Транзистор в качестве датчика температуры: Термодатчик на транзисторе — E-core

Термодатчик на транзисторе — E-core

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

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

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

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

Падение напряжения на p-n переходе изменяется при увеличении его температуры с крутизной примерно -2 мВ/градус (т.

е. уменьшается с ростом температуры). Такое малое изменение напряжения не очень удобно обрабатывать АЦП, более того удобнее когда зависимость прямая т.е. при увеличении температуры сигнал температуры растет.

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

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

Коэффициент усиления схемы определяется соотношением R5/R4 + 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.

Все своими руками Датчик температуры

Опубликовал admin | Дата 9 июня, 2014

     Зависимость падения напряжения на p-n переходе от температуры было замечено сразу после создания самого этого перехода. Это свойство полупроводников используется в электронных термометрах, датчиках температуры, термореле и т.д.

     Простейшим датчиком температуры является p-n переход кремниевого диода, температурный коэффициент напряжения, которого равен, примерно, 3 мВ/°C, а прямое падение напряжения находится в районе 0,7В. Работать с таким маленьким напряжением неудобно, поэтому в качестве термозависимого элемента лучше использовать p-n переходы транзистора, добавив к нему базовый делитель напряжения. Полученный двухполюсник обладает свойствами цепочки диодов, т.е. падение напряжения на нем можно устанавливать намного больше, чем 0,7В. Зависит оно от соотношения базовых резисторов R1 и R2 см. рис. 1.

     Обладая отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, этот двухполюсник нашел применение в схеме питания варикапов. При повышении температуры, емкость варикапов начинает увеличиваться, но одновременно уменьшается падение напряжения на двухполюснике VT1, R1,R2, что ведет к увеличению напряжения на переменном резисторе и соответственно на варикапе, уменьшая его емкость. Таким образом, достигается температурная стабилизация резонансной частоты колебательного контура. На рисунке 2 показана схема двухполюсника, который можно использовать в качестве термодатчика в схемах электронных термореле и термометрах. Здесь есть одно неудобство, кристалл транзистора КТ315 размещен в пластмассовом корпусе, что повышает инерцию измерения температуры или срабатывания реле. И второе, это неудобство крепления его к объекту, температуру которого необходимо отслеживать.

Например, для отслеживания температуры теплоотводов мощных ПП, лучше применить в качестве термодатчика транзистор КТ814. Конструкция этого транзистора позволяет крепить его непосредственно к радиатору, находящемуся под потенциалом земли, всего одним винтиком. Такой датчик используется в схеме терморегулятора для вентилятора, размещенной на сайте www. ixbt.com/spu/fan-thermal-control.shtml

     На рисунке 4 показана практическая схема для вентилятора охлаждения блока питания. Применение операционного усилителя средней мощности К157УД1 в качестве компаратора, позволило подключить пару вентиляторов от блока питания компьютера непосредственно на выход микросхемы, выходной ток которой, равен 0,3А. Температуру включения вентиляторов устанавливают резистором R5. Схема работает следующим образом. При нормальной температуре теплоотвода напряжение на выводе 9 микросхемы DA1 должно быть больше, чем на выводе 8. При этом на выходе DA1, выводе 6, будет потенциал близкий к напряжению питания схемы. Напряжение на вентиляторах при таких условиях будет практически равно «0». Вентиляторы выключены. При повышении температуры теплоотводов будет повышаться и температура транзистора VT1, что в свою очередь вызовет уменьшение напряжения на неинвертирующем входе 8 микросхемы DA1. Как только это напряжение будет меньше напряжения, установленного резистором R5, состояние компаратора изменится и на его выходе напряжение упадет примерно до потенциала земли. Вентиляторы включатся. Резистор R7 обеспечивает небольшой гистерезис схемы, что исключает неопределенное состояние выходного напряжения на выходе DA1 при равенстве входных напряжений. Плату терморегулятора лучше установить прямо на контролируемом радиаторе, чтобы его микросхема тоже обдувалась вентилятором. Транзистор VT1 соединяется с платой тремя проводами и устанавливается в непосредственной близости от мощных ПП.

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:27 091

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 датчика

Материал 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. /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).

Датчики и сенсоры онлайн журнал

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 тока к 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: [email protected]

Схема температурной измерительной приставки » Вот схема!

В настоящее время повсеместно на смену уже морально и физически устаревшим универсальным стрелочным приборам типа Ц-20 приходит новое поколение «тестеров» — цифровые мультиметры серии М-830, и сейчас такой прибор можно встретить, практически у каждого радиолюбителя. Несмотря на то, что многие из этих приборов имеют функцию измерения температуры окружающей среды, использовать их в качестве медицинского термометра или для измерения температуры каких-то процессов, и даже, просто для измерения температуры воздуха, затруднительно. Входящий в комплект прибора измерительный датчик работает крайне неточно и нелинейно.

Для того, что приспособить мультиметр для точного измерения температуры необходимо дополнить его измерительной преобразователем, линейно преобразующим температуры в градусах °С в постоянное напряжение. На рисунке показана схема такой приставки, обеспечивающей линейный коэффициент преобразования 0,1В/1°С. Таким образом, если подать выходное напряжение этой приставки на вход мультиметра, включенного на режим измерения постоянного напряжения до 20В, нормальная температура тела человека будет индицироваться как 3,66 В (36,6 °С).

Обычно, для точного измерения температуры в небольших пределах (до 150°С) используют в качестве датчиков терморезисторы. Но хороших результатов это не дает из-за их нелинейной температурной характеристики. Применение различных линеаризующих цепей приводит к снижению чувствительности и сужению измерительного диапазона.

Более качественным температурным преобразователем может служить обыкновенный кремниевый транзистор в металлическом корпусе (такой корпус лучше проводит тепло), например КТ312. Поскольку ток через переход зависит как от температуры, так и от приложенного к нему напряжения.

Экспериментальным путем удалось установить, что использование в качестве температурного датчика транзистора КТ312 позволяет линейно измерять температуру в пределах от 218К до 398К (-55…+125°С). Схема одноточечной измерительной приставки показана на рисунке 1. Роль выносного датчика выполняет транзистор VT1, он должен при помощи кабеля соединяться с разъемом Х1 приставки.

Для получения чистой температурной зависимости тока через переход необходимо поддерживать на нем постоянное напряжение. Для этого используется параметрический стабилизатор на стабилитроне VD1, обеспечивающий стабильное напряжение +6,2В, приложенное к базе и коллектору измерительного транзистора VT1. Эмиттер этого транзистора находится под потенциалом инвертирующего входа операционного усилителя. В результате ток эмиттера транзистора зависит только от температуры, поскольку напряжение база-эмиттер поддерживается постоянным.

Транзисторный датчик выполняется таким образом, чтобы исключить влияния внешней Среды на проводимость его перехода. Необходимо выводы транзистора надежно заизолировать при помощи эпоксидного клея и кембриков. Особенно это важно, если предполагается измерять температуру жидкости или человеческого тела.

Настраивается измерительная приставка подстройкой двух подстроечных резисторов. При помощи R6 устанавливают коэффициент усиления операционного усилителя, при котором изменению температуры на один градус соответствует изменение выходного напряжения приставки на 0,1 В. Чтобы получился коэффициент преобразования 0,1 В/К.

Чтобы преобразовать шкалу Кельвина в шкалу Цельсия производится суммирование тока, поступающего от стабилизатора на VD2 с током через транзисторный датчик. Чтобы нуль напряжения на выходе операционного усилителя соответствовал нулю Цельсия подстраивают резистор R3 предварительно погрузив датчик в таящий лед (температура таящего льда равна 0°С). Точность прибора можно установит взяв за образец медицинский термометр, делая контрольные замеры температуры тела человека.

В некоторых случаях желательно иметь многоточечный термометр, при помощи которого можно измерять температуры в разных местах просто переключая датчики при помощи обычного переключателя. На первый взгляд может показаться разумным оснастить приставку несколькими транзисторными датчиками, которые расположить в местах измерения и подключать к разъему Х1 при помощи переключателя.

Но попытка построения многоточечного термометра таким способом не дала положительных результатов. Дело в том, что измерительная приставка в процессе настройки настраивается на работу с строго определенным экземпляром транзистора-датчика. Как известно, даже взятые из одной партии транзисторы могут иметь существенные различия электрических параметров. В результате получается, что приставка настроенная с одним датчиком работает точно, но про подключении к ней другого датчика точность измерения ухудшается.

Методы построения полупроводниковых датчиков температуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Громов В.С, Шестимеров С.М., Увайсов С.У.

Московский государственный институт электроники и математики (ТУ),

Россия, г.Москва

Все известные полупроводниковые измерители температуры основаны на использовании в качестве преобразователей температуры в электрический сигнал либо полупроводниковых резисторов, либо полупроводниковых диодов и транзисторов.

Полупроводниковые резисторы являются самыми распространенными преобразователями температуры, выпускаемыми промышленностью. По материалу, используемому при создании полупроводниковых резисторов, они подразделяются на поликристаллические и монокристаллические резисторы. По значению температурного коэффициента сопротивления (ТКС) полупроводниковые резисторы можно разделить на два класса — приборы с отрицательным и приборы с положительным ТКС. Отрицательный ТКС имеют, как правило, полупроводниковые резисторы, изготовленные на основе медномарганцевых (типа ММТ) и кобальто-марганцевых (типа КМТ) оксидных полупроводников. Получение необходимых величин сопротивлений и ТКС достигается изменением процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного осаждения щёлочью азотнокислотных соединений марганца, кобальта, меди и прокаливания гидратов окислов. Для получения полупроводниковых резисторов исходный материал в виде порошка с органической связкой обрабатывается выдавливанием через мундштук или прессованием, по технологии, широко используемой в керамическом производстве. Такая технология позволяет обеспечить довольно низкие метрологические характеристики, так например, допустимое отклонение сопротивления от номинала у большинства типов резисторов составля-

1

ет ±20%, а разброс ТКС для партии одного номинала составляет ±10%. Кроме того, особенностью таких полупроводниковых резисторов является нелинейная температурная характеристика. Поэтому данные полупроводниковые резисторы редко используются в приборах для измерения температуры и их область применения, как правило, ограничивается системами терморегулирования и термозащиты.

Полупроводниковые резисторы на основе монокристаллических полупроводников (кремния, германия, карбида кремния, фосфида галлия) выполняются как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Кремниевые резисторы могут быть выполнены в виде слоя определенного типа проводимости в исходной кремниевой пластине противоположного типа проводимости, либо в виде узкого канала требуемого типа проводимости в пластине. Омические контакты создаются путём химического осаждения никеля. Полупроводниковые резисторы на основе кремния (отечественные, например, СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-3Б и зарубежные, например, типа KTY-81) имеют более высокий ТКС и значительно меньшие габариты по сравнению с поликристаллическими резисторами, а также с аналогичными резисторами, выполненными из меди и платины. Они обладают почти линейной зависимостью и могут быть изготовлены с высоким номинальным значением сопротивления (десятки кОм). Кремниевые резисторы могут быть выполнены с допускаемым отклонением от номинального сопротивления (1-2) %. Это достигается химическим, электрохимическим травлением или лазерным выжиганием резисторного слоя на кремниевой пластине. Использование кремниевых резисторов для измерения температуры в случае массового применения представляет особый интерес, так как они значительно дешевле других аналогичных преобразователей температуры и имеют большой температурный коэффициент (до 1 %/K). Недостатками кремниевых резисторов по сравнению с их металлическими аналогами (медными, платиновыми резисторами) являются

меньший диапазон измеряемых температур и некоторая нелинейность темпе-

2

ратурной характеристики. Однако, для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение. Схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTY-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 1 [1]

Рис. 1 Типовая измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTY-81.

Полупроводниковый резистор размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R4… R7. Измерительный мост питается напряжением 2,7 В, стабилизированным с помощью стабилитрона Vj. Ток питания моста не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за перегрева, обусловленного этим током. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/°С и повышается усилителем V3 до 50 мВ/°С на выходе. Все элементы схемы измерения температуры (рис. 1) могут быть выполнены с помощью известных методов полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности пластинки кремния. Например, таким образом, фирма Analog Devices серийно изготавливает датчики температуры в виде монолитных интегральных схем типа AD22100, упрощённый принцип работы которых приведен на рис. 2.

3

Рис. 2 Упрощённая блок-схема датчика температуры типа AD22100 с

аналоговым выходом.

Этот тип датчиков может работать в диапазоне температуры от минус 50°С до плюс 150°С. Точность измерения температуры не хуже, чем ±2%, и линейность не хуже, чем ±1% во всем измеряемом диапазоне. Температурный коэффициент выходного напряжения ивых равен 22,5 мВ/°С. При напряжении питания Епит = +5 В выходное напряжение изменяется от +0,25 В (при температуре -50°С) до +4,75 В (при температуре +150°С).

Использование кремниевых диодных структур в качестве первичных преобразователей температуры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде более линейно изменяется с изменением температуры, чем электрическое сопротивление кремниевого терморезистора. Действительно, если через диод в прямом направлении пропускается постоянный ток 1пр, то его связь с прямым напряжением ипр на p-n переходе диода задается известным уравнением [2]:

I = I — Є

пр обр

ґq-ипР _ л у kT _ у

(1)

4

где k — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, T — температура в

Кельвинах, 1обр — обратный ток через p-n переход.

т-, тт кТ

Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т. 1 обр )

(2)

Параметром, определяющим температурную зависимость напряжения на p-n переходе диода в уравнении (2) является ток 1обр. На основании общей теории p-n перехода в [2] показано, что в ограниченном интервале температур (для кремниевых диодов от -50°С до +120°С) прямое падение напряжения ипр линейно зависит от температуры с температурным коэффициентом

( ТКН

dU пр dT

) порядка -2 мВ/°С в зависимости от типа диода и от плотности

тока в p-n переходе. Причем с ростом прямого тока через p-n переход ТКН уменьшается, а с уменьшением тока 1пр уменьшается интервал температур, в котором ТКН можно считать постоянным.

Поэтому, при использовании диодов в качестве чувствительных элементов в интегральных датчиках температуры, усилия разработчиков были направлены на снижение влияния обратного тока 1обр на зависимость напряжения ипр от температуры, а также улучшения эксплуатационных характеристик датчиков. Например, использование вместо диодов транзисторных структур, но в диодном включении, позволило снизить влияние сопротивления базы диода на температурную зависимость напряжения ипр, использование специального отбора транзисторов с одинаковыми значениями ипр и коэффициентом усиления по постоянному току [3], позволило обеспечить взаимозаменяемость диодных чувствительных элементов, и других вариан-

5

тов. Однако, наиболее перспективным, с точки зрения использования диодных чувствительных элементов и серийного изготовления полупроводниковых интегральных датчиков температуры, оказался вариант, предположенный в работе [4]. Через транзистор V в диодном включении (рис. 3) пропускаются поочередно два различных, но постоянных по величине тока 1пр1 и 1пр2 в прямом направлении по отношению к p-n переходу эмиттер-база, как показано на рис. 4, и при этом обеспечивается, для данных токов, высокий уровень инжекции, т. е. 1пр2 > Іпрі>>Іобр и Unpi>>kT/q, как показано на рис. 5.

Рис. 3 Транзистор V в диодном включении в качестве чувствительного

элемента.

Рис. 4 Диаграмма протекания токов 1пр1 и 1пр2 через диод эмиттер-база.

6

Рис. 5 Вольтамперная характеристика диода и значения напряжений, соответствующие прямым токам 1пр1 и 1пр2, протекающим через диод.

В этом случае (рис. 3), уравнение (2) можно переписать для двух токов (1пр1 и 1пр2) и для двух температур (Tb T2) следующим образом.

При токе через диод 1пр1 и температуре Ti получим:

гг кТ1 1

Unpi = — ■ ІП

q

f ^

пр1

V1 обр J

(3)

Соответственно, при токе через диод 1пр= 1пр2 и при температуре Т=Т1 уравнение (2) перепишется как:

Т

q

г

■ ln

I

\

пр 2

V 1 обр J

(4)

Изменение прямого тока через диод от значения 1пр1 до значения 1пр2 приведет к изменению напряжения на диоде (рис. снимать как разность между базами диодов (рис. 6).

8

Рис. 6 Схема чувствительного к температуре элемента на двух диодах с

постоянным режимом протекания токов I пр1

E E

пит тх т пит

Т и =~г

ч

2

Для схемы (рис. 6) уравнение (7) можно переписать в следующем виде:

DUпР =(Т2 — Ті )•

к {R1

— • ln

q l R2 )

(8)

Для обеспечения такого важного эксплуатационного параметра, как взаимозаменяемость чувствительного к температуре элемента (рис. 6), изготовленного с помощью полупроводниковой технологии, можно использовать лазерную подгонку величин резисторов R1 и R2, нанесенных на подложку, причем подложкой может служить и полупроводниковый кристалл, в котором сформированы транзисторные структуры. Следует отметить, что метод лазерной подгонки величин сопротивлений резисторов при изготовлении калиброванных датчиков широко используется как отечественными, так и зарубежными фирмами в настоящее время.

Другой вариант, позволяющий обеспечить приемлемую взаимозаменяемость чувствительного к температуре диодного элемента — это использование в схеме вместо транзистора V1 многоэмиттерной транзисторной

9

структуры. При этом величины сопротивлений резисторов Rj и R2 должны быть равными.

Предлагаемые данным вариантом схемотехнические решения, не изменяют механизм преобразования, положенный в основу работы чувствительного элемента и определяемый уравнением (7). Действительно, уравнение (7) для схемы (рис. 6) можно переписать в виде:

(

DU„p =(Т2 -Т)• -• ln

q

J пр 2

S

Л

Э 2

V Jпрі • *3і у

= (Т2 — Ті)• — • In

q

f ■ \

J пр 2

V

J прі

у

(9)

где и — площади эмиттерных p-n переходов транзисторов VI и V2 соответственно (поскольку транзисторы одинаковые в схеме рис. и jw2 — плотность тока в эмиттере транзисторов VI и V2 соответственно.

Если в схеме (рис. 6) заменить транзистор VI на n-эмиттерную транзисторную структуру, в которой каждый единичный эмиттерный переход по площади равен эмиттерному переходу транзистора V2 и обеспечить условия протекания одинаковых по величине токов 1пр1 и 1пр2, то для такой схемы будут действительны соотношения S3j=n-S32 и уравнение (9) можно представить в виде:

ДЦ,р = Т — Ті )• — • In

q

S31

V S3 2 у

= {Т2 — Ті )• — • ln(n)

q

(і0)

Предложения по практической реализации данного варианта диодного чувствительного элемента рассмотрены, например, в работе [5]. На рис. 7 приведена принципиальная схема интегрального полупроводникового датчика температуры с использованием многоэмиттерной транзисторной структуры.

і0

Рис. 7 Схема чувствительного к температуре элемента с многоэмиттер-ной транзисторной структурой.

Поскольку температурная чувствительность диодного элемента (рис. 7) порядка 0,2 мВ/град, то желательно его изготавливать и применять совместно с усилительным устройством V3. Схема чувствительного элемента (рис. 7) положена в основу серийно выпускаемого фирмой Texas Instruments датчика температуры типа STP — 35. В таблице 1 приведены параметры интегральных датчиков типа STP.

Таблица 1.

Погрешность Температур- Чувстви- Время сраба-

при 25°С, АТ, ный диапа- Ток, мА тельность, тывания т,

°С зон, °С мВ/град сек

STP-35A ±3 -40. ..+125 0,4. 5 10 13

STP-35B ±2 -40…+125 0,4. 5 10 13

STP-35C ±1 -40…+125 0,4. 5 10 13

Другими интересными примерами использования диодного чувствительного элемента (рис.7) являются датчики температуры типа LM3911,

LM50, LM60, серийного выпускаемые фирмой National Semiconductor. На

11

рис. 8 приведены температурные характеристики датчиков температуры LM50 и LM60.

-65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155

Температура, С

Рис. 8 Типовая зависимость ивых LM60 и LM50 от температуры при напряжении 10 В.

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов построения диодных интегральных датчиков наиболее перспективным оказался вариант (с точки зрения промышленного освоения и обеспечения взаимозаменяемости) использования диодного чувствительного элемента с многоэмиттерной транзисторной структурой, на основе которого серийно изготавливается большинство полупроводниковых интегральных датчиков температуры.

Выше был рассмотрен пример использования транзисторной структуры в качестве термопреобразователя при построении и серийном изготовлении интегральных датчиков температуры. Однако использование транзисторной структуры только в диодном включении, при котором исключена роль другого p-n перехода и утверждение, что при этом в современных датчиках температуры используются транзисторные термопреобразователи, не является достаточно корректным. В работе [6] предложена схема транзисторного преоб-

12

разователя, в которой оба р-n перехода транзистора (эмиттерный и коллекторный) используются по конкретному назначению. Схема включения транзистора как преобразователя температуры в электрический сигнал, приведена нарис. 9.

Увых

Рис. 9 Схема включения транзистора в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал.

Для того, чтобы транзистор V в схеме (рис. 9) выполнял роль термопреобразователя, необходимо обеспечить следующий электрический режим работы его p-n переходов. Во-первых, прямой ток через p-n переход эмиттер — база должен определяться только внешними элементами схемы и величина этого тока в диапазоне рабочих температур термопреобразователя не должны зависеть от температуры, т.е. необходимо, чтобы обеспечивались соотноше-т _ Еэ

ния 1э _ — и ЯЭ>>ЯЭБ, где ЯЭБ — сопротивление p-n перехода эмиттер — база

прямому току 1Э. Во-вторых, p-n переход коллектор — база транзисторного термопреобразователя должен быть смещён источником напряжения EK в прямом направлении, как и p-n переход эмиттер — база. В третьих, электрический сигнал, пропорциональный изменению температуры окружающей среды (напряжение ивых), снимается с резистора Як, а это означает, что в качестве термочувствительного параметра в данной схеме транзисторного термопреобразователя используется ток коллектора. Работу схемы транзисторного термопреобразователя (рис. 9) удобно рассматривать совместно с выходными вольтамперными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис. 10).

13

Рис. 10 Общий вид выходной вольтамперной характеристики n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Необходимо отметить, что область работы данного термопреобразователя имеет место только при включении транзистора по схеме с общей базой. На рис. 10 показано семейство выходных вольтамперных характеристик n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока 1Э. При 1Э = 0 (обрыв эмиттерной цепи) и обратносмещённом коллекторном p-n переходе ток коллектора представляет собой обратный начальный ток перехода коллектор-база — 1КБ0, который не зависит от напряжения на коллекторе вплоть до момента пробоя перехода коллектор — база. При изменении полярности напряжения на переходе коллектор — база (в данном случае с положительного значения на отрицательное) получим вольтамперную характеристику прямосмещённого p-n перехода (диода) коллектор — база. При этом 1К = ІБ. Задавая определенные значения тока эмиттера (1Э1, 1Э2, 1Эз)

14

получим семейство выходных вольтамперных характеристик (рис. 10). В активной области работы транзистора (UK > 0) вольтамперные характеристики располагаются параллельно друг другу и их наклон и расстояние между ними не зависят ни от величины UK (вплоть до напряжения пробоя перехода коллектор — база), ни от температуры в диапазоне рабочих температур (как это следует из очевидного выражения ІК = ікбо + 1Э а, поскольку 1Э не зависит от температуры, ІКБ0 << 1Э, а коэффициент усиления транзистора в схеме с общей базой а» 1). Поэтому данная область работы транзистора не представляет интереса при создании транзисторных термопреобразователей. Другое дело область на рис. 10, характеризующаяся отрицательными значениями UK, или область работы транзистора с прямосмещёнными p-n переходами эмиттер — база и коллектор — база. Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой, можно записать выражение [2]:

qUK

IK ~а’ 1 э — 1 КБ0 ■ (е кТ — 1) . (11)

Рассмотрим на рис. 10 вольтамперную характеристику с параметром 1Э1, полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды Т0. Точка 1 на характеристике определяется нулевым значением тока коллектора, т.е. ІК = 0. Тогда из уравнения (11) можно определить величину UK, при котором ІК = 0, а именно:

— Uk = — ln

kT

q

г

a• I

\

Э1

V ІКБ 0

+ 1

J

(12)

Величина UK, как следует из уравнения (12), зависит от величины тока ^ и может быть определена экспериментально. = ІБ, а на коллекторном выводе создается

15

потенциал jk , равный по величине Uk. Ориентировочно величину потенциала jk можно определить с помощью вольтметра с высокоомным входом.

Создать условие 1К = 0, в схеме рис. 9, при этом 1Э = hi, можно и по другому, не прибегая к обрыву в цепи коллектора, а путем подачи от коллекторного источника EK напряжения на коллектор (рис. 9), равного по величине

потенциалу j , т.е. если EK =jk, то 1К = 0. Экспериментально это условие легко контролируется путем измерения напряжения на резисторе RK, которое при этом должно быть равно нулю, т.е. иВЫХ = 0 и 1К = 0. Результаты измерения напряжения источника EK в данном случае и расчета UK с использованием уравнения (12) показывают, что соотношение EK =jk = UK при Ik = 0 выполняется с точностью, необходимой для применения данного уравнения при создании транзисторных термопреобразователей. В точке 1 (рис. 10), где выполняется условие 1К = 0 и 1Э1 = 1Б, p-n переход эмиттер — база работает как прямосмещённый и изолированный от коллектора диод. Известно [2], что напряжение на диоде при постоянном прямом токе изменяется от температуры согласно уравнению (2). При установлении температуры окружающей среды Токр = Т0 — АТ, т.е. при уменьшении температуры на АТ, получим отклонение характеристики влево, как показано на рис. 10 пунктирной линией слева от точки 1, на величину AUK = (ТКН) АТ. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1, как показано на рис. 10 пунктирной линией, произойдёт, если окружающую температуру повысить на АТ, т.е. установить Токр = Т0 + АТ. Проведенная через точку 1 в соответствии с величиной резистора RK нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3. При этом величина выходного напряжения иВЫХ в схеме (рис. 9) будет иметь значение, согласно рис. 10, соответственно:

Ubhx 4 = -AIkRk и Ubhx з = +AIkRk 16

16

Если выполняется условие 1Э1 >> ± ЫК, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что иВЫХ = AIKRK » (ТКН)ЛТ, в диапазоне изменения коллекторного тока от -А1К до +А1К. Для начальной температуры среды Т0 может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С. На рис. 11 показан характер изменения коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для кремниевого транзистора, включенного по схеме рис. 9. 17

Рис. 11 Зависимость коллекторного тока 1К от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки RK для транзисторного термопреобразователя

17

Принимая во внимание, что изменение выходного напряжения интегральных датчиков температуры, построенных с использованием в качестве термопреобразователей кремниевых резисторов и диодов по характеру идентичны, то, сравнивая графики, приведенные на рис. 8 с графиками на рис. 11 можно сделать по работе транзисторного термопреобразователя следующие выводы:

1. При заданном токе эмиттера, при условии 1Э >> 1К, температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен в широком диапазоне температур от -50°С до +°150°С и имеет высокое значение, порядка (1 -2) мкА/°С, обеспечивающее применение транзиторного термопреобразователя без дополнительных усилительных устройств.

2. В режиме прямых токов возможна плавная регулировка величины коллекторного тока в широких пределах (включая и нулевое значение) при изменении напряжения EK, смещающего коллекторный переход в прямом направлении. При этом, температурный коэффициент остается неизменным, температурная характеристика транзисторного термопреобразователя (прямая линия) имеет положительные и отрицательные значения тока коллектора, соответствующие положительным и отрицательным значениям измеряемых температур. Такая шкала абсолютного термометра не обеспечивается в терморезисторных и диодных датчиках температуры.

3. Зависимость температурного коэффициента коллекторного тока от величины резистора RK, не зависящего от температуры, даёт возможность регулировать чувствительность транзисторного термопреобразователя независимо от материала и технологии его изготовления, в отличие от его полупроводниковых аналогов.

Таким образом, в данной работе рассмотрены наиболее перспективные

полупроводниковые термопреобразователи и методы создания на их основе

полупроводниковых интегральных датчиков температуры. Следует отметить,

18

что, несмотря на значительный вклад отечественной промышленности в разработку полупроводниковых термопреобразователей, интегральные датчики температуры серийно освоены и выпускаются только зарубежными фирмами. 19

19

Литература.

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва «Мир», 1989 г., 198 с.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М., «Энергия», 1967г., 614 с.

3. Pat O’Neil, Carl Derrington. Transistors — a hot tip for accurate temperature sensing. Electronics, 1979, №21, pp 137-141.

4. Громов В.С.,Николаевский И.Ф. Использование входного сопротивления транзистора для измерения температуры коллекторного перехода. -В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Я. А. Федотова. — М.: Сов. Радио, 1969, с. 251-259.

5. Gerard de Haan Gerard C.M. Meijer. An accurate small-range JC temperature transducer. IEEE Journal of solid-state circuits, vol. sc-15, no.6, desember 1980, pp 1089-1091.

6. Громов В.С., Кривоносов А.И., Утямышев Р.И. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам открытий и изобретений при СМ СССР. Авторское свидетельство № 361358. Опубликовано в бюллетене № 1, 1973, 3с.

20

Авторы

Громов Вячеслав Сергеевич, ОАО ЦНИИ «Циклон», руководитель метрологической службы, доцент, д. т. н., т. раб. (495) 785-51-81, доб.41-22, т. дом. (499) 165-10-95

Шестимеров Сергей Михайлович, ОАО ЦНИИ «Циклон», начальник лаборатории, т. раб. (495) 785-51-81, доб.44-91, т. дом. (495) 524-43-20, email: [email protected]

Увайсов Сайгид Увайсович, МИЭМ, профессор кафедры РТУиС, д.т.н., т. раб. (495) 916-88-80, т. дом. (495) 780-59-86, e-mail: [email protected]

21

Аннотация.

Методы построения полупроводниковых датчиков температуры

В статье дан обзор интегральных твердотельных датчиков температуры, основанных на использовании в качестве первичных преобразователей температуры в электрический сигнал кремниевых резисторов, диодов, транзисторов. Рассмотрены вопросы построения измерительных схем с использованием указанных преобразователей и механизмов преобразования, связанных с особенностью их применения. Приведены примеры промышленной реализации кремниевых интегральных датчиков отечественными и зарубежными фирмами.

Рассмотрены особенности изготовления и применения кремниевых терморезисторов, выпускаемых промышленностью (например, отечественных СТ6-1 и зарубежных КТІ81), описаны общие принципы измерения температуры с помощью кремниевых термометров, отмечены их метрологические достоинства и недостатки, а также рассмотрены схемотехнические решения и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе кремниевых резисторов типа AD22100.

Рассмотрены особенности построения кремниевых диодных первичных преобразователей температуры, выходной сигнал которых при заданном электрическом режиме изменяется только от температуры и не зависит от технологии изготовления диодов. Приводятся схемотехнические решения, уравнения преобразования и метрологические характеристики зарубежных монолитных интегральных датчиков температуры на основе диодных первичных преобразователей типа STP35, LM3911, LM50, LM60.

Рассмотрены схемотехнические особенности построения транзисторного датчика температуры, его уравнение преобразования и метрологические характеристики. Приведены сравнения характеристик транзисторного датчика и его зарубежных аналогов (LM50, LM60). Показано, что несмотря на про-

22

стоту схемотехнического решения, транзисторный датчик имеет больший диапазон измеряемых температур (от -50оС до +150оС), высокую чувствительность при отсутствии встроенных усилительных устройств, линейную шкалу, соответствующую шкале Цельсия, и является перспективным устройством для создания датчиков нескольких физических величин.

Статья содержит: 15 стр. маш. текста, рисунков 11, библ. 6.

Ключевые слова: датчик температуры, транзисторный датчик, термопреобразователь, абсолютный термометр, кремниевый интегральный датчик, кремниевый резистор, кремниевый диод, кремниевый транзисторов, серийные интегральных датчики температуры, многоэмиттерная транзисторная структура.

23

Authors

Gromov Vyacheslav Sergeevich, Ltd. Central Research Institute «Cyclone», the head metrological-ray service, associate professor, Ph.D., is a slave. (495) 78551-81, dob.41-22, that house. (499) 165-10-95

Shestimerov Sergei Mikhailovich, Ltd. Central Research Institute «Cyclone», head of the laboratory, that is a slave. (495) 785-51-81, dob.44-91, that house. (495) 524-43-20, e-mail: [email protected]

Uvaisov Saygid Uvaysovich, MIEM, Professor RTUiS, Ph.D., is a slave. (495) 916-88-80, ie house. (495) 780-59-86, e-mail: [email protected]

24

Abstract.

Methods of constructing semiconductor temperature sensors

The article provides an overview of integrated solid state temperature sensors, based on the use-governmental as the primary temperature converters in electric-sky signal silicon resistors, diodes, transistors. The problems in the structure of the measuring circuits using these converters and tools for transformation-related feature of their application. Examples of industrial implementation of silicon integrated sensors domestic and Zar-eign firms.

The features of the production and use of silicon termorezisto-ing produced by industry (eg, domestic ST6-1 and foreign KTI81), describes the general principles of temperature measurement using silicon-ter-mometrov, marked their metrological advantages and disadvantages, and also considered the circuit solutions and metrological characteristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on silicon resistors type AD22100.

The features of silicon diode of the primary trans-ers in temperature, the output of which at a given electric mode of changes of temperature only and is not dependent on the technology of manufacturing diodes. Are set out circuit solutions, the equation changes and metrological charac-teristics of foreign monolithic integrated temperature sensors based on diode-governmental primary converters type STP35, LM3911, LM50, LM60.

We consider circuit design features of the transistor temperature sensor, its equation of transformation and metrological characteristics. Priv deny comparing the characteristics of the transistor sensor and its foreign counterparts (LM50, LM60). It is shown that despite the simplicity of circuit solutions, transistor sensor has a larger range of measured temperatures (from-50 ° C to +150 ° C), high sensitivity in the absence of built-in amplifier mouth-nal, a linear scale corresponding to the Celsius scale, and is a promising device for the creation of several sensors physical quantities.

This article contains: 15 pages mash. text, figures 11, Bibl. 6.

25

Keywords: temperature sensor, transistor sensor termopreobrazova-Tel, an absolute thermometer, silicon integrated sensor, silicon resistor, silicon diode, silicon transistors, serial integrated temperature sensors, multiemitter transistor structure.

26

диодов — Можно ли использовать любой BJT для измерения температуры?

Вы можете использовать многие (но не или ) типы BJT и получить хорошие результаты. Вы должны , а не , использовать общие детали, такие как диоды или выпрямители 1N400x 1N4148, 1N914, РЧ-биполярные транзисторы, германиевые транзисторы OC71 или массивные силовые транзисторы 2N3055 для такого типа схемы \ $ \ Delta \ $ — Vbe.

Принцип измерения здесь состоит в том, чтобы измерить разность в прямом падении диодного 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 же, всегда хочет избежать индивидуальной калибровки.

Компромисс заключается в большей сложности (все на одном кристалле, 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, затем

\ $ \ 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 типы кремния. 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 найти, что VE1 было около 1.В среднем 88 вольт, а VE2 был 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 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!

Советы и рекомендации по работе с датчиками 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 она все же приемлема.

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. Первой защитой от проблем с шумом является 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 стабильного, бесшумного показания 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 уровень шума может 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 печатной платы на диодные дорожки, а неправильная процедура очистки также может вызвать ошибки в показаниях температуры удаленных диодных датчиков ( Рисунок 4 ).На рисунке 20 нА утечки могут вызвать ошибку более 0,2 ° C.

Рис. 4. Остерегайтесь индуктивной связи и тока утечки

ЭМП — это 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 хороший теплопроводный путь 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 вне 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.

Рисунок 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 на экранированный кабель витой пары (для помехоустойчивости), чтобы определить, может ли проблема быть вызвана фактической прокладкой на печатной плате.

Рисунок 6.Устранение неполадок на системной плате с шумом

Большинство источников ошибок можно компенсировать, но не все. Вы получите наилучшие результаты, если укажете датчик со встроенной помехоустойчивостью и соблюдаете правильные методы 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 дворнике 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.

Ток, потребляемый простой схемой индикатора температуры, будет немного больше тока светодиода, около 20 мА, и то только тогда, когда все начинает готовиться

Схема цепи простого теплового датчика или датчика температуры

У нас есть ранее построил пожарную сигнализацию с использованием термистора и систему пожарной сигнализации с использованием микроконтроллера AVR.Сегодня мы строим очень простую цепь датчика температуры или цепь датчика температуры . В этой схеме используется очень мало базовых компонентов, которые могут быть легко доступны, любой может построить ее прямо сейчас. Этот тепловой датчик не только прост, но и эффективен; можно попробовать дома.

Здесь Транзистор BC547 используется как датчик тепла. По мере увеличения температуры PN-перехода транзистор начинает в некоторой степени проводить ток. Это «температурное» свойство транзистора используется здесь в качестве теплового датчика.

Диод 1N4148 и переменный резистор 1 кОм используются здесь для установки опорного или порогового уровня чувствительности к теплу. А чувствительность схемы можно регулировать вращением ручки.

Работа схемы проста, когда есть тепло или повышение температуры до уровня, при котором она пересекает порог, установленный Pot. Затем ток коллектора увеличивается, и светодиод начинает медленно светиться. Мы также можем использовать зуммер вместо светодиода.Также обратите внимание, что перед тем, как начать тестирование схемы, сначала установите переменный резистор. Когда вы полностью повернете его в одном направлении, светодиод будет выключен, а когда вы полностью повернете его в другом направлении, светодиод будет светиться с полным освещением. Поэтому установите горшок в положение, при котором небольшое вращение приведет к тусклому свечению светодиода.

Температурную зависимость PN-переходов в транзисторе можно понять с помощью представленных здесь формул. Напряжение база-эмиттер (V _BE ) падает примерно.-2,5 мВ / ° C, отрицательный знак указывает на падение или уменьшение напряжения на B и E.

NPN-транзистор во многом действует как диод, если мы закорачиваем базу (B) и коллектор (C) транзистора. В этом случае B-C действует как положительная клемма, а эмиттер (E) действует как отрицательная клемма. И если мы сохраним источник напряжения постоянным, то напряжение на транзисторе станет функцией температуры. Для PNP-транзистора E будет положительным полюсом, а B-C — отрицательным. Следовательно, закоротив B и C, мы можем использовать транзистор в качестве датчика температуры.Ниже представлена ​​конфигурация выводов BC547 NPN-транзистора:

.

Рабочая температура транзистора BC547 составляет до 150 градусов Цельсия, поэтому его можно идеально использовать при высоких температурах в качестве теплового датчика. А еще мы можем сделать из этого пожарную сигнализацию.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Твердотельный датчик температуры Часть 1 — принципы

Температура является наиболее часто измеряемым физическим параметром в промышленных, коммерческих и даже жилых помещениях. Очевидно, речь идет о гораздо большем, чем просто «какая температура, чтобы я знал, какое пальто надеть?» Показания температуры необходимы для управления процессами и системами с помощью контура отрицательной обратной связи, алгоритмов ПИД и компараторов, Ссылки с 1 по 3 .

В течение многих лет самым распространенным способом электрического измерения температуры было использование термопар, Ссылка 4 . Однако в последние десятилетия появился и получил широкое распространение альтернативный компонент, называемый твердотельным датчиком температуры. Он подходит для некоторых (но не для всех) применений, в которых ранее использовались термопары.

Сторона 1 этого FAQ обсудит принципы твердотельных датчиков температуры, а часть 2 рассмотрит, как они применяются.

Q : Что такое твердотельный датчик температуры?

A: В этом датчике используется инновационная топология транзисторов и резисторов, и он выполнен в виде единой ИС. Он выдает выходной сигнал, который пропорционален абсолютной температуре (PTAT) в широком диапазоне, хотя и не настолько широк, насколько термопары могут работать как на холодном, так и на горячем концах диапазона.

В: Каков основной выход твердотельного датчика?

A: В отличие от термопары, которая является источником напряжения в милливольтном диапазоне (с довольно ограниченной допустимой нагрузкой по току), твердотельный датчик является источником тока, Reference 5 .Его выход представляет собой ток, равный PTAT. Типичный твердотельный датчик обеспечивает выходной сигнал 1 мкА / К.

Q: Для какого диапазона применим твердотельный датчик?

A: Это зависит от конкретной марки и модели, но некоторые из них доступны для работы в диапазоне от -55 ° C до + 150 ° C, что охватывает очень широкий диапазон приложений. Для сравнения, доступны термопары, рассчитанные на температуру ниже -100 ° C на нижней стороне и на тысячи градусов — на высокой.

В: Есть ли особые соображения относительно конструкции при использовании этих датчиков?

A: Базовый датчик очень прост в использовании.Это двухконтактное устройство, которое работает от довольно широкого источника постоянного тока, обычно от +4 до +30 В. Это напряжение подается на датчик, который затем «регулирует» ток, протекающий до уровня 1 мкА / К, пропорционально. .

Q: Каков принцип работы этого датчика?

A: В основе лежит хорошо известная температурная зависимость p-n перехода диода или база-эмиттер транзистора:

В = kT / q (ln I / I _с )

, где k — постоянная Больцмана, T — температура в градусах Кельвина, q — заряд электрона, а I _s — характеристический ток перехода.Это нелинейная зависимость между напряжением и током, которая также зависит от температуры, Рисунок 1 .

Рис. 1: Твердотельный датчик температуры использует внутреннюю температурную зависимость отношения тока / напряжения кремниевого p-n перехода. (Источник: Encyclopædia Britannica, Inc.)

В: Эта связь полезна или проблема?

A: И то, и другое. Это соотношение использовалось в течение многих лет в качестве основы для недорогого, но только умеренно полезного датчика температуры, обычно для обеспечения некоторого рода компенсации в цепях, которые дрейфовали.Он не откалиброван и поэтому полезен только в ограниченном диапазоне.

Эта взаимосвязь также была головной болью, поскольку она препятствовала разработке точных твердотельных эталонов напряжения (запрещенная зона и другие), поскольку значение эталонного напряжения дрейфовало при изменении температуры. Для исправления этих ошибок потребовались специальные схемы компенсации и подстройки. Тем не менее, эти сложные отношения также были использованы в интересах

Q: Учитывая логарифм в этом уравнении, как и становятся датчиком температуры?

Первый коммерчески доступный датчик температуры в этом классе — AD590 от Analog Devices — был представлен около 25 лет назад.Он использовал последствия уравнения вместе с очень умной топологией и лазерной подстройкой для калибровки. Эта ИС использовала фундаментальные свойства кремниевых транзисторов, из которых она сделана (обратите внимание, что в конструкции всего 12 транзисторов), Рисунок 2 .

Рис. 2. Хотя характеристики одиночного перехода не сразу полезны в качестве точного датчика температуры, сложная топология транзисторов и подстроечного резистора на кристалле позволяет получить датчик, имеющий согласованную передаточную функцию температуры и выходного тока.(Источник: Analog Devices, Inc.)

Он развивает свою температурно-пропорциональную характеристику следующим образом: если два идентичных транзистора работают при постоянном соотношении плотностей тока коллектора, называемом r, то разница в их напряжении база-эмиттер составляет (kT / q) (In r). Поскольку и k (постоянная Больцмана), и q (заряд электрона) постоянны, результирующее напряжение прямо пропорционально абсолютной температуре. В AD590 это напряжение PTAT преобразуется в ток PTAT тонкопленочными резисторами с низким температурным коэффициентом.В этом случае общий ток устройства должен быть кратным этому току PTAT.

В: AD590 — единственный доступный твердотельный датчик температуры?

A: Хотя он относительно старый, он был значительно улучшен и модифицирован, но все еще доступен для этого номера модели. Теперь, наряду с Analog Devices, многие другие производители предлагают широкий спектр датчиков, основанных на этом принципе, но с другими выходными форматами и функциями в дополнение к базовому току PTAT.

Часть 2 обсуждает варианты этого твердотельного датчика и вопросы применения.

Список литературы

1. Что такое пропорциональное регулирование (ПИД) и почему оно используется? (Часть 1)
2. Что такое пропорциональное регулирование (ПИД) и почему оно используется? (Часть 2)
3. Аналоговые компараторы и гистерезис
4. Понятие термопар и интерфейсов (Часть 1)
5. Актуальные источники и зачем они нужны

.