|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100
Устройство для измерения температуры с транзисторным измерительным преобразователем.
Принцип измерения температуры основан на использовании отрицательного температурного коэффициента кремниевого диода. На определенном участке его вольт-амперной характеристики изменение напряжения на диоде составляет — 2 мВ на 1°С (рис. 10.1).
Особенно стабильно это свойство проявляется на полупроводниковом переходе транзистора, работающего в режиме диода (рис. 10.2).
Рис 10.1. Схема включения полупроводникового диода в качестве измерительного преобразователя температуры
Рис. 10.2. Схема включения биполярного транзистора в качестве измерительного преобразователя температуры
Рассмотрим особенность работы такого преобразователя и попробуем его использовать для измерения температуры дома, в автомобиле и т.д.
В качестве измерительного преобразователя (датчика) полупроводниковый переход можно применять для контроля температуры в холодильнике, для оповещения о пожаре в системе пожарной сигнализации.
Теперь познакомимся с температурным коэффициентом. Как, например, изменяется вольт-амперная характеристика р—n -перехода при изменении температуры на 45°С? Ответ на этот вопрос можно получить из рис. 10.3, на котором приведены характеристики р—n -переходов для температур — 20 и +60° С. Для наших экспериментов можно использовать диод типа 1N4148, а его вольт-амперную характеристику снять и записать на специальном приборе. При этом можем убедиться в том, что изменение температуры приводит к смещению характеристики диода вдоль оси абсцисс.
Рис. 10.3. Изменение вольт-амперных характеристик полупроводникового диода в зависимости от температуры: 1 - 65°С; 2 - 20°С
Рис. 10.4. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода типа 1N4148 (1) и биполярного транзистора типа ВС108 (2)
Из полученных кривых очевидно, что при токе через диод 400 мА и температуре 20° С напряжение на диоде составляет 0,7 В. При увеличении температуры на 45° С напряжение уменьшается на 90 мВ. Поделим 90 мВ на 45°С и получим обещанные 2 мВ на 1°С.
Рассмотрим теперь схему включения диода, в которой для уменьшения тепловых потерь и нагрева диода ток уменьшается до 100 мА при сохранении указанного выше свойства р-n -перехода. В этом случае возникает одна проблема, связанная с тем, что в области малых токов характеристика имеет меньшую крутизну и к тому же является нелинейной. Поэтому лучше использовать р-n -переход транзистора, что подтверждается его вольт-амперной характеристикой.
На рис. 10.4 для сравнения приведены характеристики диода типа 1N4148 и транзистора типа ВС 108. Кривая транзистора в области малых токов имеет большую крутизну, таким образом, реализованный на нем измерительный преобразователь будет иметь большую чувствительность, для повышения которой следует выбрать транзистор с высоким коэффициентом усиления по току и малым обратным током. Для этой цели годится транзистор типа ВС108С или ВС109С. Благодаря такой характеристике транзисторы этого типа часто используются в качестве защитных диодов во входных цепях различных электронных устройств, поскольку при напряжении около 0,5 В они практически не оказывают влияния на входное сопротивление устройства, к которому подключаются.
После того как мы убедимся, что в интересующем нас диапазоне температур (от —10 до +100° С) р—n -переход транзистора обеспечивает приращение напряжения на нем —2мВ на 1°С, остается ответить на вопрос — каким образом и с помощью чего можно оценить подобное изменение напряжения? Конечно же, для этой цели следует применять магнитоэлектрический микроамперметр с линейной шкалой в диапазоне от 0 до 10. Технические данные таких приборов указываются в их паспорте. Нас интересуют ток Ie прибора при крайнем правом положении стрелки; напряжение Ue в том же ее положении, а также сопротивление катушки. Нам нужен прибор с Ue = 0,1- 1,0 В, Ie = 0,1-5-1,0 мА. Длина шкалы должна быть по возможности наибольшей, чтобы точнее отсчитывать показания.
Теперь вернемся к тем милливольтам, которые нам удалось получить на р—n -переходе транзистора. Этот сигнал необходимо усилить, прежде чем подать его на наш измерительный прибор. Идеальным средством для решения поставленной задачи является операционный усилитель типа 741.
На рис. 10.5,а приведена принципиальная схема устройства для измерения температуры. Транзистор, выполняющий функцию измерительного преобразователя, включен в мостовую схему, напряжение с диагонали которой подается на вход операционного усилителя. С помощью последнего сигнал в несколько милливольт усиливается до значения, достаточного для работы измерительного прибора. На рис. 10.5в мостовая измерительная схема приведена отдельно, буквами а и b на ней обозначена диагональ, в которую включен операционный усилитель.
Рис. 10.5. Принципиальная схема устройства для измерения температуры (а), измерительная цепочка (б) и мостовая схема (в) : Т - датчик
Особо следует обратить внимание на недопустимость перегрузки транзистора — измерительного преобразователя, которая может привести к его нагреву, а это, в свою очередь, скажется на увеличении погрешности измерения температуры окружающей среды. Поэтому ток через переход база—эмиттер транзистора должен быть не более 0,5 мА. Это обеспечивается включением в одно из плеч моста резистора сопротивлением 12 кОм, падение напряжения на котором (6,8 В) за вычетом падения напряжений (0,6 В) на р—n -переходе составляет 6,2 В. Ток через указанный резистор и р—n -переход транзистора
Мощность потерь на транзисторе 0,5 мА*0,6 В = 300 мкВт.
Нам также не следует забывать о температурной нестабильности мостовой схемы. Если элементы этой схемы подвержены колебаниям температуры, то все входящие в нее резисторы должны иметь по возможности одинаковое значение температурного коэффициента сопротивления, т.е. необходимо использовать однотипные резисторы. Целесообразно применять резисторы, изготовленные из металлизированной ленты.
Параметры потенциометров Р2 и Р3 также следует очень тщательно подбирать, причем значения их сопротивлений должны быть даже меньше, чем указано на рис. 10.5, поскольку балансировку мостовой схемы можно осуществлять путем подбора сопротивлений. резисторов R1 и R2. Потенциометры Р1 и Р2 должны быть выполнены в керамическом корпусе.
Теперь о диапазоне измеряемых температур. Для рассмотрения этого вопроса выберем на шкале измерительного прибора точку 0,8 В (при этом ток равен 0,2 мА), что соответствует диапазонам измерения напряжения Ue и тока Ie. Измерительная цепочка расположена на рис. 10.5,a между точками A и В. В принципе потенциометр Р1 вводить в схему необязательно (рис. 10.5, б). Однако без него можно повредить измерительный прибор, особенно если он имеет высокую чувствительность, например когда Ue = 0,1 В. В этом случае целесообразно вместо потенциометра Р1 включать токоограничительный резистор, не позволяющий отклоняться стрелке прибора далее значений 0,7—1,0 В.
Задавшись напряжением Ue = 0,8 В, можно определить коэффициент усиления операционного усилителя
Kус=R3/(R1 + R2)
Для вычисления параметров элементов, определяющих диапазон измеряемых температур, рассмотрим некоторые примеры расчета.
Риc. 10.6. Температурные шкалы для диапазонов температур от 0 до 40°С (а); от 0 до 60°С (б) ; от 0 до 100°С (в); от -15 до +45°С (г); от 30 до 45°С (д)
Пример 1. На рис. 10.6,а приведена шкала температур от 0 до 40°С, соответствующая линейной шкале 0—10 измерительного прибора. Изменение температуры на 40° С приведет к изменению напряжения на преобразователе (транзисторе) на 2мВ/°С*40°С = 80 мВ. Эти 80 мВ на входе операционного усилителя должны быть на его выходе доведены до 800 мВ (мы выбрали напряжение выше Ue = 0,8 В) и поданы затем на измерительный прибор. Легко видеть, что в этом примере коэффициент усиления операционного усилителя Кус = 800 мВ/80 мВ = 10.
При Р3 = 1 МОм имеем R1 + R2 = R3/Kyc = F = 1 МОм/10 = 100 кОм.
Регулировка схемы осуществляется следующим образом. Сначала транзистор помещают в металлическую герметичную капсулу (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Монтаж измерительного преобразователя в герметичную капсулу:
1 - выводы преобразователя; 2 - герметичная заливка двухкомпонентным клеем; 3 -транзистор -измерительный преобразователь
Два вывода транзистора выводят из капсулы, изолируют и включают в мостовую схему. Затем капсулу с транзистором опускают в воду со льдом и с помощью потенциометра стрелку прибора устанавливают в нуль. Оптимальное положение движка потенциометра Р3, обеспечивающее возможность регулирования в обе стороны, устанавливают путем подбора сопротивления резистора R2. Затем капсулу с транзистором следует извлечь из воды и положить в непосредственной близости с элементами мостовой схемы.
Через некоторое время, когда температура капсулы сравняется с температурой элементов мостовой схемы, с помощью потенциометра Р2 следует установить стрелку прибора на деление 23° С по соответствующей шкале на рис. 10.6, а. После этого можно считать, что наше устройство настроено или проверено. В случае необходимости описанную процедуру следует повторить. Перед началом измерения устройство рекомендуется около 30 мин "выдержать" во включенном состоянии.
Пример 2. В соответствии с рис. 10.6, б рассмотрим диапазон измеряемых температур от 0 до 60°С. Изменение температуры в этом диапазоне дает напряжение 2мВ/°С*60°С = 120 мВ, снимаемое с измерительного преобразователя. Коэффициент усиления операционного усилителя. Кус = 800/120 = 6,66, тогда F = 1/6,66 = 150 кОм.
Настройка устройства осуществляется также, как и в примере 2.
Пример 3. В соответствии с рис. 10.6 диапазон измерения температур составляет от 0 до 100° С. Он может быть применен при определении температуры нагрева различных элементов электронных схем. Указанному диапазону температур соответствует напряжение на входе усилителя, равное 2 мВ/°С*100°С = 200 мВ. Коэффициент усиления операционного усилителя Кус = 800/200 = 4 и F = 1/4 = 250 кОм. Для настройки устройства при t = 100°С используем кипящую воду.
Пример 4. Приведенный на рис. 10.6,г шкала температур можно использовать в устройстве контроля температуры в помещениях различного назначения, а также для предупреждения о начале обледенения ветрового стекла автомобиля. Здесь точка 0 °С находится внутри шкалы. Разность температур между крайними делениями шкалы (—15 и +45° С) по аналогии с примером 2 составляет 60°С. Точка 0°С устанавливается так, как было описано ранее, т.е. используется вода со льдом. Нулевой температуре соответствует значение 2,5 на линейной шкале прибора. В качестве второй точки выбираем 22°С (комнатную температуру) и с помощью потенциомехра Р2 устанавливаем стрелку прибора на деление, соответствующее 22° С. Процесс настройки по двум точкам температурного диапазона можно повторить.
Пример 5. Приведенная на рис. 10.6,д шкала может быть использована в устройстве измерения температуры человеческого тела (от 30 до 45°С). Здесь перепад крайних значений температур составляет 15°С. Ему соответствует напряжение на транзисторе, равное 30 мВ, и коэффициент усиления Kус = 800/30 = 26,6. Тогда F = 1/26,6 = 37,6 кОм. Настройку можно проводить с помощью сосуда с подогреваемой водой или фена. Посредством потенциометра Р3 устанавливают стрелку прибора на первое деление шкалы при t = 30°С, а с помощью потенциометра Р2 при t - 45°С — на последнее деление шкалы. Процесс настройки, описанный в предыдущих примерах, сохраняется.
Для первого раза рекомендуем суммарное сопротивление F= R1 + Р2 подобрать с помощью омметра. При Ue= 0,8 В целесообразно использовать сочетания R1 и Р2, приведенные в табл. 10.1 для рассмотренных примеров.
Таблица 10. 1. Рекомендуемые значения сопротивлений R1 и Р2
Несколько слов о самом устройстве. В нем используется транзистор типа ВС108С или ВС109С. При большой длине выводов транзистора, расположенного в капсуле (рис. 10.7), их необходимо экранировать. Отверстия для проводов в капсуле должны быть герметичными во избежание попадания в нее влаги и увеличения переходного сопротивления в местах пайки проводов к выводам транзистора. Такое уплотнение обеспечивается путем заливки указанных отверстий с проводами двухкомпонентным клеем. Можно также для этой цели использовать лак.
Мы, конечно, не забыли о температурном дрейфе транзистора, следствием которого является перемещение рабочей точки вольт-амперной характеристики р—n-перехода. Специалисты в этих случаях принимают особые меры для устранения температурного дрейфа, а следовательно, и температурной нестабильности р-n -перехода. Но даже для них эта задача оказывается не из легких.
Приложение.
Отечественные аналоги зарубежных изделий электронной техники
|
