6.3 Основні теоретичні положення

6.3.1 В основі роботи всіх напівпровідникових температурних датчиків лежить співвідношення між струмом напівпровідникового переходу і напругою на ньому:

, (6.1)

де k – постійна Больцмана, T – абсолютна температура, q – заряд електрона, - струм, що залежить від геометр, і температури переходу (Це співвідношення справедливе починаючи з декількох сотень мілівольтів і не враховує деякі незначні ефекти). Тільки деякі види напівпровідників використовують для температури перетворювачів.

Перевагою напівпровідникових датчиків є високий і практично лінійний коефіцієнт перетворення (приблизно мінус 2 мВ/ºС).

Прикладом напівпровідникового перетворювача є спеціально розроблений для вимірювання температури діод Motorola MTS102. Його застосовують як термочутливий датчик в автоматиці, де важлива точність і низька ціна. Він забезпечує вимірювання температури з точністю ±2ºС в діапазоні від – 40ºС до 150ºС.

Для виготовлення найпростішого пристрою вимірювання температури на основі напівпровідникового переходу (діода) необхідне збудження для активації p-n переходу, зміщення для компенсації потенціального бар’єру при нульовій температурі (за Цельсієм) і підсилення для отримання необхідного температурного коефіцієнта напруги.

6.3.2 Найкращий спосіб збудження для діодного датчика є джерело струму. В деяких випадках можна застосувати наближене резистивне зміщення, але нестабільність і флуктуації напруги живлення можуть бути причиною значних похибок. Ця проблема загострюється в пристроях з низькою наругою джерела живлення .

В більшості випадків для підсилення сигналу від напівпровідникового термодатчика використовується прецизійні ОП. Швидкість є зміни сигналу зазвичай неважлива.

6.3.3 На рис. 6.1 наведено найпростішу схему для вимірювання температури на основі напівпровідника зображено транзистор, який ввімкнено по схемі діода, тобто використовується тільки перехід (емітер-база) база-емітер.

Рис. 6.1 – Схема пристрою для перетворення температури в еквівалентну напругу

Одне джерело струму використовується для створення струму в колі датчика, а інше ( ) для компенсації зсуву напруги, що виникає внаслідок впливу енергетичних характеристик напівпровідникового переходу.

Вихідна напруга буде визначатися наступним співвідношенням:

, (6.2)

де - напруга на базовому p-n переході; I – струм опорного джерела струму.

Недоліком такої схеми є необхідність регулювання початкового зміщення (резистор R1), та коефіцієнта підсилення (резистор R2) для кожного екземпляра.

6.3.4 Наприклад, якщо необхідно представити температуру за допомогою напруги і при цьому температурі 0ºC відповідатиме 0В, а температурі 100 ºC відповідатиме напруга 1В, то проводять наступні дії. Вміщують датчик в середовище із температурою 100 ºC і за допомогою R2 встановлюють напругу, наприклад, 1В.

Якщо початкове значення напруги (напруга, що відповідає мінімальній температурі) не нульовій, то необхідно визначити при якій температурі на основі напівпровідникового переходу.

Сучасні інтегральні напівпровідникові датчики температури характеризуються високою точністю і лінійністю в діапазоні температури від -55 до +150 ºC. Ці пристрої часто використовуються у вузлах компенсації холодного спаю для термопар, що працюють у широкому температурному діапазоні.

6.3.5 Основним недоліком напівпровідникового датчика (рис.6.2, а) є необхідність індивідуального налагодження кожного вимірювача.

Якщо взяти N ідентичних транзисторів (рис.6.2, б) і припустити, що - загальний струм колектора, порівно розподілений між усіма транзисторами, то нове значення напруги база-емітер буде визначатися співвідношенням:

(6.3)

Рис. 6.2 – Основні структури напівпровідникових датчиків температури

6.3.6 Жодна з ланок (рис.6.2) не використовується як самостійний датчик через сильну температурну залежність струму , але якщо пропустити рівні струми через один біполярний транзистор і через N ідентичних йому, то різниця між цими двома база-емітерними напругами пропорційна абсолютній температурі і не залежить від .

(6.4)

6.3.7 Ланка, показана на рис.6.3, описується наведеними співвідношеннями і відома як комірка Брока (Brokaw Cell). Напруга прикладена до резистора R2. Струм емітера VT1 визначається як . Приблизно цій же величині дорівнює . Напруга на прямому вході дорівнює тій же величині з точністю до десятків мікровольт, а оскільки в ланці колектора VT2 встановлений резистор з тим же номіналом R, то струми і виявляються рівними. Вони сумуються на резисторі R1. Спад напруги на ньому пропорційний абсолютній температурі і визначається формулою:

(6.5)

Опорна напруга комірки , знімається з бази VT2 і є сумою (VT2) і . Як і , (VT2) також лінійно залежить від абсолютної температури, але з ростом її зменшується (в оригіналі ця залежність названа комплементарною до абсолютної температури, ). Сума і при певному співвідношенні R1/R2 до N виявляється не залежною від температури (коли відношення R1/R2 до N таке, що напруга на виході ОП=1,205В). Описана ланка є базовою і найчастіше використовується в схемотехніці інтегральних напівпровідникових термодатчиків.

Рис. 6.3 – Напівпровідникова комірка Брока

Програма виконання роботи

Скласти схеми

Рис. 6.4 – Схема лабораторної установки

Для схеми використати

ДА1, ДА2 R140УД6А

R1 200 Ом

R2 10 кОм

R3 5,1 кОм

R4 1 кОм

R5 10 кОм

VD1 КС 147А

VT1 КТ 315Б

Uc +10В