книги из ГПНТБ / Кривоносов, А. И. Полупроводниковые датчики температуры

Учитывая температурные зависимости тока І ко и коэффициента усиления ао, получаем:

/.-Y e7,p ./ ..- /Moe Як/Гр° ^Гро — — 2(1 — Уб^ро) Г2 /3 X

с а.'эО

Структурная схема транзистора при его включении с общей базой аналогична структурной схеме транзистора с общим эмиттером, показанной на рис. 2-9. Для этой схемы .справедливы также зсе ма­ трицы коэффициентов, но с учетом вышеуказанных выражений для коэффициентов А , &гро и А о , а также соответствующих начальных условий.

Полученные передаточные функции для различных схем включе­ ния транзистора, а также при различных сочетаниях полярностей на входе и выходе позволяют определить изменения выходных величий при изменении теплофизических свойств среды и электрических па­ раметров схем включения.

9 4

2-3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ И СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Б предыдущих параграфах настоящей главы были получены пе­ редаточные функции полупроводниковых приборов. Остановимся на вопросе получения линейных теплофизических моделей других полу­ проводниковых приборов.

Для многослойных структур, а также туннельных диодов построе­ ние линейных тепловых моделей не представляет большого практиче­ ского интереса, так как обычно они работают в релейных и переклю­ чательных схемах, где не выполняется условие малых изменений входных параметров. Поэтому при исследовании этих полупроводни­ ковых приборов достаточно воспользоваться основными выражения­ ми для статических температурных и вольт-амперных характеристик. Это же относится также и ко всем полупроводниковым схемам, ра­ ботающим при больших изменениях параметров.

Получение теплофнзическнх моделей и передаточных функций фоточув'ствительных полупроводниковых приборов отличается от по­ лученных моделей и передаточных функций только наличием свето­ вого воздействия. Получение передаточных функций полупроводнико­ вых приборов по отношению к световому воздействию выходит за рамки настоящей работы и будет рассмотрено автором в дальнейших исследованиях. Проводятся также исследования по получению линей­ ных моделей полупроводниковых приборов косвенного подогрева.

Очевидно, что полученные передаточные функции могут быть при­ менены для обоснованного расчета параметров полупроводниковых приборов при их применении как датчиков температур, давления, скорости, в схемах термокомпенсации и термостабплизации, так и коммутационных и линейных элементов в различных схемах автома­ тики, т. е. в общем случае полученные данные применимы практиче­ ски для всего класса задач, решаемых полупроводниковыми прибо­ рами в автоматике и электронике.

Объем данной работы не позволяет привести полностью резуль­ таты исследований передаточных функций полупроводниковых при­ боров, поэтому для иллюстрации рассмотрим методы уменьшения тепловой постоянной времени цепи с полупроводниковым прибором как датчиком температуры.

В качестве выходного параметра рассмотрим изменение статиче­

Таким образом, как коэффициент передачи, так и постоянная вре­ мени зависят от величины и знака коэффициента А , значение кото­ рого соответствует выражению (2-11). Знак коэффициента А і соот­ ветствует знаку температурной чувствительности статического сопро­ тивления. При отрицательном значении коэффициента А і величина

9 5

п о с т о я н н о й в р е м е н и б у д е т м и н и м а л ь н о й п р и /1 |— >-0 и б у д е т р а в н а :

Это условие выполняется при малых токах через полупроводни­ ковый прибор, а также при R B— *-Rc т-

При положительном значении коэффициента F ' r p (/о, 7’ро) вели­ чина постоянной времени обратно пропорциональна величине А . Ма­ ксимальное значение величины А будет при больших токах через прибор и небольших сопротивлениях нагрузки.

Таким образом, одним из основных методов уменьшения постоян­ ной времени является выбор начальных условий в соответствии с тре­ бованиями к инерционности, т. е. начальные условия должны удовле­ творять следующему уравнению:

К недостатку этого метода уменьшения постоянной времени сле­ дует отнести уменьшение коэффициента чувствительности, а также ограниченность выбора начальных условий для каждого конкретного

случая. Другим

уменьшения

инерционности водниковьгх піриборш,

вытекающим из сгріуктурнык схем, является компенсация положитель­ ной обратной связи с пе­ редаточной функцией 1170. Очевидно, что для ее компенсации необходимо включить в конкретную схему элемент с желае­ мой передаточиой функ­ цией.

В качестве примера рассмотрим структурную схему полупровод­ никового прибора как омического датчика температуры, величина сопротивления которого зависит только от температуры рабочего те­ ла, т. е.

U7S=0. (2-169)

Эта структурная схема приведена на рис. 2-ЛО. Для физической реализуемости компенсационного звена необходимо, чтобы на его входе и выходе был электрический сигнал или напряжение. В общем случае это возможно применением в качестве питающего напряжения сигнала с усилителя, на вход которого подается изменение падения напряжения на полупроводниковом приборе. Это показано на

96

я — электрическая схема; б — структурная схема.

рис. 2-11,я. Электрическая схема, реализующая данную структурную схему, показана на рис. 2 -1 1,0 .

Определим коэффициент усиления Gyс, необходимый для компен­ сации обратной связи. Условием компенсации является следующее уравнение:

Это простое уравнение и определяет коэффициент усиления ком­ пенсирующего усилителя.

В измерительной технике широко известен способ компенсации тепловой инерционности датчика измеряемой величины с помощью

7 — 25

Передаточная функция этой цепочки имеет следующий вид:

где Тпс— желаемая инерционность, то передаточная функция №дат датчика температуры с последовательно включенной корректирующей цепочкой запишется в следующем виде:

этого метода следует отнести уменьшение коэффициента усиления всей цепи, так как чем меньше величина т Пс, тем меньше коэффи­ циент усиления ky.

На практике в зависимости от конкретных условии работы эти три основных метода позволяют эффективно решать вопрос уменьше­ ния тепловой инерционности датчика температуры на основе полу­ проводникового прибора.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С р-п-ПЕРЕХОДАМИ

3-1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ как ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

а) Схемы датчиков температуры с делителем напр жения и полупроводниковыми приборами. Схемы датчи­ ков температуры с делителем напряжения и терморези­ сторами изучены достаточно подробно, нашли широкое применение и нет необходимости останавливаться на их рассмотрении. Рассмотрим некоторые схемы с примене­ нием полупроводниковых приборов, которые были ранее

98

неизвестны. Включение транзистора возможно по схе­ мам, показанным на рис. 3-1,а—г. Представляют инте­ рес схемы, показанные на рис. 3-1,д, е, в которых кол­ лекторный и эмиттерный переходы включены лараллель-

Рис. 3-1. Схемы датчиков температуры с транзистором

вкачестве термочувствительного элемента и одним

источником питания.

но друг другу, но смещены в первом случае в прямом направлении, а во втором случае — в обратном. В каж­ дой из этих схем благодаря совмещению двух диодов

Рис. 3-2. Схемы датчиков температуры с транзистором в качестве термочувстви­ тельного элемента, одним источником пита­ ния и двумя резисторами.

в одном транзисторе чувствительность возрастает при­ мерно вдвое.

Кроме того, используя различные сочетания полярно­ стей, можно включать транзистор в схему с делителем напряжения как прибор, обладающий свойствами диода в прямом пли обратном смещении.

термочувствительные элементы, сигнал. При этом 'благо­ даря соответствующему включению потенциометра R может быть .получен в соответствии с требованиями к устройству положительный или отрицательный знак температурного коэффициента сопротивления. Переме­ щением движка потенциометра R может быть обеспечен также соответствующий наклон температурной характе­ ристики термочувствительной цепи, что позволяет полу­ чать взаимозаменяемые электрические термочувстви­ тельные цепочки. В качестве термочувствительного эле­ мента Rt+ с положительным знаком температурного

коэффициента сопротивления может быть применен, на­ пример, позистор, а с отрицательным Rt- —полупровод­ никовый терморезистор. Выбором величины сопротивле­ ния обмотки потенциометра R может быть обеспечена также требуемая нелинейность температурной характе­ ристики термочувствительной электрической цепи. Пред­ ложенная термочувствительная цепь может быть вклю­

мочувствительных устройствах различных областей про­ мышленности в некоторых случаях возникает необходи­ мость в измерении абсолютной разности температур, например разности между критической для данного устройства и действительной. Кроме того, в ряде случаев необходимо получение высокой чувствительности в узком интервале температур с наличием возможности регули­ ровки и настройки на соответствующие диапазоны. Для этой цели применяют дифференциальные схемы включе­ ния.

Дифференциальные схемы с терморезисторами приве­ дены в [Л. 146]. Ниже рассмотрено применение в этих схемах диодов и транзисторов.

Принципиальная электрическая схема дифференци­ ального датчика разности температуры двух сред пред­ ставлена на рис. 3-5,ß. Рассматриваемая схема предна­

мочувствительных элементов полупроводниковые диоды. Схема состоит из четырех полупроводниковых диодов Д і—Д/„ включенных попарно навстречу друг другу. Токи

в ветвях схемы в любой момент времени определяются

101

сопротивлениями диодов, включенных ,в обратном на­ правлении. Прямым сопротивлением диодов можно в этом случае пренебречь. Ток через нагрузку характеризуется алгебраической суммой токов Л и І2, .проте-кащих на­ встречу друг другу. Обратное сопротивление диодов за­ висит от температуры окружающей среды, поэтому, если диоды идентичны н температура окружающей среды для

Лі А з

всех диодов одинакова, суммарный ток через нагрузку равен нулю.

Диоды Д 1—Ді используются в качестве термочувстви­

тельных элементов для измерения разности температур двух сред: одна нз которых Г0 остается постоянной и равной 295 °К. Для сглаживания тока параллельно на­ грузке включается конденсатор С (на рис. 3-5,а показан пунктиром), емкость которого определяется согласно вы­ ражению

Соответствующие параметры диодов, необходимые для расчета рассматриваемой схемы, сведены в табл. 3-1.

В схеме использованы диоды типа Д /Д , напряжение питания схемы 220 в, частота 50 гц, напряжение U2, сни­ маемое со вторичной обмотки трансформатора, равно 20 в. Оно выбирается из условия 2Н2гс; НМзкс, где UMацС—

102

с электронно-дырочными переходами. В термочувстви­ тельных устройствах различных областей промышленно­ сти широко применяются уравновешенные и неуравнове­ шенные мостовые схемы.

Рассмотрим возможные мостовые схемы включения полупроводниковых приборов. Мостовая схема включе­ ния смещенного в прямом направлении диода представ­ лена на рис. 3-6,а, где в одно плечо включен диод, а в три другие — резисторы. В качестве нагрузки может быть включен показывающий прибор [Л. 60]. Чувствитель­ ность, примерно в 2 раза большую, имеет схема, пред­ ставленная на рис. 3-6,6, в два противоположных плеча которой включены диоды, а в два других — резисторы. Включив в два смежных плеча по диоду, получим схему для измерения разности температур. Заменив в предыду­ щей схеме резисторы диодами, получим устройство для измерения разности температур повышенной чувстви­ тельности (рис. 3-6,в, г). При этом диоды Ді и Д 2 поме­ щают в среды с температурой Ти а Д3 и Д 4— с темпера­

турой Т2.

103