УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно, к преобразователям температуры в электрический сигнал и может быть использована в различных устройствах, требующих измерения температуры.
Известно устройство, содержащие транзисторную структуру в диодном включении, используемую в качестве температурного датчика, и усилитель сигнала (датчики температуры типа LM3911, LM50, LM60 фирмы National Semiconductor, www.national.com). Низкая чувствительность используемого в устройстве датчика, порядка 40 мкВ/°С, требует его использования совместно с усилителем, что усложняет устройство. Известно также устройство для измерения температуры, содержащее транзисторную структуру, включенную по схеме с общей базой, и два генератора токов, обеспечивающих электрический режим работы транзисторной структуры при измерениях (см. авторское свидетельство СССР №361398, кл. G01k 7/22, 1973, (прототип).
[Введите текст]
Сложность применения и недостаточная чувствительность являются недостатками устройства.
Технический результат, упрощение использования и повышение чувствительности устройства, достигается введением третьего генератора тока, нагрузочного и измерительного резисторов, причем, первый вывод измерительного резистора подключен к коллекторному выводу транзисторной структуры и выходу второго генератора тока, а второй - к выходу третьего генератора тока и первому выводу нагрузочного резистора, второй вывод нагрузочного резистора соединен с базой транзисторной структуры и положительным полюсом третьего генератора тока, а транзисторная структура содержит транзисторы группы, база первого транзистора группы является базой транзисторной структуры, а база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, коллектор последнего транзистора группы является коллектором транзисторной структуры, эмиттеры всех транзисторов группы соединены и являются эмиттером транзисторной структуры.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства, на фиг.2 - принципиальная схема варианта его практического исполнения, а на фиг.3 представлено семейство выходных вольтамперных характеристик п-р-п транзистора, поясняющих принцип работы устройства.
Устройство содержит транзисторную структуру 1, первый генератор тока 2, второй генератор тока 3 и третий генератор тока 4, нагрузочный резистор 5 и измерительный резистор 6. Транзисторная структура 1 представляет собой транзисторы группы, включенные по схеме составного транзистора, т.е. база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, а их эмиттеры объединены. Первый генератор тока 2 подключен к эмиттерной, а генератор тока 3 - к коллекторной цепям транзисторной структуры 1. Полярность подключения генераторов токов 2 и 3 такова, что обеспечивает прямое включение всех р-п - переходов транзисторной структуры 1, как эмиттерных, так и коллекторных. Третий генератор тока 4 подключен к нагрузочному резистору 5 с той же полярностью, что и первый и второй генераторы токов 2 и 3. Измерительный резистор 6 включен между нагрузочным резистором 5 и коллектором транзисторной структуры 1. Таким образом, измеряемым параметром схемы является прямое падение напряжения на коллекторных р-п - переходах транзисторной структуры.
В схеме практической реализации устройства (см. фиг.2) транзисторная структура 1 выполнена на двух транзисторах V4 и V5, первый, второй и третий генераторы токов 2-4 представляют собой классические стабилизаторы токов на транзисторах V1-V3 соответственно. Источник опорного напряжения стабилитрон V6 и резистор R6 являются общими для всех трех стабилизаторов. Резисторы R1, R3 и R5 являются токозадающими для третьего, второго и первого генераторов токов 4-2, соответственно. Резистор R2 является нагрузочным резистором 5 устройства, а резистор R4 - измерительным резистором 6.
Устройство работает следующим образом.
Первый генератор тока 2 формирует прямые токи р-п - переходов эмиттер-база транзисторов группы транзисторной структуры 1. Второй генератор тока 3 формирует прямой ток р-п - переходов коллектор-база транзисторов группы транзисторной структуры 1. Третий генератор тока 4 создает на нагрузочном резисторе 5 падение напряжения равное по величине напряжению коллектор-база транзисторной структуры 1 при начальной (нулевой) температуре. При этом ток через измерительный резистор 6 не протекает и на выходе устройства формируется нулевое напряжение соответствующее нулевой температуре. При понижении температуры падение напряжения на всех прямых р-п - переходах возрастает, а при повышении - падает. Поскольку коллекторные переходы транзисторов группы соединены последовательно, то коллекторное напряжение транзисторной структуры 1, а также его температурные изменения суммируются, повышая тем самым чувствительность устройства.
Температурные изменения коллекторного напряжения транзисторной структуры 1 приводят к изменениям тока, протекающего через измерительный резистор 6, а следовательно, и выходного напряжения на нем. Причем, при повышении температуры относительно нулевой выходное напряжение устройства увеличивается в сторону положительных значений, а при понижении - в сторону отрицательных. Таким образом, упрощается использование устройства в таких приложениях, как цифровые термометры и регуляторы температуры.
Практическая реализация устройства, приведенная на фиг.2, конструктивно выполнена в виде интегральной микросхемы. Число транзисторов группы транзисторной структуры 1 ограничено двумя. Это позволяет формировать выходное напряжение не превышающее 1,5 В и ограничивает потребляемые устройством токи, а следовательно и рассеиваемую на нем мощность, что снижает погрешности измеряемой температуры.
Э
Э
КБО
K
Б
Э1
Э2
Э3
K
Подобная транзисторная структура может рассматриваться как один транзистор с коэффициентом передачи по току эмиттер - коллектор (α) практически равным 1. На фиг.3 показано семейство выходных вольтамперных характеристик n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока эмиттера I При I=0 (обрыв эмиттерной цепи) и обратносмещенном коллекторном p-n переходе ток коллектора представляет собой обратный начальный ток перехода коллектор-база - I, 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 прямосмещенного p-n перехода (диода) коллектор-база. При этом I=I. Задавая определенные значения тока эмиттера (I, I, I) получим семейство выходных вольтамперных характеристик. Именно область, характеризующаяся отрицательными значениями U, и является областью работы транзистора с прямосмещенными 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, включенного по схеме с общей базой, можно записать выражение:
где k - постоянная Больцмана, q - заряд электрона, Т - температура в Кельвинах.
Э1
0
K
K
K
Рассмотрим на фиг.3 вольтамперную характеристику с параметром I, полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды Т. Точка 1 на характеристике определяется нулевым значением тока коллектора, т.е. I=0. Тогда из уравнения (1) можно определить величину U, при котором I=0, а именно:
K
Э
Величина U, как следует из уравнения (2), зависит от величины тока I и может быть определена экспериментально.
K
Э1
Б
окр
0
K
окр
0
В точке 1 (фиг.3), где выполняется условие I=0 и I=I, p-n переход эмиттер-база работает как прямосмещенный и изолированный от коллектора диод. При установлении температуры окружающей среды T=T-ΔT, т.е. при уменьшении температуры на ΔT, получим отклонение характеристики влево, как показано на фиг.3 пунктирной линией слева от точки 1, на величину ΔU-=(TKH)·ΔT. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1 снипроизойдет, если окружающую температуру повысить на ΔT, т.е. установить T=T+ΔT.
Проведенная через точку 1 нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3.
Э1
K
ВЫХ
K
K
K
K
0
Если выполняется условие I>>±ΔI, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что U=ΔI·R≈(TKH)·ΔT, в диапазоне изменения коллекторного тока от -ΔI до +ΔI. Для начальной температуры среды T может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С.
При интегральном исполнении устройства, температурные изменения воздействуют все п-р переходы, в том числе и на переходы транзисторов стабилизаторов тока V1-V3 (фиг.2), увеличивая стабилизируемый ток при понижении и уменьшая при повышении температуры. Увеличение эмиттерного тока приводит к смещению вольтамперных характеристик (фиг.3) влево, а снижение вправо, что повышает чувствительность устройства. Аналогичные изменения тока третьего генератора V1 также приводят к повышению чувствительности.
Предлагаемое устройство обеспечивает прямую линейную зависимость выходного сигнала от температуры с коэффициентом нелинейности не более ±0,5°С и повышенной чувствительностью +5 мВ/°С в диапазоне температур от -60°С до +150°С и найдет применение в различных областях в качестве простого, дешевого и удобного датчика температуры.