Brevet FR2571492A1 — publié le 19860411

La présente invention concerne, d'une manière générale, un détecteur de température et, plus particulièrement, un détecteur de température à semiconducteurs qui utilise la différence entre les tensions base-émetteur de transistors conjugués pour fournir un signal de sortie directement proportionnel à la température absolue. Dans la demande de brevet EtatsUnis NI 477 323 déposée le 7 Juin 1974 par Robert C. Dobkin pour un transducteur de tempéra- ture, on a décrit un détecteur de température qui utilise la dif- férence entre les tensions base-émetteur d'au moins deux transis- tors pour fournir un signal de sortie directement proportionnel à la température dans une échelle de température connue. On se réfè- rera à cette demande de brevet pour trouver un exposé des problè- mes associés aux détecteurs de température actuellement connus et aux transducteurs'utilisant de tels détecteurs. Un de ces problèmes concerne la nécessité de disposer d'un transducteur n'exigeant pas de câblage avec des emplacements éloi- gnés pour son alimentation en tension stabilisée, ni pour ampli- fier, étalonner ou traiter d'une autre manière, son signal de sor- tie avant que celui-ci puisse être utilisé pour la mesure ou la régulation. Comme on l'a également exposé dans la demande de bre- vet antérieure ci-dessus citée, il est également nécessaire de disposer d'un détecteur et d'un transducteur de température, dans lesquels la dissipation d'énergie est relativement faible. La ma- jorité des détecteurs de température actuellement disponibles ne peuvent pas être aisément incorpores à des systèmes de mesure et de régulation. En outre, les thermocouples ont des signaux de sor- tie relativement faibles difficiles à amplifier avec un degré de stabilité appréciable. De plus, les thermocouples exigent une com- pensation de jonction froide. Les détecteurs à résistances et à thermistances sont non linéaires et sensibles à l'excitation. Un autre inconvénient de ces détecteurs réside en ce que leurs si- gnaux de sortie ne sont en relation directe avec aucune échelle de température connue. Le détecteur de température décrit dans la demande de brevet antérieure ci-dessus citée utilise la différence entre les ten- sions base-émetteur de transistors pour engendrer un signal de sortie proportionnel à la température. Un tel signal de sortie ne peut être obtenu que si le rapport entre la densité de courant de l'un des transistors et la densité de courant de l'autre transis- 2 2571492' tor est maintenu constant en présence de variations de températu- re. Un nombre relativement grand de composants et, en particulier, de transistors conjugués, sont nécessaires pour maintenir ce rap- port de densités de courant constant en dépit de variations de température. Le détecteur décrit dans la demande de brevet préci- tée est, en outre, difficile à étalonner. De plus, il est nécessai- re que le circuit de ce détecteur présente un gain en courant re- lativement élevé pour qu'on obtienna les résultats désirés. En plus des inconvénients énumérés ci-dessus des détecteurs de température antérieurs connus, on a besoin d'un détecteur de température autonome dipôle, c'est-à-dire à deux bornes n'exigeant que deux fils pour son alimentation en énergie et capable de four- nir à un emplacement éloigné une indication de la température dé- tectée. En outre, on a besoin d'un détecteur de température facile à ajuster ou à étalonner et capable de fournir un signal de sortie linéaire et en relation directe avec une échelle de température connue. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a, notamment, pour objet de créer un détecteur de température: - fournissant un signal de sortie directement proportionnel à la température et en relation directe avec une échelle de tempéra- ture connue; - n'utilisant qu'un nombre relativement petit de composants pour engendrer un signal de sortie directement proportionnel à la température; - ne consommant que relativement peu d'énergie; - pouvant 8tre aisément ajusté ou étalonné pour produire un signal de sortie linéaire et en relation directe avec une échelle de température connue. Un autre but de l'invention est de créer un détecteur de tem- pérature autonome à deux bornes. Pour atteindre ces buts et d'autres encore, l'invention pré- voit un détecteur de température utilisant une paire de transis- tors montés en série avec une source de courant, un amplificateur différentiel pour amplifier la différence entre les tensions aux bornes de ces transistors et un circuit diviseur de tension con- necté à une sortie de l'amplificateur et ayant de son c6té une première sortie reliée à la base de l'un des transistors et une seconde sortie reliée à la base de l'autre transistor. En raison de la boucle de réaction qui est formée par le circuit diviseur de 3 2571492 tension branché entre une sortie de l'amplificateur différentiel et les transistors, le signal de sortie de l'amplificateur varie dans un sens tendant à déterminer une différence nulle entre ses entrées. Lorsqu'une telle différence nulle est présente, le signal de sortie de l'amplificateur différentiel se stabilise, et ce si- gnal de sortie est proportionnel à la température dans une échelle de température connue. Par un étalonnage approprié, on peut obte- nir une lecture directe. Lorsque les signaux d'entrée de l'ampli- ficateur différentiel sont égaux, les densités de courant des deux transistors restent constantes en présence de variations de température. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu une source de courant capable de fournir une tension d'alimentation aux transistors et un circuit de sortie capable, en réponse au si- gnal de sortie de l'amplificateur différentiel, de faire varier cette tension d'alimentation, de manière à produire sur les con- ducteurs de tension d'alimentation un signal de sortie variant en raison directe de la température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée qui suit et à l'examen des dessins Joints qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation. Sur ces dessins: - la figure 1 est un schéma de câblage d'un détecteur de tem- pérature construit suivant les principes de l'invention; - la figure 2 est un schéma de câblage d'un détecteur de tem- pérature à deux bornes construit suivant les principes de l'inven- tion; - la figure 3 est un schéma de câblage d'un second mode de réalisation d'un détecteur de température à deux bornes suivant l'invention; - la figure 4 est un schéma de câblage d'un troisième mode de réalisation d'un détecteur à deux bornes suivant l'invention. Comme représenté sur la figure 1, une paire de bornes 10 et 12 sont branchées sur une source de tension (non représentée). Deux résistances 14 et 16 sont montées chacune entre la borne 10 et le collecteur de l'un des transistors 18 et 20. Les collecteurs respectifs des transistors 18 et 20 sont reliés chacun à l'une des entrées d'un amplificateur différentiel 22, de façon que la diffé- rence entre les tensions respectives régnant aux bornes-des tran- 4 25714t2 sistors 18 et 20 soit appliquée entre les entrées de l'amplifica- teur 22. Cette différence de tension est, en outre, égale à la différence entre les tensions aux bornes des résistances 14 et 16. Les émetteurs des transistors 18 et 20 sont connectés, par l'in- termédiaire d'une résistance 24 qui se comporte comme un généra- teur de courant, à la borne 12. A la sortie de l'amplificateur 22 est branché un conducteur 26, qui alimente un circuit diviseur de tension 28 formé de résis- tances 30, 32 et 34. L'un des côtés de la résistance 32 est con- necté à la base du transistor 18, et son autre côté est relié à la base du transistor 20, de sorte que la différence entre les ten- sions base-émetteur des transistors 18 et 20 apparaît aux bornes de la résistance 32. En conséquence, cette tension-différence est, à la tension de sortie de l'amplificateur 22, ce que la valeur de la résistance 32 est à la valeur de la résistance totale du divi- seur de tension 28. Le diviseur de tension 28 et les transistors 18 et 20 forment une boucle de réaction pour l'amplificateur différentiel 22, de sorte que celui-ci fonctionne en amplificateur opérationnel. En conséquence, si une différence de tension nulle existe entre les entrées de l'amplificateur 22, son signal de sortie reste fixe. Par contre, si une différence de tension non nulle existe entre les entrées de l'amplificateur 22, son signal de sortie varie dans un sens, et jusqu'à une valeur propres à provoquer une va- riation de cette différence d'entrée jusqu'à ce qu'elle prenne une valeur nulle (en supposant que l'amplificateur 22 soit parfait; Dans les conditions de repos, les transistors 18 et 20 sont alimentés avec des densités de courant différentes, soit en ren- dant différente leurs courants de collecteur respectifs lorsque leurs aires d'émetteur respectives sont égales entre elles, soit en rendant leurs aires d'émetteur différentes si leurs courants de collecteur respectifs doivent être égaux entre eux, ou encore en combinant ces deux techniques. La différence entre les tensions base-émetteur des transistors 18 et 20 est en relation avec la température de la manière indiquée par l'expression suivante: kT J1 Vbe = q ln ', o Vbe est la différence entre les tensions base-émetteur des transistors 18 et 20, k, la constante de Boltzmann, T, la tempéra- 2571492 ture absolue en degrés Kelvin et q, la charge d'un électron, et o J1 et J2 sont les densités de courant des transistors 18 et 20, respectivement. Lorsque les transistors 18 et 20 sont alimentés avec des densités de courant différentes, les coefficients de température de leurs tensions base-émetteur sont différents. En conséquence, si la différence entre les tensions base-émetteur des transistors 18 et 20 est maintenue constante en présence de variations de température, leurs courants de collecteur varient, l'un d'eux variant davantage que l'autre. En supposant que les aires d'émetteur des transistors 18 et soient différentes et que les résistances 14 et 16 soient de même valeur, lorsque la tension de sortie de l'amplificateur 22 est égale à la tension de la borne 12, les tensions base-émetteur des transistors 18 et 20 sont nulles et le courant de collecteur de celui de ces transistors qui a la plus petite aire d'émetteur croît initialement jusqu'à une valeur supérieure à celle du cou- rant de collecteur de l'autre transistor. Il en résulte une dif- férence entre les chutes de tension à travers les résistances 14 et 16, qui produit une différence de tension aux entrées de l'am- plificateur 22. En conséquence, le signal de sortie de l'amplificateur 22 va- rie dans un sens et jusqu'à une valeur propres à produire une chu- te de tension à travers la résistance 32, ce qui polarise les transistors 18 et 20 avec des tensions base-émetteur différentes. Cette variation se poursuit jusqu'à ce qu'une différence nulle apparaisse entre les entrées de l'amplificateur 22. Lorsqu'une telle différence nulle existe, les courants de collecteur des transistors 18 et 20 sont égaux et la différence entre leurs ten- sions base-émetteur qui apparalt aux bornes de la résistance 32 est directement proportionnelle à la température, comme exprimé par l'équation ci-dessus. Etant donné que l'amplificateur opéra- tionnel maintient les courants de collecteur des transistors 18 et 20 égaux entre eux dans les conditions de repos, le rapport entre leurs densités de courant reste constant en présence de variations de température. En conséquence, la chute de tension à travers la résistance 32 dans les conditions de repos est direc- tement proportionnelle à la température en présence de variations de température. Le rapport entre la valeur ohmique de la résis- tance 32 et laésistance totale du circuit diviseur 28 est étalon- né de telle manière que, lorsque la différence de tensions base- 6 27s émetteur convenable apparaft aux bornes de la résistance 32, le signal de sortie de l'amplificateur 22 corresponde à la tempéra- ture dans une échelle de température connue. Si les aires d'émetteur des transistors 18 et 20 sont égales mais si, par contre, les résistances 14 et 16 ont des valeurs dif- férentes dans les conditions de repos, les courants de collecteur des transistors 18 et 20 sont inégaux. Toutefois, lorsque la ten- sion de sortie de l'amplificateur 22 est égale à la tension de la borne 12, les tensions base-émetteur des transistors 18 et 20 sont nulles, ce qui rend égaux les courants de collecteur de ces tran- sistors. En conséquence, les chutes de tension à travers les ré- sistances 14 et 16 sont inégales. Cette différence entre les ten- sions aux bornes des résistances 14 et 16 fait varier le signal de sortie de l'amplificateur 22 dans un sens, et jusqu'à une va- leur, qui provoquent une variation des courants de collecteur des transistors 18 et 20, jusqu'à ce que les chutes de tension à tra- vers lés résistances 14 et 16 deviénnent égales entré elles.-Lors-: que le circuit prend cet état, le signal de sortie de l'amplifica- teur 22 est en relation directe avec la température dans une échel- le de température connue. On va maintenant considérer la condition générale qui est remplie lorsque le circuit a fonctionné à une température particu- lière et s'est stabilisé; dans cette condition, un changement de température provoque une modification des courants de collecteur des transistors 18 et 20 en raison de leurs coefficients de tempé- rature. Si les transistors 18 et 20 fonctionnent avec des densités de courant différentes suivant une quelconque des techniques men- tionnées ci-dessus, l'un des courants de collecteur varie davanta- ge que l'autre en présence d'un tel changement de température. Etant donné que les aires d'émetteur des transistors sont fixes, le rapport entre leurs densités de courant reste constant si le rapport entre leurs courants de collecteur reste constant. Or, le rapport entre les courants de collecteur reste effectivement cons- tant, étant donné que les chutes de tension à travers les résis- tances 14 et 16 sont rendues égales entre elles sous l'action de l'amplificateur opérationnel, qui excite les transistors jusqu'à ce qu'une différence nulle existe aux entrées de l'amplificateur différentiel 22. En conséquence, l'amplificateur opérationnel fait varier la différence entre les tensions base-émetteur des transis- tors 18 et 20 jusqu'à ce que les chutes de tension à travers les 7 2571492 résistances 14 et 16 deviennent égales entre elles, ce qui main- tient constants le rapport entre leurs courants de collecteur et le rapport entre leurs densités de courant. En conséquence, cette différence de tensions base-émetteur est directement proportionnel le à la température, conformément à l'équation ci-dessus. Il est à noter qu'un changement à la sortie de l'amplifica- teur 22 provoque une modification de la tension base-émetteur du transistor 20 plus grande que celle qui est produite dans la ten- sion base-émetteur du transistor 18. En conséquence, si un chan- lO gement de température se produit et fait augmenter le courant de collecteur du transistor 20 davantage que celui du transistor 18, le signal de sortie de l'amplificateur décroit en provoquant un abaissement de la tension base-émetteur du transistor 18 plus im- portant que l'abaissement résultant de la tension base-émetteur du transistor 20. Comme représenté sur la figure 2, le détecteur de températu- re reçoit une tension d'alimentation d'une source de courant 36 qui comprend une source de tension 38 et une-résistance 40. La sortie de l'amplificateur 22 est connectée à la base d'un transis- tor 42, qui reçoit la tension d'alimentation appliquée aux bornes et 44. Le diviseur de tension 28 reçoit également la tension d'alimentation. Lorsque la charge de la source de courant varie, l'alimentation en tension varie également. En conséquence, au lieu de l'application directe du signal de sortie de l'amplificateur 22 au diviseur de tension 28 comme dans le montage de la figure l, ce signal de sortie est transmis au transistor 42 pour faire varier la tension appliqués au diviseur 28 et, par conséquent, la tension engendrée aux bornes de la résistance 32. Contrairement à ce- qui se passait dans le mode de fonctionne- ment du montage représenté sur la figure l, si le courant de col- lecteur du transistor 20 croit davantage que le courant de collec- teur du transistor 18 en réponse à un changement de température, le signal de sortie de l'amplificateur 22 augmente d'intensité, ce qui provoque un accroissement correspondant du courant traversant le transistor 42 et un abaissement de la tension aux bornes 43 et 44. Cette réduction de l'alimentation en tension entraîne une ré- duction correspondante de la chute de tension à travers la résis- tance 32. Cet abaissement de la tension aux bornes de la résistan- ce 32 provoque une réduction de la tension base-émetteur du tran- sistor 20 plus grande que la réduction résultante de la tension baseémetteur du transistor 18. En conséquence, le courant de 8 2571492 collecteur du transistor 20 est réduit davantage que le courant de collecteur du transistor 18 sous l'action de l'amplificateur opérationnel, de manière à maintenir constant le rapport des cou- rants de collecteur. Toutefois, au cours de cette période transi- toire, le signal de sortie de l'amplificateur 22 a augmenté d'in- tensité et l'alimentation en tension des bornes 43 et 44 a été réduite pour fournir une indication du changement de température. le diviseur de tension est étalonné de telle manière que la ten- sion aux bornes 43 et 44, qui est proportionnelle à la tension aux bornes de la résistance 32 soit en relation directe avec la température dans une échelle de température connue. On voit donc que le montage représenté sur la figure 2 est un détecteur de température autonome à deux bornes, dans lequel la tension est appliquée aux memes bornes que celles sur lesquelles on obtient l'indication de température. Le montage de la figure 3 diffère de celui de la figure 2 par la substitution de transistors 45 et 46 aux transistors 18 et , respectivement, et par la substitution de résistances 52 et 54 et d'un potentiomètre 56 à la résistance 24. Les transistors 45 et 46 sont munis chacun de deux émetteurs. Les émetteurs 48 et du transistor 45 ont des aires inégales, tandis que les aires respectives des émetteurs du transistor 46 sont égales entre elles. Si le circuit de la figure 3 est un circuit monolithique, le po- tentiomètre 56 est extérieur à ce circuit. La détection de tempé- rature et l'indication de température sont les mêmes que dans le cas du circuit représenté sur la figure 2. Toutefois, le circuit de la figure 3 peut être étalonné par un réglage du potentiomètre 56. Lorsque ce potentiomètre est à sa position médiane, des cou- rants de collecteur égaux entre eux traversent les émetteurs 48 et 50. Les courants traversant les émetteurs du transistor 46 sont eux aussi égaux entre eux. Par contre, lorsque le potentiomètre 56 est réglé à une position différente de sa position médiane, des courants inégaux traversent les émetteurs 48 et 50 ainsi que les émetteurs du transistor 46. Etant donné que les émetteurs du tran- sistor 46 ont la même aire, la densité de courant de ce transistor reste la même. Par contre, en raison de l'inégalité des aires des émetteurs 48 et 50, la densité de courant du transistor 45 est mo- difiée avec un tel réglage du potentiomètre 56. En conséquence, le potentiomètre 56 permet d'ajuster le rapport entre la densité de courant de l'un des transistors et la densité de courant de l'au- 9 2571i492 tre. On peut voir d'après l'équation ci-dessus qu'un tel réglage permet un étalonnage de la différence entre les tensions base- émetteur des transistors 45 et 46 et, par conséquent, du signal de sortie apparaissant entre les bornes 43 et 44. Les résistances internes 52 et 54 produisent un coefficient de température indésirable. Le montage représenté sur la figure 4 utilise des sources de courant transistorisées au lieu des résis- tances 52 et 54 pour éliminer cette caractéristique indésirable. Plus précisément, un transisbr 58, dont le collecteur et la base sont interconnectés, est monté en série avec une résistance 59 aux bornes de la source de tension. Un transistor 60 est monté entre un premier émetteur de chacun des transistors 45 et 46 et une bor- ne 64, et un transistor 62 est monté entre le second émetteur de chacun des transistors 45 et 46 et une borne 68. Un potentiomètre 70 a son curseur connecté à une borne 72 et est branché entre les bornes 64 et 68, de sorte que les courants traversant les tran- sistors 60 et 62 peuvent être ajustés l'un par rapport à l'autre. Si la densité de courant du transistor 58 est différente des den- sités de courant des transistors 60 et 62, la différence entre leurs tensions base-émetteur apparaît entre des points correspon- dants du potentiomètre 70. En conséquence, si le potentiomètre est réglé à sa position médiane, le courant traversant le transis- tor 60 est égal à celui qui traverse le transistor 62. Dans ces conditions, le courant traversant l'émetteur 48 est égal au cou- rant traversant l'émetteur 50. Par contre, un déplacement du po- tentiomètre par rapport à sa position médiane provoque un désé- quilibre de ces courants, de sorte que la densité de courant du transistor 45 peut 9tre ajustée. Etant donné que la tension aux bornes du potentiomètre 70 est proportionnelle à la température, conformément à l'équation ci-dessus, et étant donné que les cou- rants qui engendrent cette tension traversent les transistors 45 et 46, les sources de courant n'affectent pas la relation entre les courants de collecteur de ces transistors et la variation de température. Dans un mode de réalisation pratique de l'invention, on a utilisé les valeurs suivantes pour les différentes résistances Résistances 14, 16 et 24....... ....... 20 kilohms Résistances 30 et 34................... 25 kilohms Résistance 32.......................... 1 kilohm..DTD: -257149Z En outre, dans ce mode de réalisation pratique, le transis- tor 18 présente une aire d'émetteur dix fois plus grande que celle du transistor 20. L'aire de l'émetteur 48 est onze fois plus gran que les aires d'émetteur du transistor 46 et l'aire de l'émetteur 50 est neuf fois plus grande que les aires d'émetteur du transis- tor 46. l 2571492 REVENDICATIONS 1. Détecteur de température, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de transistors fonctionnant avec des densités de courant différentes, des moyens d'amplification de la différence entre la tension aux bornes d'un premier desdits transistors et la tension aux bornes du second, et des moyens d'alimentation capables, en réponse à un signal de sortie desdits moyens d'amplification, de fournir une tension proportionnelle à ce signal de sortie entre les bases respectives desdits transistors. 2. Détecteur de température suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens d'amplification comprennent un am- plificateur différentiel muni d'une paire d'entrées connectées chacune à l'un des côtés du circuit collecteur-émetteur de l'un des transistors. 5. Détecteur de température suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent un divi- seur de tension connecté à une sortie des moyens d'amplification, la base dudit premier transistor étant reliée à une des sorties dudit diviseur de tension et la base du second transistor étant reliée à une autre sortie de ce diviseur. 4. Détecteur de température suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une paire de résistances montées chacune en série avecle circuit collecteur-émetteur de 1' un des transistors. 5. Détecteur-de température suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce que lesdites résistances ont la même valeur et en ce que les aires d'émetteur desdits transistors sont différentes. 6. Détecteur de température suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce que les valeurs ohmiques desdites résistances sont inégales, et en ce que les aires d'émetteur desdits transis- tors sont égales entre elles. 7. Détecteur de température suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une source de courant connectée aux circuits collecteur-émetteur des transistors et en ce que les moyens d'alimentation comprennent un troisième transis- tor et un diviseur de tension montés en parallèle entre eux et avec les circuits collecteur-émetteur des transistors, la base du troisième transistor étant connectée à une sortie des moyens d' amplification. 8. Détecteur de température suivant la revendication 7, ca- 12 2571492 ractérisé en ce que chacun des transistors comporte une paire de circuits collecteur-émetteur, l'aire d'émetteur de l'un des cir- cuits collecteur-émetteur du premier transistor étant différente de l'aire d'émetteur de l'autre circuit collecteur-émetteur dudit premier transistor. 9. Détecteur de température suivant la revendication 8, ca- ractérisé en ce que les moyens d'amplification comprennent un am- plificateur différentiel muni d'une paire d'entrées connectées chacune à l'un des c8tés du circuit collecteur-émetteur de l'un des transistors. 10. Détecteur de température suivant la revendication 9, ca- ractérisé en ce que l'autre côté d'un premier des circuits col- lecteur-émetteur du premier transistor est connecté à l'autre c8- té d'un premier des circuits collecteur-émetteur du second tran- sistor,et en ce que l'autre côté du second circuit collecteur-émet- teur du premier transistor est connecté à l'autre c8té du second circuit collecteur-émetteur du second transistor,le détecteur com- prenant,en outre,un potentiomètre branché entre ledit autre côté desdits premiers circuits collecteur-émetteur et ledit autre côté desdits seconds circuits collecteur-émetteur. 11. Détecteur de température dip8le, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de bornes, une source de courant branchée entre ces bornes, des moyens de détection montés entre lesdites bornes pour détecter la température et fournir un signal de sortie propor- tionnel à la température, et un transistor dont le collecteur et l'émetteur sont reliés chacun à l'une desdites bornes et dont la est base/connectée à la sortie desdits moyens de détection, de façon que la tension régnant entre lesdites bornes soit directement pro- portionnelle à la température. 12. Détecteur de température suivant la revendication 11, ca- ractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent une psae de transistors, une paire de résistances montées chacune en série avec l'un desdits transistors entre les bornes précitées, un amplificateur différentiel muni d'une paire d'entrées connec- tées chacune au circuit collecteur-émetteur de l'un des transis- tors et fournissant le signal de sortie précité proportionnel à la température, et un diviseur de tension branché entre lesdites bor- nes et comportant une paire de sorties connectées chacune à la base de l'un des transistors.