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

в качестве Ri и R3 взять, например, терморезисторы с от­

рицательным температурным коэффициентом, а в каче­ стве Rn— терморезистор с положительным температур­ ным коэффициентом (позпстор), пли . наоборот. Кроме того, эта схема позволяет получать на выходе пилооб­ разное напряжение.

Представляют интерес схемы, в которых изменению температуры соответствует изменение длительности им­ пульсов, т. е. преобразователи типа «температура — дли­ тельность импульсов».

Практически такие преобразователи могут быть вы­ полнены с применением схем ждущего мультивибратора (рис. 3-13,6) или фантастрона (рис. 3-13,в). И в том и в другом случае возможно двойное управление длитель­ ностью импульсов, что повышает чувствительность схем. В схеме рис. 3-13,в длительность импульсов определяет­ ся сопротивлением резистора R% и напряжением на сетке запертой лампы, которое в свою очередь зависит от соот­ ношения сопротивлений резисторов Ri и Rz- При исполь­ зовании в качестве Ri и R3 резисторов с температурным

коэффициентом одного знака, а в качестве R t— резисто-

114

ра с температурным коэффициентом другого знака, чув­ ствительность схемы к изменению температуры будет увеличена. Аналогично может быть выполнена и схема фантастрона (рис. 3-13,6).

Следует отметить, что повышению чувствительности описанных схем будет способствовать применение в ка­ честве конденсаторов во времязадающих цепочках чув­ ствительных элементов варнкондов.

В качестве термочувствительного элемента в схемах датчиков температуры может быть также использован варикап [Л. 92, 148].

Емкостные свойства диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля р-п перехода. Между областями р II я возникает контактная разность потен­ циалов, в результате чего между р и я областями обра­ зуется переходный слой, в котором почти нет электронов и дырок. Если приложить к диоду обратное напряжение /\ІІобр, то потенциальный барьер возрастет на величину A't/обрПроизойдет расширение переходного слоя.

Таким образом, изменение напряжения, приложенно­ го к диоду, приводит к изменению толщины переходного слоя р-п перехода, т. е. р-п переход действует как кон­ денсатор.

Следовательно, величина барьерной емкости зависит от величины приложенного напряжения:

У"Met +

где к — коэффициент, зависящий от параметров полу­ проводника; S — площадь />я-перехода; U06*p— прило­

женное напряжение; UK—-высота потенциального барье­ ра между областями р и я при отсутствии внешнего на­ пряжения.

Для германиевых полупроводников UK= (0,3-н0,5) в, для кремниевых UK= (0,5-г-0,7) в. Рабочий интервал на­ пряжений варикапов ограничивается величиной напря­

жения і/проб.

Особенности термодатчика «а варикапе состоят в том, что в нем для преобразований изменений температуры в изменение частоты термочувствительный элемент вы­ полнен в виде включенной в LC-контур .генератора -ра­ диочастоты емкости варикапа, причем источник управ­ ляющего емкостью напряжения подключен к варикапу

через омический резистор сравнимой с обратным сопро­ тивлением варикапа величины.

Температурная нестабильность емкости варикапа не­ велика п зачастую приближается к нестабильности кера­ мических конденсаторов.

Однако зависимость от температуры обратного со­ противления варикапа, включенного параллельно его емкости, позволяет использовать варикап в качестве термозависнмого конденсатора. При этом изменение тем­ пературы .приводит к изменению управляющего напря­ жения на варикапе за счет изменения обратного сопро­ тивления варикапа, а это, в свою очередь, вызывает изме­ нение емкости.

При включении варикапа, соединенного с источником управляющего напряжения вышеуказанным образом, в контур генератора радиочастоты может быть получен преобразователь температуры в частоту.

Значительный интерес представляет использование в качестве такой термочувствительной емкости — емкости коллекторного перехода транзисторов.

В схеме, представленной па рис. 3-14,а, последова­ тельное соединение обратного статического сопротивле­ ния варикапа п резистора, сопротивление которого име­ ет один порядок величины с сопротивлением варикапа, образует омический делитель, включенный параллельно источнику управляющего напряжения.

Емкость С'б варикапа, соединенная параллельно с об­ ратным сопротивлением варикапа, включена в контур генератора высокой частоты ГВЧ, образованный этой емкостью II индуктивностью L.

Изменение температуры повлечет за собой изменение обратного сопротивления варикапа и, следовательно, на­

а изменение этого напряжения вызовет изменение барь­ ерной емкости варикапа и частотную модуляцию коле­ баний, генерируемых ГВЧ и определяемых параметрами ГС-контура.

Чувствительность схемы значительно увеличится, если подачу управляющего напряжения осуществлять с тер­ мочувствительного делителя (рис. 3-14,6), составленного

116

из резисторов с температурным коэффициентом разного знака.

При помощи схемы (рис. 3-14,в) .может быть осуще­ ствлено преобразование температуры в фазу при на­ стройке на определенный диапазон температур.

1 B z r ± J

Спомощью схемы с малоинерционным датчиком тем­ пературы появляется возможность широтно-импульсного преобразования температуры.

Схема содержит в качестве датчика температуры об­ ратно-смещенный полупроводниковый диод.

Сцелью повышения надежности и измерения темпе­

ратуры быстро протекающих процессов предлагаемое в [Л. 85] устройство снабжено генератором импульсов и триггером, один вход которого' подключен к генератору импульсов, другой вход подключен к средней точке по­ следовательно соединенных чувствительного элемента и конденсатора, включенных между положительным полю­ сом источника питания и общей точкой схемы, а изме­

117

рительный прибор, зашуптированиый конденсатором, включен между нагрузками в плечах триггера.

Схема устройства представлена на рис. 3-14,г. Устройство для измерения температуры содержит

конденсатор С* и чувствительный элемент Д в виде об- ратно-смещенного полупроводникового диода, 'Соединен­ ные последовательно и подключенные между «плюсом» источника питания и общей точкой схемы; триггер, на­ пример, на тиратронах Л х и Л2 с холодным катодом и нагрузками Ri и R2 в .плечах; генератор импульсов ГИ,

к которому подключен один вход триггера, другой вход которого подключен к средней точке между чувствитель­ ным элементом Д и конденсатором Сь и измерительный прибор И, зашунтированный конденсатором С2 « вклю­ ченный между нагрузками Ri и R2 в плечах триггера.

Между генератором импульсов ГИ и входом триггера включен конденсатор С3.

Изменяя величину емкости конденсатора Сь а также параметры резистора и конденсатора цепочки заряда ге­ нератора импульсов, при любой температуре можно до­ биться равенства времени нахождения тиратронов Лі и Ло в проводящем состоянии. В результате значение тока, регистрируемого измерительным прибором И, равно нулю.

Таким образом, начало отсчета может быть смещено в- ту или другую сторону в пределах рабочего диапазо­ на температур. Нагрев термочувствительного элемента, в данном случае диода, изменяет зарядный ток и, следо­ вательно, время заряда конденсатора Сі, результатом чего при неизменной частоте следования импульсов с ге­ нератора импульсов ГИ будет изменение соотношения времени нахождения тира тронов Л і и Л2 в проводящем

состоянии, увеличивающегося при увеличении темпера­ туры, что будет фиксироваться измерительным прибо­ ром.

3-2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕРМОДАТЧИКА С ДИОДОМ, СМЕЩЕННЫМ В ПРЯМОМ НАПРАВЛЕНИИ

Большим .преимуществом датчиков температуры с диодом, смещенным в прямом 'Направлении, является линейность термометрической характеристики. Такая ли­ нейность сохраняется и при дифференциальной схеме включения диода. Кроме того, такие термодатчикн име­

118

ют хорошую 'стабильность работы. В спроектированном термодатчике использовались диоды в микромодульном исполнении.

Электрическая схема термодатчпка показана на ■рис. 3-15,а. Она представляет собой дифференциальную схему включения термочувствительного элемента датчи­ ка температуры. Питание схемы осуществляется от двух батарей Б] и Б2. В целях увеличения чувствительности в качестве термочувствительных элементов использова­ ны два включенных последовательно диода. Чтобы уменьшить разогрев диодов, вносящий дополнительную погрешность, последовательно с ними подключается ограничивающий резистор. Параллельно термочувстви­ тельной цепочке, с одной стороны, в зависимости от диа­ пазона температур, подключается переключателем Я4тот или иной резистор, а с другой стороны, подсоединен уси­ литель постоянного тока УПТ, собранный по дифферен­ циальной схеме, для уменьшения зависимости парамет­ ров схемы от температуры, в которой использованы транзисторы типа П25. На выходе УПТ включен микроамперметр, проградуированный в 0°С [Л. 60, 66, 80].

Внешний вид прибора показан на рис. 3-15,6. На пе­ редней панели расположены мнкроамперметр М-394М

ключатель 1 1 ) \ телефонный ключ, служащий выключате­

лем питания (переключатель 7); потенциометр «Кали­ бровка» §; переключатель диапазонов измерения темпе­ ратур (переключатель 9); ручка потенциометра «Уста­ новка нуля» 10. Гибким проводом датчик температуры из двух последовательно соединенных диодов соединяет­ ся со схемой прибора и при переноске укладывается под крышку 1 прибора. Прибор снабжен также выключате­ лем 4 и инструкцией 2.

Щуп 6 прибора выполнен в двух вариантах. Щуп,

изготовленный по первому варианту, представляет собой латунную трубку диаметром 4 мм, внутри которой про­ ложены два гибких проводника. Ріа конце трубки укреп­ лены две фарфоровые платы с вмонтированными в них диодами заводского изготовления. Была испытана и дру­ гая конструкция щупа датчика, в которой диоды извле­ кались из фарфоровых плат и помещались в хлорвини­ ловую трубку. Делалось это с целью уменьшения по-

119

'19

"18

"15

'19

"13

Рис. 3-15. Схема измерителя температуры с датчиком но дифферен­ циальной схеме на диодах (а) и общий вид прибора ( б).

120

стоянкой времени, которая при этом получалась равной 20 сек, «о такая конструкция датчика оказалась меха­ нически менее прочной. Следовательно, такую конструк­ цию целесообразно использовать там, где динамические нагрузки, действующие на датчик, невелики.

Расчет семейства вольт-амперных характеристик дио­ дов производится по 'Методике, приведенной в [Л. 60], а расчет дифференциальной схемы производится обыч­ ными методами.

При помощи разработанного прибора возможно из­ мерение температуры в диапазоне —80-ь+80°С. Весь

с диапазоном 0-ь500 мка. При этом следует произвести перерасчет параметров УПТ.

3-3. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ СО СМЕЩЕННЫМ

ВПРЯМОМ НАПРАВЛЕНИИ И ВКЛЮЧЕННЫМ

ВМОСТОВУЮ СХЕМУ ДИОДОМ

Широкое распространение в современной электроиз­ мерительной технике получили мостовые схемы, в кото­ рых необходим один источник питания, а не два, как это имеет место в дифференциальных схемах включения.

Методика расчета мостовых схем с нелинейными эле­ ментами достаточно подробно изложена в '[Л. 60].

Электрическая схема датчика температуры представ­ ляет собой мостовую схему (рис. 3-16,а), в два противо­ положных плеча которой включено по микромодульному диоду. В качестве источника питания применена батарея типа КБС-Л-0,5.

Показывающий прибор выполнен на основе микроам­ перметра типа М24 класса точности 1,0 на 50 мка с внут­ ренним сопротивлением, равным 3,14 ком. Два резистора типа МЛТ-0,5, включенные в два других противополож­ ных плеча мостовой схемы, выбраны равными 100 и 500 ом. Диапазон измеряемых прибором температур — 40-ь + 60 °С. Шкала прибора близка к линейной. Цена деления прибора 0,5°. Прибор имеет внешний вид, пока­ занный на рис. 3-16,6.

121

ншо температуры и малые размеры. Что касается изго­ товляемых в настоящее время полупроводниковых дио­ дов, то уменьшение размеров в стремлении улучшить та­ кую характеристику датчика, как постоянная времени, связано с уменьшением и без того малых обратных токов р-п-перехода, что затрудняет их непосредственную -реги­ страцию.

Усиление обратного тока диода может быть осуще­ ствлено с помощью усилительной схемы, к которой вдан­ ном случае предъявляются требования максимальной простоты и надежности. Иногда бывает также полезным наличие на шкале прибора «плавающего нуля» с тем, чтобы перемещать начало отсчета в пределах допусти­ мого диапазона температур.

На рис. 3-17,а приведена схема устройства для изме­ рения температуры с использованием в качестве чувст­ вительного элемента диода в обратном включении и ре­ гистрацией температуры стрелочным индикатором [Л. 85]. Усиление обратного тока диода осуществляется импѵльсной схемой, обеспечивающей получение среднего значения тока, пропорционального измеряемой темпера­ туре.

После подачи на схему питающего напряжения кон­ денсатор С5 заряжается через диод Д чя до напряжения зажигания тиратрона Л^. После зажигания тиратрона Д4 на управляющем электроде его устанавливается потен­ циал, соответствующий режиму горения. Так как посто­ янная времени цепочки R3CZ выбирается большей, чем

цепи заряда емкости С5, то импульс с выхода релакса­ тора, выполненного на лампе Л2, поступит на управляю­ щий электрод тиратрона Л3 после зажигания Л4. После поступления положительного импульса с резистора R3 через конденсатор С3 на управляющий электрод Л3 по­ следний зажигается. Перепад 'напряжения на аноде" Л3

передается через конденсатор С4 на анод </74 и гасит его. Конденсатор С5 опять начинает заряжаться. При дости­ жении напряжения на управляющем электроде уровня, равного напряжению зажигания, тиратрон <Я4 зажигает­ ся. При этом в результате передачи через конденсатор С4 на анод тиратрона Л3 отрицательного перепада напря­

жения он гаснет до прихода следующего импульса от релаксатора.

Далее процесс повторяется. Изменяя величины Rs, С2 и С5 при любой заданной температуре, можно добиться

12 3