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

в качестве Ri и R3 взять, например, терморезисторы с от­

рицательным температурным коэффициентом, а в каче­ стве Rn— терморезистор с положительным температур­ ным коэффициентом (позпстор), пли . наоборот. Кроме того, эта схема позволяет получать на выходе пилооб­ разное напряжение.

Представляют интерес схемы, в которых изменению температуры соответствует изменение длительности им­ пульсов, т. е. преобразователи типа «температура — дли­ тельность импульсов».

Практически такие преобразователи могут быть вы­ полнены с применением схем ждущего мультивибратора (рис. 3-13,6) или фантастрона (рис. 3-13,в). И в том и в другом случае возможно двойное управление длитель­ ностью импульсов, что повышает чувствительность схем. В схеме рис. 3-13,в длительность импульсов определяет­ ся сопротивлением резистора R% и напряжением на сетке запертой лампы, которое в свою очередь зависит от соот­ ношения сопротивлений резисторов Ri и Rz- При исполь­ зовании в качестве Ri и R3 резисторов с температурным

коэффициентом одного знака, а в качестве R t— резисто-

114

ра с температурным коэффициентом другого знака, чув­ ствительность схемы к изменению температуры будет увеличена. Аналогично может быть выполнена и схема фантастрона (рис. 3-13,6).

Следует отметить, что повышению чувствительности описанных схем будет способствовать применение в ка­ честве конденсаторов во времязадающих цепочках чув­ ствительных элементов варнкондов.

В качестве термочувствительного элемента в схемах датчиков температуры может быть также использован варикап [Л. 92, 148].

Емкостные свойства диода обусловлены наличием внутреннего электрического поля р-п перехода. Между областями р II я возникает контактная разность потен­ циалов, в результате чего между р и я областями обра­ зуется переходный слой, в котором почти нет электронов и дырок. Если приложить к диоду обратное напряжение /\ІІобр, то потенциальный барьер возрастет на величину A't/обрПроизойдет расширение переходного слоя.

Таким образом, изменение напряжения, приложенно­ го к диоду, приводит к изменению толщины переходного слоя р-п перехода, т. е. р-п переход действует как кон­ денсатор.

Следовательно, величина барьерной емкости зависит от величины приложенного напряжения:

У"Met +

где к — коэффициент, зависящий от параметров полу­ проводника; S — площадь />я-перехода; U06*p— прило­

женное напряжение; UK—-высота потенциального барье­ ра между областями р и я при отсутствии внешнего на­ пряжения.

Для германиевых полупроводников UK= (0,3-н0,5) в, для кремниевых UK= (0,5-г-0,7) в. Рабочий интервал на­ пряжений варикапов ограничивается величиной напря­

жения і/проб.

Особенности термодатчика «а варикапе состоят в том, что в нем для преобразований изменений температуры в изменение частоты термочувствительный элемент вы­ полнен в виде включенной в LC-контур .генератора -ра­ диочастоты емкости варикапа, причем источник управ­ ляющего емкостью напряжения подключен к варикапу

через омический резистор сравнимой с обратным сопро­ тивлением варикапа величины.

Температурная нестабильность емкости варикапа не­ велика п зачастую приближается к нестабильности кера­ мических конденсаторов.

Однако зависимость от температуры обратного со­ противления варикапа, включенного параллельно его емкости, позволяет использовать варикап в качестве термозависнмого конденсатора. При этом изменение тем­ пературы .приводит к изменению управляющего напря­ жения на варикапе за счет изменения обратного сопро­ тивления варикапа, а это, в свою очередь, вызывает изме­ нение емкости.

При включении варикапа, соединенного с источником управляющего напряжения вышеуказанным образом, в контур генератора радиочастоты может быть получен преобразователь температуры в частоту.

Значительный интерес представляет использование в качестве такой термочувствительной емкости — емкости коллекторного перехода транзисторов.

В схеме, представленной па рис. 3-14,а, последова­ тельное соединение обратного статического сопротивле­ ния варикапа п резистора, сопротивление которого име­ ет один порядок величины с сопротивлением варикапа, образует омический делитель, включенный параллельно источнику управляющего напряжения.

Емкость С'б варикапа, соединенная параллельно с об­ ратным сопротивлением варикапа, включена в контур генератора высокой частоты ГВЧ, образованный этой емкостью II индуктивностью L.

Изменение температуры повлечет за собой изменение обратного сопротивления варикапа и, следовательно, на­

а изменение этого напряжения вызовет изменение барь­ ерной емкости варикапа и частотную модуляцию коле­ баний, генерируемых ГВЧ и определяемых параметрами ГС-контура.

Чувствительность схемы значительно увеличится, если подачу управляющего напряжения осуществлять с тер­ мочувствительного делителя (рис. 3-14,6), составленного

116

из резисторов с температурным коэффициентом разного знака.

При помощи схемы (рис. 3-14,в) .может быть осуще­ ствлено преобразование температуры в фазу при на­ стройке на определенный диапазон температур.

1 B z r ± J

Спомощью схемы с малоинерционным датчиком тем­ пературы появляется возможность широтно-импульсного преобразования температуры.

Схема содержит в качестве датчика температуры об­ ратно-смещенный полупроводниковый диод.

Сцелью повышения надежности и измерения темпе­

ратуры быстро протекающих процессов предлагаемое в [Л. 85] устройство снабжено генератором импульсов и триггером, один вход которого' подключен к генератору импульсов, другой вход подключен к средней точке по­ следовательно соединенных чувствительного элемента и конденсатора, включенных между положительным полю­ сом источника питания и общей точкой схемы, а изме­

117

рительный прибор, зашуптированиый конденсатором, включен между нагрузками в плечах триггера.

Схема устройства представлена на рис. 3-14,г. Устройство для измерения температуры содержит

конденсатор С* и чувствительный элемент Д в виде об- ратно-смещенного полупроводникового диода, 'Соединен­ ные последовательно и подключенные между «плюсом» источника питания и общей точкой схемы; триггер, на­ пример, на тиратронах Л х и Л2 с холодным катодом и нагрузками Ri и R2 в .плечах; генератор импульсов ГИ,

к которому подключен один вход триггера, другой вход которого подключен к средней точке между чувствитель­ ным элементом Д и конденсатором Сь и измерительный прибор И, зашунтированный конденсатором С2 « вклю­ ченный между нагрузками Ri и R2 в плечах триггера.

Между генератором импульсов ГИ и входом триггера включен конденсатор С3.

Изменяя величину емкости конденсатора Сь а также параметры резистора и конденсатора цепочки заряда ге­ нератора импульсов, при любой температуре можно до­ биться равенства времени нахождения тиратронов Лі и Ло в проводящем состоянии. В результате значение тока, регистрируемого измерительным прибором И, равно нулю.

Таким образом, начало отсчета может быть смещено в- ту или другую сторону в пределах рабочего диапазо­ на температур. Нагрев термочувствительного элемента, в данном случае диода, изменяет зарядный ток и, следо­ вательно, время заряда конденсатора Сі, результатом чего при неизменной частоте следования импульсов с ге­ нератора импульсов ГИ будет изменение соотношения времени нахождения тира тронов Л і и Л2 в проводящем

состоянии, увеличивающегося при увеличении темпера­ туры, что будет фиксироваться измерительным прибо­ ром.

3-2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕРМОДАТЧИКА С ДИОДОМ, СМЕЩЕННЫМ В ПРЯМОМ НАПРАВЛЕНИИ

Большим .преимуществом датчиков температуры с диодом, смещенным в прямом 'Направлении, является линейность термометрической характеристики. Такая ли­ нейность сохраняется и при дифференциальной схеме включения диода. Кроме того, такие термодатчикн име­

118