4. Интегральные датчики температуры

Рис. 7.11. Схема внутренних соединений кремниевого датчика

Представителем предварительно калиброванных интегральных датчиков температуры является крем­ниевый датчик. На рис. 7.11 показана схема внутренних соединений датчика, изготовленного на основе биполярной тех­ники. В данном случае в качестве измеряемой величины используется напряже­ние Uве между базой и эмиттером кремниевого тран­зистора, которое при известной ширине запрещенной зоны описывается уравнением U_BЕ = E + kT/e ln(I_C/Iⁿ), где Е — ширина запрещенной зоны, I_С — плотность тока, k — постоянная Больцмана, е — элементарный заряд (1,602*10^-19 Кл), n— коэффициент, характери­зующий температурную зависимость диффузии носи­телей заряда.

Рис. 7.12. Схема включения и характеристика интегрального датчика температуры (STP 35):

U_out — выходное напряжение.

Измерительные схемы с датчиками этого типа вы­полняются чрезвычайно просто (рис. 7.12). С по­мощью добавочного сопротивления R1 устанавливает­ся максимальный ток, меньший 5 мА, чтобы ограни­чить самонагрев датчика. Рабочее напряжение не нуждается в стабилизации и может находиться в диа­пазоне от 6 до 24 В. В этом случае чувствительность измеряемого на выходе напряжения составляет 10 мВ/°С. Усиленное в 100 раз выходное напряжение показывает абсолютную температуру по шкале Кель­вина (0°С = 273°К и 20°С = 293°К). Датчики могут быть изготовлены разных классов точности в зависимости от некомпенсированной погрешности в измере­нии температуры.

Рис. 7.13. Схемы согласования датчика температуры (STP 35) с нагрузочным сопротивлением R_L: R_cal — калибровочное сопротив­ление; U_out — выходное напряжение.

Оптимальный выбор (рис. 7.13) добавочного сопротивления R_A зависит от диапазона измерения тем­пературы ∆T = T_mах – T_min и сопротивления нагрузки (например, внутреннего сопротивления измеритель­ного прибора), Сопротивление нагрузки может быть рассчитано следующим образом: R_A = (U_CCmin – U_OUTmax)/(I_Smin + I_Lmax), где U_CCmin — минимальное напряжение питания, U_OUTmax — максимальное напряжение на выходе, I_Smin — минимальный ток датчика, I_Lmax — максимальный ток нагрузки.

Например, для диапазона измерения температуры ∆T = 0...100°С, напряжения питания 8...14 В и внутреннего сопротивления используемого измерительного прибора R_L = 10 кОм получаются следующие значения: U_CCmin = 8 В, U_OUTmax = 3,73 В, I_Lmin = 2,73 В/10 кОм = 0,273 мА, I_Lmax = 3,73 В/10 кОм = 0,373 мА.

На основании этого добавочное сопротивление составит R_A = (8 В – 3,73 В)/(0,4 мА + 0,373 мА) = 5,524 кОм.

Максимальный ток датчика равен тогда I_Smax = (14 В – 2,73 В)/5,524 кОм ≈ 2 мА.

Максимально возможное изменение тока датчика от 0,4 мА до 2 мА вызывает погрешность, равную лишь 0,15°С. Для более точных измерений потре­буется стабилизация напряжения питания.

5. Температурный контроллер

Рис. 7.14. Внутренние соединения температурного контроллера на основе интегральной схемы LM 3911 фирмы National Semi­conductor: а — структурная схема; б — корпус датчика (вид сверху); NС — свободные выводы; ОР — операционный усилитель.

Другим интересным примером датчиков температуры является температурный контроллер (например, типа LM 3911). Его способ действия аналогичен действию дат­чика типа STP 35 с напряжением на выходе, непосред­ственно указывающим абсолютную температуру по шкале Кельвина, деленную на 100 (т.е. на шкале прибора 3,93 В соответствуют 393°К). Датчик обла­дает чувствительностью 10 мВ/К. Схема внутренних соединений и расположение выводов на корпусе с двухрядным размещением контактов показаны на рис. 7.14. Такой датчик можно применять в различ­ных вариантах, два из которых описаны ниже.

Рис. 7.15.Схема включения температурного контроллера с градуированным выходом 10 мВ/°С.

При подключении по варианту, показанному на рис. 7.15, можно, например, довольно просто исполь­зовать его как термометр с градуировкой по шкале Цельсия. Настроечным потенциометром сопротивле­нием 5 кОм выходное напряжение калибруется в градусах Цельсия. Чувствительность на выходе составляет также 10 мВ/°С.

Рис. 7.16. Измерение разности температур двумя датчиками

Простой дифференциальный термометр на основе двух датчиков показан в качестве второю примера на рис. 7.16. С помощью этой схемы можно опреде­лять разность температур между точками Т1 и Т2. При равенстве температур, т.е. при Т1 = Т2 настроечным потенциометром (100 кОм) выходное напряже­ние U_А устанавливается равным нулю. Калибровка чувствительности осуществляется путем изменения отношения (R1 + R2)/R1 с помощью настроечного по­тенциометра R2.

Рис. 7.17. Температурно-частотный преобразователь, состоящий из терморезистора и КМОП-мультивибратора.

Прямое преобразование аналоговой измеренной характеристики (температуры) в цифровой выходной сигнал представляет особый интерес в связи с приме­нением ЭВМ, поскольку отпадает, например, необхо­димость в дорогостоящих аналого-цифровых преобра­зователях. Кроме того, передача сигнала в цифровой форме надежнее, чем в аналоговой. На рис. 7.17 представлена простая схема температурно-частотного преобразователя. Датчик температуры R(T) в соче­тании с конденсатором С1 образует RС-цепочку с зависящей от температуры постоянной времени для КМОП-мультивибратора. Переменная выходная частота f вычисляется по фор­муле f = 1/2,2C1R(T).

Зависимость выходной частоты f от температуры для различных датчиков иллюстрируется рис. 7.18.

	NТС	– термо-резистор с отрицатель-ным ТКС;
	MFW	– метало-пленочный резистор;
	BВD	– диод с внутренним униполяр-ным барьером.

Рис. 7.18. Зависимость выходной частоты f от температуры для различных датчиков

Кремниевый датчик температуры имеет почти линейную характеристику в от­личие от терморезисторов с отрицательным ТКС и диодов с внутренним униполярным барьером (BBD), включаемых встречно для компенсации температур­ной зависимости сопротивления.