Электронный датчик температуры

 

Сущность изобретения: устройство содержит шесть транзисторов 1,5,8,11,13,14, шесть транзисторов в диодном включении 2,3,4,12,20,21, три резистора 6,7,9, два термочувствительных транзистора 15,16, переменный резистор установки крутизны преобразования 10, два резистора нагрузки 17,18 и переменный резистор установки нуля 19. Элементы 1...7 образуют формирователь опорного стабилизированного напряжения, с эмиттерным повторителем, охваченным отрицательной обратной связью через транзистор 5. Элементы 9...14 образуют второй формирователь регулируемых опорных напряжений с эмиттерным повторителем, охваченным отрицательной обратной связью через транзисторы 13,14. Изобретение позволяет увеличить на порядок крутизну преобразования и обеспечивает стабильность установки нулевой разности выходных напряжений и модуля крутизны преобразования. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения с высокой точностью температуры окружающей среды и физических объектов.

Известны электронные датчики температуры, содержащие два диода или транзистора в диодном включении, через которые протекают отличающиеся токи [1] Выходным сигналом таких датчиков является разность потенциалов на диодах, зависящая от температуры устройства. Их основной недостаток заключается в низкой крутизне преобразования изменения температуры в изменение разности потенциалов, составляющей десятки мкВ/град. Для усиления слабых выходных сигналов и компенсации постоянной составляющей разности приходится использовать высокостабильные усилители и принимать меры по защите датчиков от электромагнитных наводок.

Известны интегральные полупроводниковые датчики, обладающие более высокой крутизной преобраэования и стабильные к изменению питающего напряжения [2] Они создаются на основе формирователей сворного напряжения, равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Базовая схема, состоящая из формирователя и операционного усилителя, вырабатывает выходное напряжение 0,6 В с крутизной преобразования 2 мВ/град. Дальнейшее увеличение крутизны преобразования, а также генерация напряжений с противоположными зайками крутизны достигается путем наращивания базовой схемы. Недостатком датчиков этого типа является сложность электрической схемы и значительный объем элементной базы в составе устройства. Большое количество токопроводящих цепей вызывает потребление заметной мощности от источника питания /более 7 мВт в микросхеме РЕФ-02/, что приводит к саморазогреву датчика и вносит,тем самым,погрешность в измерение температуры, зависящую от условий отвода тепла от кристалла.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электронный термодатчик [З] содержащий два термочувствительных транзистора, коллекторы которых соединены с выходными шинами датчика и через резисторы нагрузки с крайними выводами переменного резистора установки нуля, подключенного через средний вывод к шине питания, а также переменный резистор установки крутизны преобразования. Крайние выводы этого резистора соединены с коллекторами термочувствительных транзисторов, а средний вывод с их базами, причем эмиттеры термочувствительных транзисторов подключены к шине земли. Датчик позволяет устанавливать нулевую разность выходных напряжений для заданной температуры с помощью переменного резистора установки нуля, а также требуемую крутизну преобразования и знак крутизны с помощью второго переменного резистора. Основные недостатки устройства состоят в нестабильности установки нулевой разности выходных напряжений и модуля крутизны преобразования к изменению напряжения питания л невысокой крутизна преобразования из-за зависимости последний от коэффициента передачи тока β из базы в коллектор транзистора. При крайних положениях движка переменного резистора модуль крутизны lS_дmaxl в диапазоне температур -40.+60^oС достигает 0,87 мВ/град при напряжении питания Е_п 5 В.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением состоит в увеличении крутизны преобразования изменения температуры в изменение разности выходных напряжений и стабилизации параметров устройства к изменению напряжения питания.

Указанный результат достигается тем, что в известный датчик температуры дополнительно введены первый, второй, третий резисторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой транзисторы и первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой транзисторы в диодном включении, при этом база первого транзистора через первый резистор, соединена с шиной питания, его эмиттер, через три транзистора в диодном включении, соединен с шиной земли, а коллектор с шиной питания, база второго транзистора соединена с базой и коллектором третьего транзистора в диодном включении, эмиттер соединен с шиной земли, а коллектор, через второй резистор с базой первого транзистора, база третьего транзистора подключена к коллектору второго транзистора, а коллектор к шине питания, база четвертого транзистора соединена со средним выводом переменного резистора установки крутизны преобразования и через третий резистор с эмиттером третьего транзистора, коллектор подключен к шине питания, а эмиттер, через четвертый транзистор в диодном включении, соединен с шиной земли, базы пятого и шестого транзисторов соединены с эмиттером четвертого транзистора, их эмиттеры соединены с шиной земли, а коллекторы с крайними выводами переменного резистора установки крутизны преобразования и базами термочувствительных транзисторов, эмиттеры которых, через пятый и шестой транзисторы в диодном включении, соответственно, соединены с шиной земли.

На чертеже представлена электрическая схема электронного датчика температуры.

Устройство содержит транзистор 1 эмиттерного повторителя, нагруженный на транзисторы в диодном включении 2, 3 и 4, второй транзистор 5, нагруженный на резисторы 6 и 7, третий транзистор 8/буферный/, связанный через резистор 9 с движком переменного резистора установки крутизны преобразования 10 и базой четвертого транзистора 11 (транзистора второго эмиттерного повторителя), эмиттер которого соединен с четвертым транзистором в диодном включении 12 и базами пятого 13 и шестого 14, транзисторов термочувствительное транзисторы 15 и 16, коллекторы которых через резисторы нагрузки 17 и 18, подключены и переменному резистору установки нуля 19, а эмиттеры через пятый 20 и шестой 21 транзисторы в диодном включении к шине земли.

В устройство введены формирователь опорного стабилизированного напряжения и формирователь регулируемых опорных напряжений, содержащий эмиттерные повторители, охваченные отрицательной обратной связью через соответствующий транзисторы.

В отличие от прототипа [3] в предлагаемой схеме термодатчика переменный резистор установки крутизны подключен не к коллекторам термочувствительных транзисторов, а к дополнительной схеме 1.14. Работа термодатчика основана на зависимости температурного дрейфа напряжения база-эмиттер транзистора от тока коллектора и же зависит от изменения b(Т).

Устройство работает следующим образам. В схеме, состоящей из элементов 1.7, вырабатывается опорное напряжение (первый формирователь), стабильное к изменению напряжения питания. Это напряжение через буферный транзистор 8 поступает в схему, состоящую из элементов 9.14 (второй формирователь). Здесь вырабатывается два опорных напряжения, отличающихся по амплитуде в зависимости от положения движка переменного резистора 10. Эти опорные напряжения подаются на базы термочувствительных транзисторов 15 и 16, в которых генерируются токи, создающие на резисторных нагрузках 17, 18 напряжения, отличающиеся по величине и знаку температурного дрейфа.

Напряжение, поступающее на базу транзистора 15 или 16, равно удвоенному напряжению перехода база-эмиттер, создаваемому транзисторами 11, 12, за вычетом небольшого падения напряжения на переменном резисторе 10. Для компенсации удвоенною напряжения база-эмиттер между эмиттерами транзисторов 15, 16 и землей включены транзисторы в диодном включении 20, 21.

Основой схемы 1.7 является эмиттерный повторитель 1, охваченный отрицательной обратной связью. Напряжение обратной связи снимается с эмиттера транзистора 1 и через транзисторы в диодном включении 2, 3 подается на транзистор в диодном включении 4 и базу транзистора 5. Противофазное напряжение через резистор 6 поступает на базу транзистора 1 эмиттерного повторителя, предопределяя устойчивое состояние схемы. В коллекторной цепи транзистора 5 формируется опорное напряжение, не зависящее от изменения напряжения питания в области его номинального значения. Условие стабилизации опорного напряжения вытекает из анализа схемы 1.7 через все элементы которой протекают одинаковые токи I₀, поскольку падение напряжения U₀ на переходах база-эмиттер транзисторов 1.5 одинаково, причем U₀ U_н + I₀r U_н +v_т /1/ где U_н точка пересечения касательной к вольтамперной характеристике транзистора в точке I₀ с осью напряжений; r дифференциальное сопротивление перехода в точке I₀,U₀.

Опорное напряжение равно: U₁ E_п -I₀(R₆+R₇) /2/ где R₆, R₇ сопротивления резисторов 6 и 7.

Из /1/ и /2/ можно выразить U₁ через параметры элементов схемы: Опорное напряжение не зависит от напряжения питания, если первое слагаемое /3/ равно нулю, когда корректирующий резистор R₆ равен 4r, а падение напряжения на этом резисторе составляет 4I₀r 4 ϕ_т 100 мВ.

Тогда: U₁ 4 U_н 4(U₀ ϕ_т) /4/ Схема, состоящая из элементов 9.14, является аналогией схемы 1.7. Ее основой служит эмиттерный повторитель 11, охваченный отрицательной обратной связью через транзистор в диодном включении и транзисторы 13 и 14, включенные параллельно. Противофазное напряжение через части переменного резистора 10 поступает на базу транзистора эмиттерного повторителя 11. В коллекторной цепи транзисторов 13, 14 формируются опорные напряжения, величина которых находится по методике, соответствующей первой схеме:

где R_к сопротивление части резистора 10, находящейся в цепи коллектора транзистора 13.

Используя аналитическую зависимость падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора от величины тока коллектора
,
можно найти ток, генерируемый транзисторами 15, 16:

Путем подстановки /5/ в /6/ определяется выходной ток при фиксированной температуре Т₀:

Зависимость изменения выходного тока от изменения температуры находится после дифференцирования /6/ в точке Т₀:

При фиксированной температуре Т₀ выходной ток создает падение напряжения на резисторах нагрузки U₀(T₀)=I_в(T₀)R_н, а при температуре, отличной от Т₀:
U_н(T-T₀)=U_н(T₀)-S(T-T₀) /10/
где -крутизна преобразования.

При I_oR_к=2ϕ_т крутизна преобразования нулевая, при I_oR_к<2ϕ_т она имеет положительный знак, при I_oR_к>2ϕ_т отрицательный, модуль крутизны при I₀R_к 0 и I_oR_к=4ϕ_т равен
Если при температуре +27^oС падение напряжения на нагрузке составляет 3 В, крутизна преобразования изменения температуры в изменение выходного напряжения согласно расчета составляет 10 мВ/град.

Нулевая разность выходных напряжений при температуре Т₀ устанавливается с помощью переменного резистора 19. Изменение температуры датчика приводит к изменению разности выходного напряжения на величину
U_н(Т-Т₀) S_д(Т-Т₀), /11/
где дифференциальная крутизна преобразования.

Диапазон изменения модуля дифференциальной крутизны преобразования зависит от величины сопротивления переменного резистора 10. Если , а падение напряжения на резисторах нагрузки с помощью переменного резистора 19 устанавливается 3В при температуре +27^oС, то при крайних положениях движка переменного резистора 10 дифференциальная крутизна преобразования S_д составляет ±10 мВ/град. Если , то предельные значения дифференциальной крутизны равны ±20 мВ/град.

Изобретение по сравнению с прототипом позволяет увеличить крутизну преобразования изменения температуры в изменение выходного напряжения на порядок. Обеспечивает стабильность установки нулевой разности выходных напряжений для заданной температуры и модуля крутизны преобразования.

По заданному техническому предложению разработаны и изготовлены экспериментальные образцы микросхем датчиков температуры на основе базовых матричных кристаллов ПБМК 776 ХИ7.340.006 ТУ. При номинальном напряжении источника питания +5В крутизна преобразования составляет +10 мВ/град, мощность, потребляемая от источника питания, не более 0,2 мВт. Погрешность измерения температуры не превышает градуса в диапазоне изменения темпераратур 100^oС (-40.+60^oС) и изменении напряжения источника питания в пределах 4.7В.

Формула изобретения

Электронный датчик температуры, содержащий два термочувствительных транзистора, коллекторы которых соединены с выходными шинами датчика и через резисторы нагрузки с крайними выводами переменного резистора установки нуля, подключенного через средний вывод к шине питания, а также переменный резистор установки крутизны преобразования, отличающийся тем, что в него введены первый, второй, третий резисторы и первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой транзисторы в диодном включении, при этом база первого транзистора через первый резистор соединена с шиной питания, его эмиттер через первый, второй и третий транзисторы в диодном включении соединен с шиной земли, а коллектор с шиной питания, база второго транзистора соединена с базой и коллектором третьего транзистора в диодном включении, эмиттер соединен с шиной земли, а коллектор через второй резистор с базой первого транзистора, база третьего транзистора подключена к коллектору второго транзистора, а коллектор к шине питания, база четвертого транзистора соединена со средним выводом переменного резистора установки крутизны преобразования и через третий резистор с эмиттером третьего транзистора, коллектор подключен к шине питания, а эмиттер через четвертый транзистор в диодном включении соединен с шиной земли, базы пятого и шестого транзисторов подключены к эмиттеру четвертого транзистора, их эмиттеры соединены с шиной земли, а коллекторы с крайними выводами переменного резистора установки крутизны преобразования и базами термочувствительных транзисторов, эмиттеры которых через пятый и шестой транзисторы в диодном включении соответственно соединены с шиной земли.

РИСУНКИ

Рисунок 1