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

В качестве чувствительного элемента был выбран транзистор типа П14 с параметрами:

Лип=1.3 мка, Лді = 6,9 мом, ВД = 7 740°К.

Рассмотрим расчет реле температуры.

1.Рассчитываем температурную характеристику тран­ зистора по формуле

2.Переносим вольт-амперную характеристику в на­ чало координат. Проводим линии равной мощности и находим вольт-амперные характеристики для темпера­ тур среды 321 и 320°К. Следует отметить, что перенесен­ ная ось напряжений необходима лишь для построения

вольт-амперных характеристик. 3. Из рис. 3-21,6 выбираем:

Пппт= 37 б, і?ер= 300 ОМ, Лотп= 500 ом.

4. Согласно схеме рис. 3-21,о имеем:

Л е р — Л Р ; Л о т п — Л р + Л г .

5. По каталогу выбираем реле электромагнитное РС4.503.877 СП-П типа РКМ-1 с параметрами / Ср=

60 мо, Лр = 300 ом, /отп==30 Ліо.

6. Определяем R%:

Лг=Лотп—ЛР = 200 ом.

3-7. ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

В электронике широкое применение получили гене­ раторы прямоугольных импульсов на основе триггерных схем, включающих в себя два транзистора с емкостны­ ми связями. Большой интерес представляет использова­ ние этих схем в качестве преобразователей температуры в частоту, что достигается включением в коллекторно­ базовые цепи транзисторов термочувствительных эле­ ментов і[Л. 14—24]. Рассмотрим схемы преобразовате­ лей температуры в частоту с применением в качестве термочувствительных элементов различных полупровод­ никовых приборов.

133

На принципиальной электрической схеме, изобра­ женной на рис. 3-22,а обозначено: 7\ и Т2— транзисторы типа п-р-п; и Д2— диоды; Сі и С2— конденсаторы времязадающих цепей; Г3 и 7Ѵ— транзисторы типа п-р-іѵ, Ri и R2 — переменные резисторы; СшІТ— источник пита­

ния. Работа рассматриваемого термопреобразователя заключается в следующем. Температура среды, изме­

ряемая диодами Д 1, Д2, преобразуется в последователь­

ность электрических прямоугольных импульсов. Период генерируемых импульсов и их частота определяются параметрами времязадающих цепей Ди Сі и Дг, С2, причем транзисторы 7з, 7Т работают в режиме насыще­ ния. Динамический диапазон работы преобразователя определяется параметрами как разрядных цепей Ди

и Дч, Сч, так и параметрами зарядных цепей Tit Сі

и Тч, Сч.

Включение в качестве коллекторной нагрузки Ти Т2 нелинейных сопротивлений типа Ri, которые представ­ ляют собой транзисторы типа п-р-п, включенные по схе­ ме с общим эмиттером, позволяет повысить крутизну переднего фронта выходного импульса, при одновремен­ ном расширении динамического диапазона работы тер-

134

мопреобразователя за счет ускорения заряда конденса­ торов Ci, С2. Переменные резисторы Ru Яг использованы для настройки схемы.

Более высокой динамической чувствительностью об­ ладает электрическая схема преобразователя, показан­ ная на рис. 3-22,6, где обозначено Ru R2 , R3 —резисторы;

Ди Дг — термочувствительные диоды; Си С2— конденса­ торы; Ті, Т2— транзисторы; UmiT— источник питания. Работа данного термопреобразователя заключается

вследующем. Наличие диодов Ди Дг во времязадающих цепях Ди Сі и Д2, С2 релаксационного автогенера­ тора позволяет преобразовать измеряемую температуру

вчастоту или период прямоугольного электрического импульса. Подключение резистора Яз к базам обоих транзисторов изменяет уровень перезаряда конденсато­

ров Си С2 и изменяет момент отпирания транзисторов Tu Т2. Все это создает в схеме положительный эффект, заключающийся в увеличении динамической чувстви­ тельности преобразования измеряемой температуры в ча­ стоту или период прямоугольных электрических им­ пульсов.

Более высокой стабильностью работы при изменении сопротивления нагрузки обладает схема, приведенная на рис. 3-22,в. Эта цель достигается с помощью введения оптической связи между цепями нагрузки и формирую­ щими цепями. На принципиальной электрической схеме, представленной .на рис. 3-22,в, обозначено: Ти Т2— тран­

Спит — дополнительный источник питания; ИД — инжекционный диод. Работа схемы заключается в следующем. Измеряемая температура среды, воспринимаемая дио­ дами Ди Д2, которые включены во времязадающие цени релаксационного генератора, преобразуется в частоту электрических импульсов. Введение инжекционного дио­

вязать цепь нагрузки и формирующие цепи и исключить тем самым влияние цепей нагрузки на параметры гене­ ратора. Применение полупроводниковых приборов в ка­ честве термочувствительных элементов частотных пре­ образователей позволяет создавать также датчики раз­ ности температур с частотным выходом.

135

Схема датчика разности температур представлена на рис. 3-22,г. На этой схеме введены следующие обо­ значения: Т1, Т2— транзисторы; Яі, Я2— нагрузочные

резисторы в цепях коллекторов; Сі, С%— конденсаторы во времязадающих цепях; ФДі, ФДг—фотодиоды в ка­ честве термочувствительных элементов; ИДи ИД%— нн-

Рис. 3-23. Схемы ча­ стотных преобразова­ телей температуры.

жекционные диоды; — резисторы нагрузки; Umn — источник питания.

Работа схемы заключается в следующем. Фотодиоды ФДі, ФД2, включенные во времязадающие цепи, исполь­ зуемые для преобразования разности температур двух сред в частоту прямоугольных электрических импульсов, находятся в оптической связи о инжекционными диода­ ми ИДи ИДі, которые включены последовательно с на­ грузочными резисторами Яз, Яі параллельно источнику питания Uam. Колебания напряжения питания Ulim приводят к изменению тока через инжекционные диоды ИДі, ИД2. Увеличение или уменьшение тока через све­ товой диод увеличивает или уменьшает яркость излуче-

136

ния светового диода. Увеличение или уменьшение ярко­ сти излучения приводит к уменьшению или увеличению сопротивления фотодиодов ФД\, ФДг, что соответствен­ но приводит к увеличению или уменьшению частоты генерирования схемы. Следовательно, изменение часто­ ты генерирования при колебаниях напряжения питания уменьшается за счет введения световой связи.

'Более простая и надежная схема датчика темпера­

фотодиод, ИД — инжекционный диод, Сі, С2 — конденса­ торы, Т1, Tz — транзисторы, U„m — источник питания.

Работа преобразователя заключается в следующем. Измеряемая температура, воспринимаемая диодом Д, преобразуется в последовательность прямоугольных им­ пульсов. Ток, протекающий через излучатель ИД, про­ порционален изменению температуры. Ток, протекаю­ щий через фотодиод ФД, также пропорционален изме­ ряемой температуре вследствие наличия оптической связи. Следовательно, параметры обеих разрядных це­ пей генератора пропорциональны измеряемой темпера­ туре.

Термопреобразователь, представленный на рис. 3-23,6, отличается от рассмотренного преобразователя повы­ шенной чувствительностью преобразования за счет вве­ дения усилительного звена Г3 в разрядную цепь ФД, С2 при сохранении других положительных качеств схемы термопреобразователя, представленного на рис. 3-23,а.

Более высокой динамической чувствительностью и точностью измерения обладает схема датчика разности температур, представленная на рис. 3-23,а, где обозна­

времязадающих цепях; Cit С2 — конденсаторы; Ді, Д2— диоды в обратном включении; Яз, Яв — подстроечные резисторы; Umn — источник питания; МОП-транзистор управляет напряжением входного канала, подаваемого на его затвор. Напряжение входного канала снимается со средней точки термочувствительных цепочек Д і, Дг и Дз, Ді. Величина входного канала определяется зна­ чением измеряемой разности температур двух сред. Применение в качестве термочувствительной цепочки двух последовательно соединенных полупроводниковых

137

диодов в обратном включении позволяет получить высо­ кую термочувствительность подобной цепи по напряже­ нию, а применение МОП-транзистора дает возможность в полной мере использовать высокую термочувствитель­ ность данной цепи. Схема позволяет преобразовывать разность температур двух сред в частоту за счет того, что МОП-транзисторы включены во времязадающую цепь релаксационного автогенератора в качестве управ­

но легко осуществлять воздействие на параметры гене­ ратора. От подобных преобразователей требуется высо­ кая чувствительность и линейность.

Ниже рассмотрен частотный термопреобразователь, принципиальная электрическая схема которого представ­ лена на рис. 3-24. В качестве элементов Ди Дг, Дз, Д і использованы полупроводниковые диоды, причем диоды Ди Дг находятся в обратном включении относительно источника питания UmІТ. Отличие рассматриваемого уст­ ройства от известных заключается в наличии омической связи между базами транзисторов Ті и Т2. Использова­ ние указанной связи позволяет увеличить термочувстзительность устройства, не увеличивая чувствительности применяемых термоприемников. Увеличение чувстви­ тельности достигается за счет дополнительного управле­ ния моментом отпирания транзистора, которое осущест­ вляется применением отрицательного смещения Е0 на базу каждого транзистора. Время разряда конденсатора

138