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

Увеличения чувствительности можно добиться также применением диодов, обладающих большой барьерной емкостью, а также хорошими температурными парамет­ рами.

3-8. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

Исследование вопросов конденсации газов на охла­ ждаемых поверхностях, отработку элементов конструк­ ций криогенных насосов невозможно провести без на­ дежного и точного контроля температуры охлаждаемых поверхностей криогенных насосов в отдельных точках температуры конденсата в процессе намораживания рабочего газа, температуры хладоагента на входе и вы­ ходе криогенного насоса. Интервал измеряемых темпе­ ратур (8—77) °К. Желаемая точность измерения ±0,25 °К-

Измерение температуры в указанном интервале, осо­ бенно в его нижней части (20—8) °К, представляет не­ которые трудности вследствие резкого ухудшения тер­ мометрических характеристик используемых для этой цели термометров.

Широко используемые в технике низких температур платиновые термометры сопротивления позволяют изме­

уменьшается, вследствие чего они становятся непригод­ ными для измерения температуры ниже указанных гра­ ниц. Газовыми термометрами можно измерять темпера­ туру ниже 12 °К, но они имеют ряд других недостатков.

Ниже представлены экспериментальные исследова­ ния полупроводниковых датчиков температуры с р-п-пе­ реходами (диодами). В качестве вторичного эталонного прибора использовался платиновый термометр сопро­ тивления типа ТСПН-2А, проградуированный до 12 °К. Исследования полупроводниковых диодов проводились в лабораторном криостате и непосредственно в сосудах для хранения Жидких азота-и гелия.

С учетом сведений, имеющихся в литературе [Л. 60], были исследованы термометрические характеристики германиевых плоскостных и точечных диодов типов Д7 (А, В, Г, Д, Ж, Е), Д310, Д311, Д9, фотодиодов ФДЗ, кремниевых диодов типов Д226, Д808—Д811, диодов из

146

арсенида галлия АИ301 (А, Б, В, Г) и некоторых дру­ гих типов с целью выяснения возможности использо­ вания этих диодов в качестве термометров.

Каждый тип диодов поштучно из партии в несколько десятков проверялся в первую очередь на повторяемость

обеспечить точность измерения температуры жидкого гелия ±0,25°К по худшему экземпляру и около ±0,1 °К по лучшему. Градуировочная кривая полупроводнико­ вых диодов снималась методой сравнения по темпера­ туре, измеренной по контрольному термометру. Для этого одновременно проводились измерения показаний контрольного термометра и исследуемого. После рас­ шифровки строилась зависимость сопротивления р-п-пе­ рехода от температуры.

Вид зависимости UR(T) при постоянном токе пока­ зан на рис. 3-29.

Некоторое несоответствие значений сопротивлений в точке жидкого гелия исследованных диодов по гра­ дуировочным кривым и значениями этих сопротивлений,

определенных при испытании на повторяемость показа­ ний в жидком гелии, объясняется резкой зависимостью сопротивления р-н-перехода от тока питания. График этой зависимости Дд(/) показан на рис. 3-30. При умень­ шении тока питания, начиная с 1 ма, на 10—20 ма сопротивление перехода увеличивается до 50,0 ом в жид­ ком гелии и на 10—20 ом в жидком азоте. Изменение тока питания на такую величину на имеющихся прибо­ рах заметить трудно.

Измерительная схема основана на использовании ком­ пенсационного метода. В качестве опорного источника ЭДС использован нормальный элемент.

К источнику питания /, включающего в себя три'

сопротивлений 6. «Минус» нормального элемента 7 сое­ динен с «минусом» источника питания 1. Посредством нуль-индикатора 5 и магазина сопротивлений 6 уста­ навливается падение напряжения на участке цепи а—б, равное напряжению нормального элемента, при этом ток в цепи устанавливался величиной 1 ма и поддержи­ вался постоянным в процессе всего эксперимента с мак­ симально возможной точностью примерно ±1%.

148

3-9. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЧАСТЕЙ МАШИН

Оптоэлектронные преобразователи делают возмож­ ным усовершенствование уже известных и создание но­ вых устройств автоматики.

С помощью излучающих диодов, расположенных на вращающихся частях машин и механизмов, возможно

где k, ап— коэффициенты, причем ап>1.

Однако выбором рабочих точек на характеристиках диода и фоторезистора возможно получить зависимость иЯЫх(Т), весьма близкую, к линейной. В частности, для схемы, использующей диод с 5 = 15 нит при /д= 12 ма, фоторезистор СФ2-5 с темновым сопротивлением Дст = = 2,5 Мом, терморезистор с темновым сопротивлением

пературы аппроксимировалось с ошибкой, не превышаю­ щей 3%, выражением

5 Вых= 1,85 + £(Г—25°С), в,

где Т — измеряемая температура, °С; £ = 0,046 в/°С.

149

Диапазон температур равен 25—100°С. Представленное. на рис. 3-33 устройство отличается

тем, что в нем термочувствительный элемент и передат­ чик информации совмещены и выполнены в виде полу­

ному полюсу, а излучаю­ щий диод с последователь­ но соединенным с ним рези­ стором включен между кол­ лектором транзистора и от­ рицательным полюсом ис­ точника питания.

Это позволяет упро­ стить конструкцию устрой­ ства и повысить его чув­ ствительность.

Передатчик информации состоит из полупроводнико­ вого излучающего диода ИД, используемого в каче­

стве термочувствительного элемента и излучателя и включенного последовательно с резистором между отрицательным полюсом источника питания Е и коллек­ тором транзистора Т, также являющегося термочувстви­ тельным элементом. Между базой транзистора и отри­ цательным полюсом источника питания включен рези­ стор Т?2- Положительный полюс источника питания

соединен непосредственно с эмиттером транзистора. Передатчик информации помещен на вращающейся части машины, а фоточувствителы-юе регистрирующее устройство РУ — на неподвижной части.

Устройство работает следующим образом.

При изменении температуры поверхности рабочего тела изменяется величина тока, протекающего через излучающий диод, оптически связанный с фотоприем­ ным устройством. В связи с этим изменяется интенсив­ ность излучения, являющаяся следствием совокупного

150

влияния изменения температуры на излучающий диод и транзистор. Изменение интенсивности излучения регист­ рируется фоточувствительным устройством, проградуи­ рованным в единицах измерения темпер атурыг

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ТЕРМОКОМПЕНСАТОРЫ И УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

4-1. ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ЭЛЕКТРОДУ

В настоящее время для термокомпенсации транзи­ сторных схем, а также тиристорных используются раз­ личные способы: применение стабилизирующих обрат­ ных связей, а также включение компенсирующих источ­ ников питания [Л. 9, 28].

Все эти способы не позволяют получать полной тер­ мокомпенсации и, кроме того, достаточно сложны при расчете.

В связи с этим предлагается следующий способ термокомпеисации полупроводниковых приборов. Как из­ вестно, выходные вольт-амперные характеристики полу­ проводниковых приборов изменяются как от температу­ ры среды, так и от управляющего тока. Суть метода состоит в том,' что, изменяя ток управления, можно добиться в определенном режиме работы транзистора или тиристора компенсации изменения выходных пара­ метров от влияния температуры среды. Очевидно, что для этого в управляющую цепь управляемого полупро­ водникового прибора необходимо включать термочув­ ствительный элемент, ток через который является одно­ временно током управления и меняется таким образом, чтобы компенсировать изменение выходных характери­ стик вследствие влияния температуры.

Транзисторы в схемах с общим эмиттером и общей базой, а также тиристоры имеют взаимообратное влия­ ние температуры среды и управляющего тока, т. е., как следует из семейств вольт-амперных характеристик транзисторов и тиристоров от различных тедтератур и управляющих токов, влияние увеличения температуры

151

среды .на полупроводниковый прибор соответствует влиянию уменьшения тока управления, и .наоборот.

Отсюда'-следует вывод, что для термокомпенсации полупроводниковых приборов по управляющему элек­ троду требуется включение в цепь управления термочув­ ствительного элемента с положительным температурным коэффициентом. Для этой цели возможно использование кремниевых стабилитронов, монокристаллических тер­ морезисторов, позисторов и т. п.

Рассмотрим расчет элементов термокомпенсации по­ лупроводниковых приборов по управляющему электроду для каждого конкретного случая.

1) Транзисторы в схеме с общим эмиттером.

Вольт-амперные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером описываются следующим выраже­

Определим изменения тока коллектора вследствие изменения температуры среды, используя ранее полу­ ченные выражения:

АД = z (k j~ £ T r J \~tii к о Д / Д ' і (4"2)

Взяв производную по управляющему току из выра­ жения (4-1), получаем изменение тока коллектора вследствие изменения тока управления:

Приравнивая выражения (4-2) я (4-3), получаем не­ обходимый закон изменения тока управления от тем­ пературы:

в схеме с общим эмиттером в цепь базы надо включить

152