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

неизвестны. Включение транзистора возможно по схе­ мам, показанным на рис. 3-1,а—г. Представляют инте­ рес схемы, показанные на рис. 3-1,д, е, в которых кол­ лекторный и эмиттерный переходы включены лараллель-

Рис. 3-1. Схемы датчиков температуры с транзистором

вкачестве термочувствительного элемента и одним

источником питания.

но друг другу, но смещены в первом случае в прямом направлении, а во втором случае — в обратном. В каж­ дой из этих схем благодаря совмещению двух диодов

Рис. 3-2. Схемы датчиков температуры с транзистором в качестве термочувстви­ тельного элемента, одним источником пита­ ния и двумя резисторами.

в одном транзисторе чувствительность возрастает при­ мерно вдвое.

Кроме того, используя различные сочетания полярно­ стей, можно включать транзистор в схему с делителем напряжения как прибор, обладающий свойствами диода в прямом пли обратном смещении.

термочувствительные элементы, сигнал. При этом 'благо­ даря соответствующему включению потенциометра R может быть .получен в соответствии с требованиями к устройству положительный или отрицательный знак температурного коэффициента сопротивления. Переме­ щением движка потенциометра R может быть обеспечен также соответствующий наклон температурной характе­ ристики термочувствительной цепи, что позволяет полу­ чать взаимозаменяемые электрические термочувстви­ тельные цепочки. В качестве термочувствительного эле­ мента Rt+ с положительным знаком температурного

коэффициента сопротивления может быть применен, на­ пример, позистор, а с отрицательным Rt- —полупровод­ никовый терморезистор. Выбором величины сопротивле­ ния обмотки потенциометра R может быть обеспечена также требуемая нелинейность температурной характе­ ристики термочувствительной электрической цепи. Пред­ ложенная термочувствительная цепь может быть вклю­

мочувствительных устройствах различных областей про­ мышленности в некоторых случаях возникает необходи­ мость в измерении абсолютной разности температур, например разности между критической для данного устройства и действительной. Кроме того, в ряде случаев необходимо получение высокой чувствительности в узком интервале температур с наличием возможности регули­ ровки и настройки на соответствующие диапазоны. Для этой цели применяют дифференциальные схемы включе­ ния.

Дифференциальные схемы с терморезисторами приве­ дены в [Л. 146]. Ниже рассмотрено применение в этих схемах диодов и транзисторов.

Принципиальная электрическая схема дифференци­ ального датчика разности температуры двух сред пред­ ставлена на рис. 3-5,ß. Рассматриваемая схема предна­

мочувствительных элементов полупроводниковые диоды. Схема состоит из четырех полупроводниковых диодов Д і—Д/„ включенных попарно навстречу друг другу. Токи

в ветвях схемы в любой момент времени определяются

101

сопротивлениями диодов, включенных ,в обратном на­ правлении. Прямым сопротивлением диодов можно в этом случае пренебречь. Ток через нагрузку характеризуется алгебраической суммой токов Л и І2, .проте-кащих на­ встречу друг другу. Обратное сопротивление диодов за­ висит от температуры окружающей среды, поэтому, если диоды идентичны н температура окружающей среды для

Лі А з

всех диодов одинакова, суммарный ток через нагрузку равен нулю.

Диоды Д 1—Ді используются в качестве термочувстви­

тельных элементов для измерения разности температур двух сред: одна нз которых Г0 остается постоянной и равной 295 °К. Для сглаживания тока параллельно на­ грузке включается конденсатор С (на рис. 3-5,а показан пунктиром), емкость которого определяется согласно вы­ ражению

Соответствующие параметры диодов, необходимые для расчета рассматриваемой схемы, сведены в табл. 3-1.

В схеме использованы диоды типа Д /Д , напряжение питания схемы 220 в, частота 50 гц, напряжение U2, сни­ маемое со вторичной обмотки трансформатора, равно 20 в. Оно выбирается из условия 2Н2гс; НМзкс, где UMацС—

102

с электронно-дырочными переходами. В термочувстви­ тельных устройствах различных областей промышленно­ сти широко применяются уравновешенные и неуравнове­ шенные мостовые схемы.

Рассмотрим возможные мостовые схемы включения полупроводниковых приборов. Мостовая схема включе­ ния смещенного в прямом направлении диода представ­ лена на рис. 3-6,а, где в одно плечо включен диод, а в три другие — резисторы. В качестве нагрузки может быть включен показывающий прибор [Л. 60]. Чувствитель­ ность, примерно в 2 раза большую, имеет схема, пред­ ставленная на рис. 3-6,6, в два противоположных плеча которой включены диоды, а в два других — резисторы. Включив в два смежных плеча по диоду, получим схему для измерения разности температур. Заменив в предыду­ щей схеме резисторы диодами, получим устройство для измерения разности температур повышенной чувстви­ тельности (рис. 3-6,в, г). При этом диоды Ді и Д 2 поме­ щают в среды с температурой Ти а Д3 и Д 4— с темпера­

турой Т2.

103

Рассмотрим мостовые схемы с транзисторами. Чув­ ствительность, большую чем в мостовых схемах с диода­ ми, можно получить при включении в одно плечо коллек- торно-змиттерноіго перехода транзистора (рис. 3-6,6). Зная вольт-амперные характеристики транзисторов'при разных схемах включения, можно получить мостовые схемы соответственно с одним, двумя, тремя и четырьмя

Рис. 3-6. Мостовые схемы включения датчиков температуры с элек­ тронно-дырочными переходами.

транзисторами, с использованием их входных и выходных вольт-амлериых характеристик. Расчет измерительного моста сводится к расчету неуравновешенной мостовой схемы (построению градуировочной термометрической шкалы). Трудоемкость аналитического расчета мостов с нелинейными элементами привела к необходимости создания более простых методов расчета нелинейного моста [Л. 60, 84]. Предложенную .методику расчета мож­ но рекомендовать для мостов, содержащих любые нели­ нейные элементы с положительным дифференциальным сопротивлением (диоды в прямом и обратном включении, транзисторы, варисторы и т. д.). В плечи моста может быть включено и несколько нелинейных элементов, одна­ ко методика расчета практически остается той же.

г) Датчики температуры с усилительными каскадами.

При создании малогабаритных датчиков температуры возникает задача повышения их температурной чувстви-

104

тельности и уровня выходного сигнала. Эта задача ре­ шается достаточно 'просто, если в обычной усилительной схеме использовать вместо какого-либо линейного эле­ мента термочувствительный полупроводниковый -прибор. Тогда такая схема будет совмещать в себе датчик тем­ пературы с усилительной схемой.

На рис. 3-7 приведена 'принципиальная схема датчи­ ка температуры с двухкаскадным усилителем [Л. 159].

Рис. 3-7. Практическая схема датчика темпера­ туры с двухкаскадным усилителем.

В этом датчике роль термокомпенсирующего элемен­ та выполняет полупроводниковый диод Дз, -смещенный в прямом направлении, параллельно которому включен постоянный резистор R6. Датчик содержит двухкаскад­ ный усилитель на транзисторах типа п-р-п п р-п-р и мостовую схему, в два плеча которой включены постоян­ ные резисторы Дз и Ді, один из которых подбирается при настройке. В третье плечо включен переменный резистор Ri, величина которого калибруется при настройке изме­ рителя и соответствует измеряемой температуре, в чет­ вертое плечо — терморезистор Rt, .выполняющий функции термодатчика, а также термокомпенсирующий диод Д 3 с резистором Re.

Данный датчик имеет небольшие размеры и питание его осуществляется от сети постоянного тока 26 <з±5% через параметрический -стабилизатор.

Усилительные каскады могут быть использованы так­ же при создании датчиков разности температур [Л. 15].

105