Устройство для измерения температуры

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно, к преобразователям температуры в электрический сигнал и может быть использована в различных устройствах, требующих измерения температуры Технический результат, упрощение использования и повышение чувствительности устройства, достигается введением третьего генератора тока, нагрузочного и измерительного резисторов. Первый вывод измерительного резистора подключен к коллекторному выводу транзисторной структуры и выходу второго генератора тока. Второй - к выходу третьего генератора тока и первому выводу нагрузочного резистора. Второй вывод нагрузочного резистора соединен с базой транзисторной структуры и положительным полюсом третьего генератора тока. Транзисторная структура содержит транзисторы группы, база первого транзистора группы является базой транзисторной структуры, а база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, коллектор последнего транзистора группы является коллектором транзисторной структуры, эмиттеры всех транзисторов группы соединены и являются эмиттером транзисторной структуры.

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно, к преобразователям температуры в электрический сигнал и может быть использована в различных устройствах, требующих измерения температуры.

Известно устройство, содержащие транзисторную структуру в диодном включении, используемую в качестве температурного датчика, и усилитель сигнала (датчики температуры типа LM3911, LM50, LM60 фирмы National Semiconductor, www.national.com). Низкая чувствительность используемого в устройстве датчика, порядка 40 мкВ/°С, требует его использования совместно с усилителем, что усложняет устройство. Известно также устройство для измерения температуры, содержащее транзисторную структуру, включенную по схеме с общей базой, и два генератора токов, обеспечивающих электрический режим работы транзисторной структуры при измерениях (см. авторское свидетельство СССР 361398, кл. G01k 7/22, 1973, (прототип).

[Введите текст]

Сложность применения и недостаточная чувствительность являются недостатками устройства.

Технический результат, упрощение использования и повышение чувствительности устройства, достигается введением третьего генератора тока, нагрузочного и измерительного резисторов, причем, первый вывод измерительного резистора подключен к коллекторному выводу транзисторной структуры и выходу второго генератора тока, а второй - к выходу третьего генератора тока и первому выводу нагрузочного резистора, второй вывод нагрузочного резистора соединен с базой транзисторной структуры и положительным полюсом третьего генератора тока, а транзисторная структура содержит транзисторы группы, база первого транзистора группы является базой транзисторной структуры, а база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, коллектор последнего транзистора группы является коллектором транзисторной структуры, эмиттеры всех транзисторов группы соединены и являются эмиттером транзисторной структуры.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, на фиг.2 - принципиальная схема варианта его практического исполнения, а на фиг.3 представлено семейство выходных вольтамперных характеристик п-р-п транзистора, поясняющих принцип работы устройства.

Устройство содержит транзисторную структуру 1, первый генератор тока 2, второй генератор тока 3 и третий генератор тока 4, нагрузочный резистор 5 и измерительный резистор 6. Транзисторная структура 1 представляет собой транзисторы группы, включенные по схеме составного транзистора, т.е. база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, а их эмиттеры объединены. Первый генератор тока 2 подключен к эмиттерной, а генератор тока 3 - к коллекторной цепям транзисторной структуры 1. Полярность подключения генераторов токов 2 и 3 такова, что обеспечивает прямое включение всех р-п - переходов транзисторной структуры 1, как эмиттерных, так и коллекторных. Третий генератор тока 4 подключен к нагрузочному резистору 5 с той же полярностью, что и первый и второй генераторы токов 2 и 3. Измерительный резистор 6 включен между нагрузочным резистором 5 и коллектором транзисторной структуры 1. Таким образом, измеряемым параметром схемы является прямое падение напряжения на коллекторных р-п - переходах транзисторной структуры.

В схеме практической реализации устройства (см. фиг.2) транзисторная структура 1 выполнена на двух транзисторах V4 и V5, первый, второй и третий генераторы токов 2-4 представляют собой классические стабилизаторы токов на транзисторах V1-V3 соответственно. Источник опорного напряжения стабилитрон V6 и резистор R6 являются общими для всех трех стабилизаторов. Резисторы R1, R3 и R5 являются токозадающими для третьего, второго и первого генераторов токов 4-2, соответственно. Резистор R2 является нагрузочным резистором 5 устройства, а резистор R4 - измерительным резистором 6.

Устройство работает следующим образом.

Первый генератор тока 2 формирует прямые токи р-п - переходов эмиттер-база транзисторов группы транзисторной структуры 1. Второй генератор тока 3 формирует прямой ток р-п - переходов коллектор-база транзисторов группы транзисторной структуры 1. Третий генератор тока 4 создает на нагрузочном резисторе 5 падение напряжения равное по величине напряжению коллектор-база транзисторной структуры 1 при начальной (нулевой) температуре. При этом ток через измерительный резистор 6 не протекает и на выходе устройства формируется нулевое напряжение соответствующее нулевой температуре. При понижении температуры падение напряжения на всех прямых р-п - переходах возрастает, а при повышении - падает. Поскольку коллекторные переходы транзисторов группы соединены последовательно, то коллекторное напряжение транзисторной структуры 1, а также его температурные изменения суммируются, повышая тем самым чувствительность устройства.

Температурные изменения коллекторного напряжения транзисторной структуры 1 приводят к изменениям тока, протекающего через измерительный резистор 6, а следовательно, и выходного напряжения на нем. Причем, при повышении температуры относительно нулевой выходное напряжение устройства увеличивается в сторону положительных значений, а при понижении - в сторону отрицательных. Таким образом, упрощается использование устройства в таких приложениях, как цифровые термометры и регуляторы температуры.

Практическая реализация устройства, приведенная на фиг.2, конструктивно выполнена в виде интегральной микросхемы. Число транзисторов группы транзисторной структуры 1 ограничено двумя. Это позволяет формировать выходное напряжение не превышающее 1,5 В и ограничивает потребляемые устройством токи, а следовательно и рассеиваемую на нем мощность, что снижает погрешности измеряемой температуры.

Подобная транзисторная структура может рассматриваться как один транзистор с коэффициентом передачи по току эмиттер - коллектор () практически равным 1. На фиг.3 показано семейство выходных вольтамперных характеристик n-p-n транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока эмиттера I _Э При I_Э=0 (обрыв эмиттерной цепи) и обратносмещенном коллекторном p-n переходе ток коллектора представляет собой обратный начальный ток перехода коллектор-база - I_КБО, который не зависит от напряжения на коллекторе вплоть до момента пробоя перехода коллектор-база. При изменении полярности напряжения на переходе коллектор-база (в данном случае с положительного значения на отрицательное) получим вольтамперную характеристику прямосмещенного p-n перехода (диода) коллектор-база. При этом I_K=I_Б. Задавая определенные значения тока эмиттера (I_Э1, I_Э2, I_Э3) получим семейство выходных вольтамперных характеристик. Именно область, характеризующаяся отрицательными значениями U_K, и является областью работы транзистора с прямосмещенными p-n переходами эмиттер-база и коллектор-база. Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой, можно записать выражение:

где k - постоянная Больцмана, q - заряд электрона, Т - температура в Кельвинах.

Рассмотрим на фиг.3 вольтамперную характеристику с параметром I_Э1 , полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды Т₀. Точка 1 на характеристике определяется нулевым значением тока коллектора, т.е. I_K=0. Тогда из уравнения (1) можно определить величину U_K, при котором I_K=0, а именно:

Величина U_K, как следует из уравнения (2), зависит от величины тока I_Э и может быть определена экспериментально.

В точке 1 (фиг.3), где выполняется условие I_K=0 и I_Э1=I _Б, p-n переход эмиттер-база работает как прямосмещенный и изолированный от коллектора диод. При установлении температуры окружающей среды T_окр=T₀-T, т.е. при уменьшении температуры на T, получим отклонение характеристики влево, как показано на фиг.3 пунктирной линией слева от точки 1, на величину U_K-=(TKH)·T. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1 снипроизойдет, если окружающую температуру повысить на T, т.е. установить T_окр=T₀+T.

Проведенная через точку 1 нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3.

Если выполняется условие I_Э1 >>±I_K, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что U_ВЫХ=I_K·R_K(TKH)·T, в диапазоне изменения коллекторного тока от -I_K до +I_K. Для начальной температуры среды T₀ может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С.

При интегральном исполнении устройства, температурные изменения воздействуют все п-р переходы, в том числе и на переходы транзисторов стабилизаторов тока V1-V3 (фиг.2), увеличивая стабилизируемый ток при понижении и уменьшая при повышении температуры. Увеличение эмиттерного тока приводит к смещению вольтамперных характеристик (фиг.3) влево, а снижение вправо, что повышает чувствительность устройства. Аналогичные изменения тока третьего генератора V1 также приводят к повышению чувствительности.

Предлагаемое устройство обеспечивает прямую линейную зависимость выходного сигнала от температуры с коэффициентом нелинейности не более ±0,5°С и повышенной чувствительностью +5 мВ/°С в диапазоне температур от -60°С до +150°С и найдет применение в различных областях в качестве простого, дешевого и удобного датчика температуры.

1. Устройство для измерения температуры, содержащее транзисторную структуру, подключенную по схеме с общей базой, эмиттером - к первому, а коллектором - ко второму генераторам токов, причем положительные полюса первого и второго генераторов токов подключены к базе транзисторной структуры, отличающееся тем, что в него введены третий генератор тока, нагрузочный и измерительный резисторы, первый вывод измерительного резистора подключен к коллекторному выводу транзисторной структуры и выходу второго генератора тока, а второй - к выходу третьего генератора тока и первому выводу нагрузочного резистора, второй вывод нагрузочного резистора соединен с базой транзисторной структуры и положительным полюсом третьего генератора тока, выводы измерительного резистора являются соответствующими выходами устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что транзисторная структура содержит транзисторы группы, база первого транзистора группы является базой транзисторной структуры, а база каждого последующего транзистора группы подключена к коллектору предыдущего, коллектор последнего транзистора группы является коллектором транзисторной структуры, эмиттеры всех транзисторов группы соединены и являются эмиттером транзисторной структуры.