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

равенства времени нахождения тиратрона Jls и Л4 в .про­ водящем состоянии, результатомчего будет равенство нулю значения тока, регистрируемого измерительным прибором И. Таким образом, начало отсчета может быть

Рис. 3-17. Схема измерителя температуры с датчиком на обратносмещешюм диоде (а) и общий вид прибо­ ра (б).

смещено в ту Или другую сторону в пределах рабочего диапазона температур. Нагрев диода Д ч.э изменяет за­ рядный ток и, следовательно, время заряда конденсатора С5. Результатом этого при неизменной частоте следова­ ния импульсов с релаксационного генератора Л3 будет

изменение соотношения времени нахождения тиратронов

124

Лз и Л,„ в 'проводящем состоянии, увеличивающегося при увеличении температуры, что будет фиксироваться изме­ рительным прибором И. При расчете .цепи заряда кон­ денсатора С5, происходящего через обратносмеЩенный диод Дч.э, для последнего необходимо иметь семейство вольт-амперных характеристик, расчет которого произ­ водится по методике, предложенной в [Л. 60].

Несмотря на экспоненциальный характер температур­ ной зависимости обратного тока диода при работе в узком диапазоне температур зависимость выходного тока в нагрузке от температуры близка к линейной.

Прибор имеет печатный монтаж и шкалу 0—100°С (рис. 3-17,6). В качестве показывающего прибора исполь­ зован микроамперметр типа М24 на 100 мка.

3-5. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТРАНЗИСТОРЕ

В данном датчике [Л. 67] попользуется зависимость от температуры среды тока коллектора транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Схема датчи­ ка рис. 3-18 представляет собой измерительный мост, в три плеча которого включены постоянные резисторы Я1, Яз, Яз, а в четвертом — в качестве термочувствитель­

ного элемента включен транзистор. В схеме предусмот­ рен резистор контроля Я/„ который в режиме «контроль» подключается в плечо вместо транзистора. При измене­ нии температуры датчика изменяется ток коллектора транзистора и в измерительной диагонали появляется ток .разбаланса, который регистрируется прибором маг­ нитоэлектрической системы М24 на 100 мка. Шкала при­ бора проградуирована в СС. Прибор может быть настроен на измерение температуры от +80 до —60°С. Высокая чувствительность датчика позволяет -растягивать диапа­ зон до 8°С на всю шкалу в интервале от +20 до +60°С и до 20°С в интервале от —ВО до + 2 0 °С. Шкала прибо­ ра близка к линейной.

Питание моста осуществляется от аккумуляторной ба­ тареи, заряд которой производится от сети 220 в, 50 гц

исключить разряд аккумуляторной батареи ниже 9 в, так как при этом рабочая точка опорного диода уходит с участка стабилизации, что и будет обнаружено в режи­ ме «контроль» по показанию прибора.

125

Контроль —• »- Измерение

Данный датчик тем­ пературы может быть использован, в частности, для измерения темпера­ туры тела человека.

Для уменьшения по­ стоянной времени датчика необходимо было уменьшить его теплоемкость С и увели­

чить коэффициент рассеяния Ъ. Поэтому был взят мало­ габаритный транзистор. С этим транзистором время измерения температуры составляет около одной минуты. Если применить специальную конструкцию, это время можно значительно уменьшить.

Ниже показано, как производится расчет представ­ ленной на рис. 3-18 схемы, который состоит из расчета выходных вольт-амперных характеристик транзистора,

126

Кроме того, изменение напряжения стабилизации про­ исходит при разряде аккумуляторов, когда ток стаби­ лизации меняется от 0,82 до 2,4 ма.

Номинальное напряжение установлено при ./ст.ном= = 1,8 ма. Максимальное изменение напряжения от этого фактора

в сторону увеличения. Здесь Rr— дифференциальное со­ противление'диода Д808. В данном диапазоне токов Rr =

= 8 ом.

Все это показывает, что напряжение питания в самом худшем случае может измениться на Д7УСТ= 30+ 8= 38 лш. При этом изменении тока указателя Д /=2 мка, что соот­ ветствует уменьшению показаний на 0,09 °С.

Внешний вид прибора показан на рис. 3-18. Размеры показывающей части 12ÖX140X70 мм. Сам термочувст­ вительный элемент помещен в конце хлорвиниловой трубки, внутри которой находятся три проводника, свя­ зывающие термочувствительный элемент с показываю­ щей частью термодатчика. Монтаж деталей печатный.

3-6. ТЕРМОРЕЛЕ С ТРАНЗИСТОРОМ

Зависимость тока коллектора от температуры позво­ ляет использовать транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в качестве чувствительного элемен­ та— термореле. В отличие от схемы, предложенной [Л. 145], предусматривающей наличие двух источников питания, в предлагаемой схеме рис. 3-19,а используется один источник. Исполнительное реле включается в цепь коллектора, а в цель базы — резисторы Rit R2 и R3, одни

из которых шунтируется размыкающим контактом ис­ полнительного реле. Изменяя сопротивление резисторов R z и R i , можно настраивать реле на заданные темпера­

туры срабатывания и отпускания [Л. 60].

Выведем выражение для расчета значений тока базы, при которых обеспечивается срабатывание и отпускание реле при достижении заданных значений температуры.

Значение тока базы h соответствует току срабатыва­ ния / к= / к.ері которое легко определить из формулы

128

[Л. 60]

= 346°К. В качестве термочувствительного элемента вы-

Рпс. 3-19. Общий вид прибора, построенно­ го по схеме, представленной на рис. 3-18,а.

би-раем транзистор типа МП40, имеющий следующие па­ раметры:

/к.пі=1 Д6 мка, ß = 8 000°K; ßHi= 35,7 мом,

___ і_

Сэ=2- ІО- 3 в 2 , ß=15, уэ= 0,33 1/зрад.

В цепь коллектора включаем являющееся нагрузкой транзистора электромагнитное реле типа РК.М.П-1 с дву­ мя нормально замкнутыми контактами и опаспортным'номером РС4523641, у которого

Задавшись значением £/](.э.ср и подставив значение / ср и Rp, получим:

б^тіт— 9 в.

Найдем значение £/к.э.0тп, соответствующее отпуска­

Определим величины сопротивлений резисторов Ru Rz и Rs, соответствующих значениям / б . Ср и / б . о т п -

Пренебрегая падением напряжения на переходе, ба­ за — эмиттер и считая, что напряжение питания Umn

прилюжено к резисторам Ri+R2 при срабатывании и

к R1+R0+ R3— при отпускании реле, находим:

Питание реле осуществляется от источника постоян­ ного напряжения, равного 9 в, для стабилизации кото­ рого используется стабилитрон Д809 на UCi = 9 в. С целью осуществления термокомпенсации стабилитро­ на последовательно и встречно с ним включен другой стабилитрон Д809.

Практическая схема термореле представлена на рис. 3-19,а и работает следующим образом.

' Ток базы транзистора, необходимый для срабатыва­ ния реле при достижении заданной температуры, уста­ навливается с помощью сопротивления резисторов Ri и Rz. При срабатывании реле контакты Крі размыкают резистор Дз-

Ток базы транзистора, необходимый для отпускания реле при понижении температуры до заданного значе­ ния, устанавливается с помощью сопротивления, рав­ ного сумме сопротивлений резисторов Ri+Rz+Rz-

При отпускании реле контакты Кр\ шунтируют рези­ стор Rz и процесс повторяется. Диод Дз предохраняет транзистор от пробоя при выключении питания, так как в момент выключения питания в обмотке реле возникает э. д. с. самоиндукции, которая складывается с напряже-

130

нием питания и может в несколько раз превосходить допустимое напряжение на транзисторе. С помощью Дз э. д. с. самоиндукции, возникшая в обмотке реле, за­ мыкается по цепи обмотка — диод — обмотка.

Внешний вид термореле показан на рис. 3-20. Пер­ вая пластина является лицевой панелью. На ней укреп-

Рис. 3-20. Практическая схема термореле на транзисторе (а), график к расчету режима транзистора (б) и общий вид термо­ реле ( в) .

лены выключатели питания и регулировочный резистор Ri для настройки срабатывания реле на заданную тем­ пературу. На второй пластине крепятся магнитное реле, две пятиштырьковых монтажных платы для распайки резисторов, стабилитрона я переменного резистора для регулировки тока отпускания реле. Кожух конструкции реле изготовлен из алюминия толщиной 1 мм. В задней части кожуха имеется два выреза для проводов питания, датчика температуры и проводов нагревателя. В правой боковой стенке кожуха имеется отверстие для регули­ ровки резистора Rz-

В предложенной выше схеме реле температуры на транзисторе использовался линейный участок вольтамперной характеристики. В рассмотренной ниже схеме показана возможность работы реле температуры с ис­ пользованием транзистора на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа схемы осно­ вана на наличии отрицательного дифференциального

Рис. 3-21. Схема термореле на транзисторе с использованием участка вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением (а) и график к расчету схемы (б).

сопротивления на участке теплового пробоя транзисто­ ра, включенного по схеме с общей базой [Л. 81].

Преимуществом данной схемы термореле перед при­ меняемыми схемами на терморезисторах является боль­ шая температурная чувствительность по коэффициен­ ту В, превышающему 10 000°С, а также возможность дополнительной регулировки и настройки в связи с на­ личием управляющего электрода.

Схема реле температуры представлена на рис. 3-21,а. В результате отработки данной схемы был сделан вывод, что транзистор сохраняет свои свойства после многократного перевода его в режим с отрицательным

дифференциальным сопротивлением.

Был произведен расчет термореле со следующими параметрами:

:Гср = 3210К, 7’ОТП= 320°К, h = 10-ма.

1 3 2

В качестве чувствительного элемента был выбран транзистор типа П14 с параметрами:

Лип=1.3 мка, Лді = 6,9 мом, ВД = 7 740°К.

Рассмотрим расчет реле температуры.

1.Рассчитываем температурную характеристику тран­ зистора по формуле

2.Переносим вольт-амперную характеристику в на­ чало координат. Проводим линии равной мощности и находим вольт-амперные характеристики для темпера­ тур среды 321 и 320°К. Следует отметить, что перенесен­ ная ось напряжений необходима лишь для построения

вольт-амперных характеристик. 3. Из рис. 3-21,6 выбираем:

Пппт= 37 б, і?ер= 300 ОМ, Лотп= 500 ом.

4. Согласно схеме рис. 3-21,о имеем:

Л е р — Л Р ; Л о т п — Л р + Л г .

5. По каталогу выбираем реле электромагнитное РС4.503.877 СП-П типа РКМ-1 с параметрами / Ср=

60 мо, Лр = 300 ом, /отп==30 Ліо.

6. Определяем R%:

Лг=Лотп—ЛР = 200 ом.

3-7. ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

В электронике широкое применение получили гене­ раторы прямоугольных импульсов на основе триггерных схем, включающих в себя два транзистора с емкостны­ ми связями. Большой интерес представляет использова­ ние этих схем в качестве преобразователей температуры в частоту, что достигается включением в коллекторно­ базовые цепи транзисторов термочувствительных эле­ ментов і[Л. 14—24]. Рассмотрим схемы преобразовате­ лей температуры в частоту с применением в качестве термочувствительных элементов различных полупровод­ никовых приборов.

133