Файл: Кривоносов, А. И. Полупроводниковые датчики температуры.pdf

Учитывая температурные зависимости тока І ко и коэффициента усиления ао, получаем:

/.-Y e7,p ./ ..- /Moe Як/Гр° ^Гро — — 2(1 — Уб^ро) Г2 /3 X

с а.'эО

Структурная схема транзистора при его включении с общей базой аналогична структурной схеме транзистора с общим эмиттером, показанной на рис. 2-9. Для этой схемы .справедливы также зсе ма­ трицы коэффициентов, но с учетом вышеуказанных выражений для коэффициентов А , &гро и А о , а также соответствующих начальных условий.

Полученные передаточные функции для различных схем включе­ ния транзистора, а также при различных сочетаниях полярностей на входе и выходе позволяют определить изменения выходных величий при изменении теплофизических свойств среды и электрических па­ раметров схем включения.

9 4

2-3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ И СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Б предыдущих параграфах настоящей главы были получены пе­ редаточные функции полупроводниковых приборов. Остановимся на вопросе получения линейных теплофизических моделей других полу­ проводниковых приборов.

Для многослойных структур, а также туннельных диодов построе­ ние линейных тепловых моделей не представляет большого практиче­ ского интереса, так как обычно они работают в релейных и переклю­ чательных схемах, где не выполняется условие малых изменений входных параметров. Поэтому при исследовании этих полупроводни­ ковых приборов достаточно воспользоваться основными выражения­ ми для статических температурных и вольт-амперных характеристик. Это же относится также и ко всем полупроводниковым схемам, ра­ ботающим при больших изменениях параметров.

Получение теплофнзическнх моделей и передаточных функций фоточув'ствительных полупроводниковых приборов отличается от по­ лученных моделей и передаточных функций только наличием свето­ вого воздействия. Получение передаточных функций полупроводнико­ вых приборов по отношению к световому воздействию выходит за рамки настоящей работы и будет рассмотрено автором в дальнейших исследованиях. Проводятся также исследования по получению линей­ ных моделей полупроводниковых приборов косвенного подогрева.

Очевидно, что полученные передаточные функции могут быть при­ менены для обоснованного расчета параметров полупроводниковых приборов при их применении как датчиков температур, давления, скорости, в схемах термокомпенсации и термостабплизации, так и коммутационных и линейных элементов в различных схемах автома­ тики, т. е. в общем случае полученные данные применимы практиче­ ски для всего класса задач, решаемых полупроводниковыми прибо­ рами в автоматике и электронике.

Объем данной работы не позволяет привести полностью резуль­ таты исследований передаточных функций полупроводниковых при­ боров, поэтому для иллюстрации рассмотрим методы уменьшения тепловой постоянной времени цепи с полупроводниковым прибором как датчиком температуры.

В качестве выходного параметра рассмотрим изменение статиче­

Таким образом, как коэффициент передачи, так и постоянная вре­ мени зависят от величины и знака коэффициента А , значение кото­ рого соответствует выражению (2-11). Знак коэффициента А і соот­ ветствует знаку температурной чувствительности статического сопро­ тивления. При отрицательном значении коэффициента А і величина

9 5

п о с т о я н н о й в р е м е н и б у д е т м и н и м а л ь н о й п р и /1 |— >-0 и б у д е т р а в н а :

Это условие выполняется при малых токах через полупроводни­ ковый прибор, а также при R B— *-Rc т-

При положительном значении коэффициента F ' r p (/о, 7’ро) вели­ чина постоянной времени обратно пропорциональна величине А . Ма­ ксимальное значение величины А будет при больших токах через прибор и небольших сопротивлениях нагрузки.

Таким образом, одним из основных методов уменьшения постоян­ ной времени является выбор начальных условий в соответствии с тре­ бованиями к инерционности, т. е. начальные условия должны удовле­ творять следующему уравнению:

К недостатку этого метода уменьшения постоянной времени сле­ дует отнести уменьшение коэффициента чувствительности, а также ограниченность выбора начальных условий для каждого конкретного

случая. Другим

уменьшения

инерционности водниковьгх піриборш,

вытекающим из сгріуктурнык схем, является компенсация положитель­ ной обратной связи с пе­ редаточной функцией 1170. Очевидно, что для ее компенсации необходимо включить в конкретную схему элемент с желае­ мой передаточиой функ­ цией.

В качестве примера рассмотрим структурную схему полупровод­ никового прибора как омического датчика температуры, величина сопротивления которого зависит только от температуры рабочего те­ ла, т. е.

U7S=0. (2-169)

Эта структурная схема приведена на рис. 2-ЛО. Для физической реализуемости компенсационного звена необходимо, чтобы на его входе и выходе был электрический сигнал или напряжение. В общем случае это возможно применением в качестве питающего напряжения сигнала с усилителя, на вход которого подается изменение падения напряжения на полупроводниковом приборе. Это показано на

96

я — электрическая схема; б — структурная схема.

рис. 2-11,я. Электрическая схема, реализующая данную структурную схему, показана на рис. 2 -1 1,0 .

Определим коэффициент усиления Gyс, необходимый для компен­ сации обратной связи. Условием компенсации является следующее уравнение:

Это простое уравнение и определяет коэффициент усиления ком­ пенсирующего усилителя.

В измерительной технике широко известен способ компенсации тепловой инерционности датчика измеряемой величины с помощью

7 — 25

Передаточная функция этой цепочки имеет следующий вид:

где Тпс— желаемая инерционность, то передаточная функция №дат датчика температуры с последовательно включенной корректирующей цепочкой запишется в следующем виде:

этого метода следует отнести уменьшение коэффициента усиления всей цепи, так как чем меньше величина т Пс, тем меньше коэффи­ циент усиления ky.

На практике в зависимости от конкретных условии работы эти три основных метода позволяют эффективно решать вопрос уменьше­ ния тепловой инерционности датчика температуры на основе полу­ проводникового прибора.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С р-п-ПЕРЕХОДАМИ

3-1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ как ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

а) Схемы датчиков температуры с делителем напр жения и полупроводниковыми приборами. Схемы датчи­ ков температуры с делителем напряжения и терморези­ сторами изучены достаточно подробно, нашли широкое применение и нет необходимости останавливаться на их рассмотрении. Рассмотрим некоторые схемы с примене­ нием полупроводниковых приборов, которые были ранее

98