Транзисторный генератор измеряет абсолютную температуру

12 июня 2011 года мир аналоговой электроники потерял звезду, когда умер его гуру Джеймс М. Уильямс (James M. Williams). Сотни статей, книг и руководств по применению, написанных Джимом были (и продолжают оставаться) бездонным источником информации, вдохновения и радости от созерцания умело решенных мастером сложных конструкторских головоломок, и все это в обертке восхитительного авторского стиля. Представленная здесь идея взята из одной из его схем, опубликованных на странице 7 руководства AN45 [1].

AC-DC преобразователи MORNSUN – достойная альтернатива известным брендам

В этом руководстве по применению Джим обсуждает привлекательность использования температурного коэффициента напряжения база-эмиттер транзистора (VBE) в качестве недорогого датчика температуры, но отмечает, что на практике его полезность ограничена непредсказуемым разбросом VBE от транзистора к транзистору. Он объясняет, почему эта проблема требует первоначальной калибровки транзисторного датчика (и повторной калибровки, если датчик когда-либо будет нуждаться в замене), что в основном сводит на нет любое ожидаемое удобство и экономию средств.

Тогда Джим спасает положение гениальным решением.

Оказывается, говорит Джим, что, хотя напряжение VBE случайного транзистора на постоянном токе не предсказуемо и бесполезно, изменение VBE биполярного транзистора при изменяющемся токе очень предсказуемо. В частности, оно надежно описывается этой простой логарифмической формулой:

где TABS – абсолютная температура в градусах Кельвина, I1 и I2 – два значения тока. Поэтому при использовании ∆VBE в качестве термометра

если

Обратите внимание на замечательную (и легко запоминающуюся) константу «пятьдесят на пятьдесят»!

Джим применяет эту взаимосвязь в схеме на Рисунке 1, в которой через включенный диодом n-p-n транзистор Q2 периодически попускаются два разных тока с соотношением значений 10:1, Схема синхронно выпрямляет результирующий сигнал переменного тока 198 мкВ/K, а затем усиливает и смещает выпрямленное напряжение, чтобы получить выходной сигнал от 0 до 10 В, соответствующий диапазону температур от 0 до 100 °C; при этом калибровка конкретного транзистора датчика не требуется.

Термометр Джеймса Уильямса на основе ∆VBE.
Рисунок 1. Термометр Джеймса Уильямса на основе ∆VBE.

Я успешно использовал «пятьдесят на пятьдесят» во многих термометрических приложениях и здесь предлагаю новую вариацию этой идеи – генератор-преобразователь градусов Кельвина в микросекунды (Рисунок 2).

Генератор - измеритель абсолютной температуры.
Рисунок 2. Генератор – измеритель абсолютной температуры.

Соотношение токов для получения ∆VBE, равное 16:1, здесь устанавливается парой резисторов R3/R4 (плюс небольшой вклад R1+R2 от цепи интегратора). Переключение токов создает на выводе 7 интегратора A2 периодические скачки напряжения ∆VBE, пропорциональные температуре:

всякий раз, когда компаратор A1 переключает MOSFET Q2. Я выбрал большее соотношение токов 16:1 вместо 10:1, чтобы упростить обработку сигнала операционными усилителями и снизить значение некоторых вторичных потенциальных источников ошибок. Конденсатор C2 создает положительную обратную связь, обеспечивающую быстроту и чистоту переключений компаратора.

Затем после скачка выходное напряжение интегратора A2 линейно возвращается обратно к установленному усилителем A1 значению 500 мВ, как показано на Рисунке 3, формируя симметричные полупериоды длительностью T = 10 мкс/K, равные 3 мс при 300 K (27 °C).

Формы сигналов генератора-термометра.
Рисунок 3. Формы сигналов генератора-термометра.

Подстроечный резистор R1 обеспечивает одноточечную компенсацию, в основном разброса емкости конденсатора интегратора C1 и отклонений VDD. Хотя, как отмечается в руководстве Уильямса, сам транзистор датчика Q1 не нуждается в калибровке. После того, как настройка выполнена, возвращаться к этой процедуре не нужно, даже после замены транзисторов Q1.

Выходной сигнал 0/5 В генератора термометра можно легко преобразовать в цифровое значение температуры с помощью стандартного таймера микроконтроллера. При частоте 1 МГц разрешение преобразования за один полупериод колебаний Т составляет 0.1°.

Очевидно, в схеме Джима каким-то образом проскользнула опечатка. Пара резисторов, которая устанавливает соотношение токов 10:1 и, следовательно, должна иметь отношение сопротивлений 9:1, на схеме Джима имеет сопротивления 549 кОм и 49.9 кОм, отношение которых составляет 11:1, что соответствует отношению токов 12:1. Это значит, что масштабный коэффициент будет равен 214 мкВ/К вместо заявленного 198 мкВ/К. Я не знаю, существует ли редакция документа, в которой эта незначительная 8-процентная ошибка исправлена, но я взял на себя смелость сделать это простое исправление самостоятельно. Кроме того, не нужен транзистор Q1.

  1. Datasheet Analog Devices LT1009
  2. Datasheet Analog Devices LTC1043
  3. Datasheet Analog Devices LTC1150
  4. Datasheet Texas Instruments TLV2372
  5. Datasheet Diodes DMP32D9UFZ

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 286
сейчас смотрят 44
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862