптимальной производительности схемы Важно, чтобы эталонный диод располагался на открытом воздухе при комнатной температуре, но не над радиатором! Транзистор должен быть установлен на (или даже в, если сверление радиатора допустимо) радиатор как можно ближе к теплоотводящему элементу.Однако следует помнить, что максимальная ожидаемая температура не должна превышать 125 ° C, если вы цените свой транзистор.
Потребление тока простой схемы индикатора температуры будет немного больше тока светодиода, около 20 мА, и то только тогда, когда все начинает готовиться
«Термодиод»… Диод или транзистор?
// php echo do_shortcode (‘[responseivevoice_button voice = «Американский английский мужчина» buttontext = «Listen to Post»]’)?>Статья DesignLine от 24 сентября 2005 г. «Как измерить температуру в интегрированных системах» заложила основу для использования «теплового диода» для измерения температуры и представила источники температурной погрешности, вызванной параметрами «теплового диода».В этой статье будут подробно описаны эти источники ошибок, поскольку они относятся конкретно к неоднозначности термина «тепловой диод». Неопределенность является результатом использования термина «тепловой диод» для обозначения либо истинного двухконтактного диода, либо биполярного переходного транзистора (BJT). Когда BJT используется в качестве теплового диода, разница напряжений база-эмиттер используется для «соответствия» ВАХ двухконтактного диода. Будет показано, что ошибки, встречающиеся в решениях для теплового мониторинга, часто возникают из-за того, что не принимается во внимание, является ли конкретный «тепловой диод» двухконтактным или BJT.В этой статье будут объяснены уникальные характеристики двухконтактного диода и BJT, а также количественно определены ошибки, возникающие при взаимозаменяемом использовании этих двух устройств.
Начнем с предположения, что «тепловой диод» физически представляет собой двухконтактный диод, например дискретный 1N4001. В этом случае соотношение диодов V-I определяется как:
Уравнение 1
где:
* η = коэффициент идеальности
* k = постоянная Больцмана
* T = температура в градусах Кельвина
* q = заряд электрона
* I F = прямой ток диода
* I S = обратный ток насыщения
* R S = последовательное сопротивление
Как описано в упомянутой статье, температуру можно точно определить, задав два разных, но известных значения I F и измерив соответствующее V F для каждого тока.Уравнение 2 показывает, как рассчитывается температура с использованием этих двух разных токов I F .
Уравнение 2
Важным моментом, который следует отметить в уравнении 2, является то, что члены η и R S должны быть известными значениями, чтобы получить точную тепловую информацию от диода. Алгебраические формулы для точного количественного определения значений η и R S определены в уравнениях 3 и 4. При условии, что значения η и R S известны, уравнение 2 даст точные расчеты температуры, когда истинный двухконтактный диод используется.Пожалуйста, обратитесь к упомянутой выше статье для объяснения ошибки, вызванной незнанием или неправильным принятием значений η и R S . В этой статье будет показано, как параметры «теплового диода», полученные в уравнениях 3 и 4, различаются по величине, когда «тепловой диод» рассматривается как двухконтактный диод по сравнению с BJT.
Уравнение 3
Уравнение 4
Давайте продолжим этот пример, где «тепловой диод» теперь представляет собой интегрированную подложку PNP BJT, как показано на рисунке 1.Это обычная физическая структура для «тепловых диодов», встроенных в ЦП. Для первого анализа давайте рассмотрим этот «тепловой диод» так, как почти все доступные датчики температуры относятся к любому «тепловому диоду», как к двухконтактному диоду, а не к транзистору. Набор данных, генерируемых анализатором параметров полупроводников с помощью «теплового диода» одного «типового»
.Рисунок 1. Встроенный термодиод
| ||||||||||||||||||
Таблица 1….Данные с термодиода процессора
Подставляя значения из таблицы 1 в уравнения 3 и 4, получаем значения для η и R S для этого «теплового диода», рассматриваемого как 2-контактный диод и перечисленных в таблице 2.
| ||||||
Таблица 2… Расчетные параметры «теплового диода»
Рисунок 2 представляет собой график двух наборов данных.Поскольку коэффициент идеальности и последовательное сопротивление считаются постоянными для диода при превышении температуры, значения параметров, вычисленные и перечисленные в таблице 2, могут использоваться для экстраполяции теоретических показаний температуры для этого «теплового диода» в широком диапазоне температур. Это сделано на Рисунке 2 и помечено как «Теоретический». Вторая серия данных состоит из показаний температуры «типичного» датчика температуры, откалиброванного с коэффициентом идеальности 1,004 и помеченного как «Настоящий датчик».
При изучении рисунка 2 появляется пара ярких моментов. Первая и наиболее очевидная — это абсолютная погрешность, которую показывают наборы данных «Теоретический» и «Реальный датчик» для этого «теплового диода». Еще одна проблема, которая возникает, — это несоответствие между наборами данных «Теоретический» и «Реальный датчик». Абсолютная погрешность, которую показывает «Теоретический» график, может быть объяснена несоответствием коэффициента идеальности «теплового диода» и датчика температуры. Опять же, уравнения, количественно определяющие эту ошибку, можно найти в указанной статье.Величина последовательного сопротивления для этого конкретного «теплового диода» будет составлять только ~ + 1 ° C от общей показанной температурной погрешности. Объяснение расхождения между «Реальным датчиком» и «Теоретическим» можно объяснить только осознанием того, что реальное значение η для «теплового диода» не соответствует тому, что мы нашли в таблице 2. Если бы это было так, то наклоны «Теоретического» и «Реального датчика» будут параллельны. Продолжение примера рассмотрит эти моменты более четко.
Рисунок 2.Расхождение теоретических и реальных данных
Давайте продолжим этот пример с тем же рассматриваемым «тепловым диодом», но теперь он будет рассматриваться как транзистор, а не как двухконтактный диод. Рассмотрение «теплового диода» как транзистора по существу означает, что конечным бета-коэффициентом транзистора больше не пренебрегают полностью, как в методе 2-контактного «теплового диода». Это очевидно в уравнении идеального диода (Уравнение 1), где отсутствует бета-член. Теперь, когда мы утвердили идею «теплового диода» как транзистора, уравнение идеального диода (Уравнение 1) необходимо адаптировать так, чтобы ток коллектора транзистора был величиной, используемой в качестве генерирующего ток V EB , а не током генерации. полная величина I F (или I EMITTER в случае транзистора), как в случае 2-контактного диода.В этой конфигурации « теплового диода » коллектор PNP подложки недоступен напрямую (связан изнутри с общей « землей »), и ток коллектора должен быть эффективно получен путем сравнения известного инжектируемого тока эмиттера с измеренным током выброшенной базы вычисление бета транзистора.
Если ток коллектора точно определен (или бета, чтобы можно было вывести ток коллектора), то уравнение 5 (игнорируя небольшие эффекты R S для простоты) позволяет точно определять температуру с использованием транзистора PNP подложки.Вторая часть уравнения 5 по существу показывает, что наличие бета-значений транзистора для пары известных токов I EMITTER позволяет получить тот же результат, что и токи коллектора.
Уравнение 5 с:
* V EB2 и V EB1 = дельта напряжения от эмиттера до базы
* I C2 и I C1 = ток коллектора
* I E2 и I E1 = ток эмиттера
* β2 и β 1 = бета транзистора
Таблица 3 показывает данные, полученные на том же «тепловом диоде», но отображает данные как параметры транзистора.Таблица 3 также показывает нам «скорректированное» значение коэффициента идеальности транзистора для этого «теплового диода» с использованием коллекторных токов в уравнении 2 вместо всего I F (или I EMITTER в случае транзистора) как было сделано для 2-х полюсной диодной ситуации.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 3 .. Данные для «теплового диода», рассматриваемого как модель транзистора
Рисунок 3 — это измененная версия рисунка 2 с добавлением нового ряда данных. Этот новый ряд данных отображает ошибку измерения температуры, которая может быть обнаружена с помощью датчика температуры, который может определять бета-коэффициент транзистора или рассчитывать ток коллектора. Рисунок 3 очень ясно демонстрирует, что термодатчик с возможностью использования «теплового диода» в качестве транзистора, а не просто двухконтактного устройства, способен очень точно определять температуру этого «теплового диода».Очень маленькое (~ + 0,5 ° C) смещение для графика «Теоретическая (transistor_model)» связано с последовательным сопротивлением в «тепловом диоде». Последовательное сопротивление также может быть вызвано другими факторами, такими как сопротивление следа печатной платы, и SMSC разработала датчики температуры, которые автоматически корректируют последовательное сопротивление, полностью устраняя этот вклад в ошибку. Поскольку датчик температуры сконструирован таким образом, что он рассматривает транзисторную реализацию «теплового диода» как транзистор, а коэффициент идеальности транзистора очень похож на коэффициент идеальности датчика, почти все ошибки измерения температуры устраняются.
Рисунок 3. Погрешность измерения температуры
На рис. 4 показаны результаты измерения одного и того же «теплового диода» с использованием двух разных семейств ИС датчиков температуры SMSC. Серия данных с пометкой «Реальный датчик» — это данные, полученные с помощью «типичного» датчика температуры, который использует «диодный метод» для определения температуры на транзисторной реализации «теплового диода». Серия данных, обозначенная как «Реальный датчик (transistor_model)», получена от датчика температуры SMSC, который использует методы бета-компенсации и последовательной компенсации сопротивления, чтобы гарантировать точность температуры в большом диапазоне температур.
Рисунок 4. Пример реальных данных датчика
В заключение, в этой статье подчеркивается абсолютная необходимость понимания физической структуры «теплового диода» в данном приложении. «Тепловые диоды» выполнены как двухконтактные диоды, так и BJT с диодным соединением. Было продемонстрировано, что использование термодатчика, который не был разработан для физической структуры реализованного «теплового диода», может привести к большим ошибкам.
