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

Рассматриваемое на рис. 3-8,а устройство для изме­ рения разности температур Т2—Ті состоит из делителя

напряжения, построенного на резисторах Rі и R2, и одиокаокадного усилителя, построенного на транзисторе Т.

Рис. 3-8. Принципиальные электрические схемы устройств для из­ мерения температуры с усилителем.

Преимуществом данной схемы является ее простота, воз­ можность измерения разности температур двух сред с одновременным усилением сигнала. Делитель напря­

даст возможность легко снимать выходные зависимости Д /=/(АГ ). Более хорошие результаты (с точки зрения стабильности) могут быть получены, если заменить в схе­ ме рис. 3-8 биполярный транзистор Т на униполярный.

106

д) Схемы релейного действия. Значительное место в схемах автоматического регулирования температуры занимают сигнализаторы релейного действия, которые обеспечивают автоматическую сигнализацию и защиту устройств в различных тепловых режимах, например, ка­ лориферных установок, электродвигателей вентиляторов, подшипников агрегатов и обмоток электродвигателей и т. д. с фиксацией места перегрева.

Применяемые в настоящее время схемы релейного действия имеют ряд существенных недостатков, ограни­ чивающих их использование. К таким недостаткам сле­ дует отнести трудности, связанные с регулировкой и на­ стройкой, неудобства практической реализации схем и их расчета, узкая специализация применения, недоста­ точно высокая точность, воспроизводимость и стабиль- 'і-юсть. Кроме того, необходимо отметить несоответствие некоторых конструктивных разработок современным тре­ бованиям к автоматическим-устройствам. Перечисленные недостатки в значительной степени могут быть преодо­ лены использованием более совершенных полупроводни­ ковых приборов в качестве термочувствительных элемен­ тов, таких как диоды, транзисторы, тиристоры и т. д. [Л. 60, 146].

Так, например, применение транзистора позволяет по­ лучить возможность регулировки и настройки на соот­ ветствующее значение температуры за счет управляю­ щего электрода.

Зависимость тока коллектора транзистора от темпе­ ратуры позволяет использовать транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в качестве чувствительного элемента термореле.

Всхеме рис. 3-10,а исполнительное реле включается

вцепь коллектора, а в цепь базы включаются резисторы Ri и R2, один из которых шунтируется размыкающим контактом исполнительного реле. Изменяя сопротивления

резисторов Ri п R2, можно настраивать реле на заданные температуры срабатывания и отпускания [Л. 60].

На двух транзисторах, включенных по схеме модели четырехслойной структуры (рис. 3-10,6), может быть по­ строено бесконтактное температурное реле, так как такая схема позволяет получать релейный режим тока в на­ грузке. Такое реле состоит из двух транзисторов, вклю­ ченных но модели четырехслойной структуры, источника питания и нагрузки. Принцип работы прибора ясен из

107

рис. 3-10,в, где представлены вольт-амперные характе­ ристики реле при температурах 7\ и Т2 и нагрузочная

линия Ru. При изменении температуры среды от Т{ до Т2 ток в нагрузке изменяется скачком. Настройка реле на заданную температуру срабатывания производится при помощи изменения напряжения питания или изменением

Принцип действия датчиков температуры на четырех­ слойной структуре основан на релейной зависимости тока в'нагрузке от температуры. Исследования тиристоров показали значительную зависимость напряжения пере­ ключения от температуры и позволили использовать та­ ковые ів (качестве термореле [Л. 147]. Применение четы­

рехслойных структур в качестве термочувствительных элементов дает возможность на их основе строить бес­ контактные температурные реле. Схема термореле на тиристоре представлена на рис. 3-10,г. Бесконтактное температурное реле состоит из тиристора в качестве тер­ мочувствительного элемента, источника постоянного на­ пряжения и нагрузки. Принцип работы прибора аналоги­ чен работе тер'Мореле (рис. 3-10,а и б). Использование многослойных структур с управляющим электродом в ка-

108

Честве датчиков температуры 'позволяет, кроме того, производить плавную настройку на соответствующий диапазон температур, что позволяет получить регулируе­ мое бесконтактное температурное реле, состоящее из ти­ ристора, источника (постоянного напряжения и нагрузки. Принцип работы прибора ясен из рассмотрения рис. 3-10,5, где представлены вольт-амперные характе­ ристики тиристора и нагрузочная линия Rn. При этом кривые /у,, Т1 и Іуъ Ті соответствуют двум различным

сигналам на управляющем электроде тиристора при Тем­ пературе Тj. Температуре Т% соответствует вольт-ампер­ ная характеристика / у2, Tz. При изменении температуры

окружающей среды от Ті до Tz ток в нагрузке изменится скачком. Настройка реле на соответствующую темпера­ туру срабатывания может производиться при помощи управляющего электрода тиристора. Применение четы­ рехслойной структуры с двумя управляющими электро­ дами (бинистора) ,в качестве термочувствительного эле­ мента значительно расширяет возможности применения подобного типа термодатчиков.

собой одновременно релейное исполнительное устройст­ во с электрически независимой цепыо управления, что позволяет не только упростить электрическую схему, но и применить ее в широком диапазоне температур собеспечением взаимозаменяемости в устройствах различного назначения.*

д) Частотно-временные и фазовые преобразователи температуры. Задача дистанционного пмерения темпера­ туры представляет значительный практический интерес. Немаловажным при этом является удобство и точность намерения. И если в одних случаях можно ограничиться измерением таких электрических параметров, как ампли­ туда напряжения, то в других — единственно приемле­ мым оказывается измерение частотно-временных показа­ телей. Такая необходимость возникает, например, при измерении температур, в глубоких скважинах, когда за­ мер амплитудных параметров вызывает определенные погрешности, в то время как преобразование температу­ ры в частоту синусоидальных сигналов, длительность или частоту следования импульсов повышает точность изме­ рения, а также облегчает задачу представления измеряе­ мой величины в двоичном коде (Л. 60].

109

Ri, влияющим па время восстановления схемы. Сделав этот резистор термочувствительным, используя, напри­ мер, обратносмещенный диод, можно получить преоб­ разователь типа «изменение температуры — изменение частоты». Вместо диода могут быть использованы и кол- лекторно-эмиттерный или базово-эмиттерный переходы транзистора, а также другие термочувствительные эле­ менты.

Лучшую стабильность частоты по сравнению с бло- кивг-генератором имеют мультивибраторы.

Может быть предложено устройство [Л. 18], представ­ ляющее собой мультивибратор с положительной сеткой,

вразрядные дени которого включены термочувствитель­ ные элементы. Преимуществом подобного устройства является легкость изготовления и простота наладки, чем,

вчастности, и объясняется их широкое распространение

вимпульсной технике. Из известных схем мультивибра­ торов наиболее стабильны схемы с «положительной сет­ кой». Как известно, частота генерации мультивибратора обратно пропорциональна сумме постоянных времени двух цепочек разряда:

При использовании в качестве резисторов Rі и R2 тер­

мочувствительных элементов величина f будет являться функцией температуры среды, в которой находятся тер­ мочувствительные элементы. Следовательно, частота ге­ нерации будет также являться, функцией температуры среды. В качестве термочувствительных элементов могут быть использованы, например, диоды,.включенные в про­ водящем либо в запертом направлении. Мультивибрато­ ры могут быть собраны как на транзисторах (рис. 3-11,6), так и на электронных лампах (рис. 3-11,в). Использование электронных ламп вместо транзисторов вызвано тем, что это позволяет уменьшить влияние окру­ жающей среды на параметры схемы.

Может быть также предложен преобразователь' тем­ пературы. в частоту, содержащий в качестве термочувст­ вительного элемента диод с использованием его обратной

ill

диод, Uy— дополнительный источник питания. Частота ге­ нерации в основном зависит от постоянной времени цепи разряда конденсатора, которая в свою очередь зависит при постоянной емкости от сопротивления активного ре­ зистора цепи разряда. Так как в данном случае в цепи разряда конденсатора находится диод, включенный в за­ пирающем направлении, то суммарное сопротивление

на тиристорах.

цепи разряда определяется обратным сопротивлением диода. Следовательно, частота следования импульсов будет зависеть от температуры.

Наличие у тиристора управляющего электрода позво­ ляет производить плавную настройку устройства на за­ данную частоту генерации импульсов, в результате чего получаем семейство вольт-амперных характеристик тири­ стора с различными значениями напряжения переключе­ ния ишр. Следовательно, настраивая устройство на соответствующее напряжение переключения, можем про­ изводить плавную настройку преобразователя на опреде­ ленную частоту.

В цели разряда -конденсатора может быть также в ка­ честве термочувствительного элемента включен транзи­ стор (рис. 3-12,6).

112

Частота генерации связана с постоянной времени це­ пи разряда изаряда конденсатора. Постоянная времени цепи разряда и заряда конденсатора определяется активным сопротивлением коллектор — эмиттер, которое зависит от температуры [Л. 23].

Таким образом, частота генерации будет являться функцией температуры. Кроме того, изменяя напряжение смещения Uб.э, можно произвести .плавную регулировку частоты генерации. Необходимо отметить, что примене­ ние транзистора в качестве термочувствительного эле­ мента по сравнению с термочувствительным элементом на основе диода значительно повышает температурную чувствительность. Использование тиристора в качестве генератора частоты позволяет значительно расширить диапазон настройки устройства на соответствующую ча­ стоту генерации при помощи управляющего электрода.

На основе четырехслойных структур в качестве тер­ мочувствительных элементов имеется возможность изго­ товления преобразователей температуры в частоту в со­ четании с простотой конструктивного решения и с хоро­ шей стабильностью в связи с применением сопровождаю-' щих элементов схемы, практически не зависящих от тем­ пературы окружающей среды.

В преобразователе температуры в частоту (рис. 3-12,в), тиристор является одновременно термочувствительным элементом и генератором импульсов [Л. 60].

Так как напряжение переключения тиристора явля­ ется функцией температуры, то, очевидно, при изменении температуры среды изменяется напряжение переключе­ ния тиристора, что влечет за собой изменение момента открывания и закрывания тиристора. Например, если на­ пряжение переключения тиристора уменьшится под дей­ ствием температуры среды, то отпирание тиристора будет происходить раньше. Процесс запирания тиристора так­ же ускоряется. Таким образом, частота генерации будет являться функцией температуры. Настройка устройства может производиться при помощи управляющего элек­ трода тиристора.

Большей чувствительностью (Л. 90] обладает схема самовозбуждающегося фантастрона (рис. 3-13,а), в кото­ рой термочувствительные резисторы включены как во