Схемы ячеек датчиков температуры

Схема, представленная на Рис. 2, реализует уравнение (10.2) и известна как ячейка Брокау.

Транзистор VT2 представляет собой N включенных параллельно транзисторов, таких же, как VTi. Разность потенциалов эмиттеров транзисторов приложена к резистору R₂. Ток эмиттера транзистора VТ₂ поэтому равен

Рис. .2. Схема «классического»датчика температуры на ширине запрещенной зоны

За счет отрицательной обратной связи че рез ОУ коллекторные токи транзисторов равны. Их сумма проходит через резистор R1. В результате напряжение, падающее на резисторе R1 пропорционально абсолютной температуре. Действительно, с учетом (2) получаем

(3)

При надлежащем выборе отношения R1 / R2 и N напряжение на базе транзистора VTi и, следовательно, на выходе операционного усилителя станет равным ширине запрещенной зоны кремния 1.205 В. Это напряжение не зависит от температуры. Схема на Рис. 2 — основной полупроводниковый датчик температуры и широко используется в промышленности.

Таким образом, ячейка датчика температуры может использоваться одновременно и в

качестве источника опорного напряжения. Сравните схему на Рис. 2 со схемой ИОН на ширине запрещенной зоны и вы убедитесь, что они практически идентичны. Поэтому ряд моделей ИОН, например, МАХ872, AD780 и др., имеет выводы датчика температуры.

Другой вариант ячейки ДТ приведен на Рис. 3

Схема имеет V_BE приблизительно (0.2 мВ/°К)Г Усилитель обеспечивает равенство токов через транзисторы, причем плотность токов через их коллекторы соотносится как 1:10. Поскольку напряжение V_BE приложено к резистору R, то общее падение напряжения на цепочке, включающей резисторы R, 26R и 23R, составит (10 мВ/°К)-7Г Резистор, обозначенный 100R, используется для подстройки смещения.

Рис. 10.4. Ячейка датчика температуры Мейджера

Схемы ДТ, приведенные на Рис. 2 и Рис. 3, очень популярны, но они, по сути, являются датчиками абсолютной температуры и как следствие имеют смещение шкалы выходного напряжения в 2.73 В относительно более привычной шкалы температур в градусах Цельсия. Дж. Мейджер разработал схему ячейки ДТ, которая легко калибруется в градусах Цельсия (Рис. 4).

Схема работает следующим образом: ток I_PTAT пропорциональный абсолютной температуре, генерируется источником тока.

Выходной ток I ₀ равен разности этого тока и тока, пропорционального напряжению V_BE транзистора VT₄, и имеет температурный коэффициент 1 мА/°С. Ток через этот транзистор задается токовым зеркалом на p-n-p транзисторах VT₁ и VT₂ и транзистором VT₃, который играет роль усилителя с обратной связью. Градуировка этой схемы может быть выполнена для любой температурной шкалы. Изменением резистора /?4 можно корректировать чувствительность схемы I_O/ Т, а подстраивая резистор в источнике тока I_PTAT можно установить начальную температуру для нулевого тока. __

ДТ с токовым выходом

Концепции, изложенные выше, служат основой для построения многих разновидностей интегральных схем датчиков температуры (ДТ). В зависимости от выходной величины различают датчики с выходом по току и датчики с выходом по напряжению. Примером ДТ с токовым выходом может служить AD592, имеющий коэффициент преобразования 1 мкА/°С (Рис. 5). Типовая схема включения этого ДТ приведена на Рис.5а, а график характеристики преобразования — на Рис.5б.

Рис. 5. Типовая схема включения датчика температуры AD592 (а) и характеристика преобразования (6)

Датчик изготавливается в трехвыводном корпусе ТО-92 и практически не требует внешней калибровки. При температуре +25°С датчик модели AD592CN имеет наименьшую абсолютную погрешность измерения температуры T— не более +0.5°С. В диапазоне рабочих температур —25°С...+125°С абсолютная погрешность не превышает +1°С. Для более точной настройки может быть использован подстроечный ре-зистор (R2 на схеме Рис. 5а). Этот ДТ может работать в широком диапазоне питающих напряжений — 4...30 В, однако точностные характеристики определены для напряжения 5 В, а его изменение влияет на точность измерения: коэффициент влияния нестабильности напряжения питания KSR составляет от 0.5°С/В при низких напряжениях и до 0,1^ОС/В при высоких, поэтому напряжение питания желательно поддерживать постоянным.

Другим примером токового ДТ может служить недорогой LM234. Это 3-выводной подстраиваемый источник тока с коэффициентом трансформации рабочего тока 10000:1 и простым регулированием тока, который устанавливается сопротивлением одного резистора. Микросхема работает в широком диапазоне питающего напряжения: 1...40 В. Модели LM234-3 и LM234-6 предназначены для преобразования температуры в ток. Начальная погрешность измерения температуры не превышает +3°С для LM234-3. Температурная чувствительность ИМС составляет +0.33%/°С. Токовые датчики идеальны для измерения температуры удаленных объектов, поскольку для их подключения требуется только два провода. Кроме того, сопротивление проводов, включенных последовательно с датчиком, не вносит заметной погрешности, так как крайне мало по сравнению с динамическим сопротивлением датчика, которое, например, при токе 100 мкА составляет 100 МОм.

То, что токовые ДТ имеют всего лишь два вывода, обеспечивая большую гибкость их применения. На Рис. 6 представлены три схемы с использованием токовых ДТ на AD592.__

Рис. 6. Различные схемы включения токовых ДТ для определения:

а — среднего значения температуры в трех точках пространства,

б — точки с минимальной температурой из трех контролируемых,

в — разности температур в двух точках

Если требуется определить среднее значение температуры в трех точках пространства можно применить схему на Рис. 6а. Здесь через резистор протекает сумма токов всех трех датчиков. Сопротивление резистора выбрано в три раза меньше, чем в типовой схеме с тем, чтобы обеспечить общую чувствительность по напряжению 1 мВ/°С.

На Рис. 6б представлена схема определения минимальной из температур в трех точках. Только тот из датчиков, температура которого наименьшая, будет работать в активном режиме. Два других перейдут в насыщенное состояние, поэтому их динамические сопротивления (а следовательно и падения напряжения на них) резко уменьшатся.

Наконец, на Рис. 6бв приведена схема для определения разности температур в двух точках. Точка соединения двух ДТ соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, имеющим нулевой потенциал. Ток I_DIB равный разности токов датчиков, создает на резисторе падение напряжения I_DIB R₂ пропорциональное разности температур. Резистор R₁ включен для компенсации начального разброса токов ДТ.