Меню

Схема для измерения температуры диодом



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как использовать диод в качестве термометра

Если вы когда-либо проводили время за анализом графиков и кривых различных параметров диодов, вы, возможно, заметили интересную деталь: стандартный кремниевый диод имеет линейную зависимость между прямым напряжением и температурой. Например, ниже приведен график из документации на диод 1N4148 компании Vishay.

Если прямой ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать довольно точный термометр, но соотношение между напряжением и температурой будет менее линейно. Еще одна примечательная деталь заключается в том, что величина наклона увеличивается по мере уменьшения прямого тока; другими словами, прямое напряжение более чувствительно к изменениям температуры при более низких прямых токах.

Допустим, у вас есть диод, подключенный таким образом, что его прямой ток не сильно меняется. Предположим также, что схема имеет активный компонент, который может усиливать небольшие отклонения зависящего от температуры прямого напряжения диода. Давайте даже представим, что вы подключаете эту схему к чему-то, что может преобразовать эти усиленные изменяющиеся сигналы прямого напряжения в какое-то видимое изменение (на ум приходит мультиметр). Если все это действительно реализовать, что бы у вас получилось? Термометр. А точнее диодный термометр. Вот схема такого устройства:

В целом это хрестоматийная схема из одного старого учебника по электронике, имеющая некоторые изменения по сравнению с оригиналом. Так, резистор R4 здесь увеличивает напряжение на аноде диода до уровня, который более эффективен для смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер транзистора. Целью является схема, которая усиливает колебания напряжения диода и, таким образом, создает сигнал термометра, который способен непосредственно управлять каким-либо индикатором.

Итак, сначала давайте посмотрим на график зависимости напряжения диода от температуры.

Как вы можете видеть, у нас есть хорошая линейная зависимость между напряжением и температурой. Однако амплитуда отклика напряжения довольно мала. В диапазоне 60 °C напряжение изменяется только примерно на 70 мВ. Сравните это с графиком выходного напряжения относительно температуры.

Выходное напряжение изменяется примерно на 1.7 В в том же диапазоне, что является существенным улучшением. На следующем графике показан ток коллектора транзистора Q1 относительно температуры.

Если вы хотите оценить работоспособность этой схемы, то здесь ее можно взять в реализации симулятора LTspice.

Источник

Термодатчики на диодах в схемах на МК

Измерение температуры с помощью полупроводниковых диодов представляет особый интерес для массового применения, тк. они доступнее и дешевле других датчиков и имеют хорошую повторяемость параметров.

Для измерений используется прямая ветвь ВАХ диодов, поскольку обратная ветвь менее стабильна. Нелинейность показаний легко учитывается двумя программными методами. Во-первых, можно плавно аппроксимировать температурную характеристику эмпирической формулой, во-вторых, можно использовать дискретную таблицу поправок с сохранением коэффициентов в ПЗУ МК.

В термодатчиках выгодно применять германиевые (а не кремниевые) диоды, поскольку у них сильнее проявляется зависимость параметров от температуры. Однако устаревшие германиевые диоды типа Д2Б, Д7Ж, выпущенные 40…50 лет назад, уже не обладают заявленными техническими параметрами. Сточки зрения надёжности они давно выработали ресурс хранения и эксплуатации, что в любой момент грозит выходом элемента из строя.

Считается, что термодатчики на диодах обеспечивают приемлемую линейность измерения температуры в диапазоне 0…+ 100°С (по некоторым оценкам -60…+ 150°С). Для достоверности достаточно откалиброваться в двух крайних точках диапазона по образцовому термометру ТЛ-4 ГОСТ 28498-90. Если таковой отсутствует, то используют … обычную очищенную воду. Известно, что температуру 0°С можно получить в момент образования льда (смесь воды с льдинками в морозильной камере холодильника). Температура +100°С соответствует кипящей воде в кухонном чайнике. Контрольная проверка — температура тела человека.

Читайте также:  Чемодан три измерения 203

Электрический режим работы диодов должен быть стабильным во времени и максимально не нагруженным по току (Рис. 3.66, а…д), в связи с чем уменьшаются ошибки измерений, связанные с саморазогревом кристалла.

а) высокоомный резистор /?/служит своеобразным генератором стабильного тока для термодатчика VD1. Напряжение на входе МК пропорционально температуре окружающей среды в диапазоне-50…+100°С. Коэффициент преобразования составляет 2…2.5 мВ/°С, погрешность меньше 1%. Конденсатор С/снижает уровень помех при большом удалении диода VD1 от МК;

б) к двум каналам АЦП МК подключаются одинаковые цепи, но измеряемые напряжения будут разными, поскольку VD1 служит термодатчиком, а VD2 — обычным диодом. Используется дифференциальный режим работы АЦП. Фиксируются не абсолютные температуры, а их разность в двух удалённых местах, например, в помещении

Рис. 3.66. Схемы подключения диодных термодатчиков к МК <окончание)’.

в) усилитель DA1 расширяет динамический диапазон сигнала, поступающего от термодатчика на диоде VD1. Резистором R2 калибруется начальное значение, резистором R6 — диапазон температур. Чтобы повысить линейность по краям, ОУ Z)/l/следует применить «rail-to-rail»;

г) «нижнее» включение диодов Шоттки VDI…VD4, выступающих в качестве термодатчиков. Их последовательное соединение повышает чувствительность в четыре раза. Температура определяется табличным методом по замерам напряжений АЦП МК. Резистор RI имеет высокое сопротивление, что снижает протекающий через термодатчики ток и устраняет их саморазогрев. Резистор обеспечивает оптимальное входное сопротивление для АЦП МК;

д) «верхнее» включение кремниевых диодов VDI, VD2, выступающих в качестве термодатчиков. Для нормальной работы АЦП МК требуется, чтобы на вход подавалось напряжение, близкое к питанию +5 В. Для сравнения, в схемах с «нижним» включением диодов можно подавать на вход более низкое (а значит и более стабильное) напряжение +1.2…+2.5 В от внешнего ИОН. Возможная замена диодов VD1, VD2— 1N4148.

Источник

Для простого измерения температуры с помощью микроконтроллера требуется только конденсатор и диод

Использование PN-перехода диода для измерения температуры, как правило, связано с его 2 мВ/К температурным коэффициентом. Обычно, надо усилить и оцифровать напряжение с помощью АЦП перед тем как использовать величину температуры в микроконтроллере. Менее известен тот факт, что обратный ток PN-перехода диода имеет хорошую экспоненциальную зависимость от температуры, при увеличении температуры приблизительно на 12 К, величина тока возрастает вдвое (рис. 1). Простым способом измерения тока в таком большом диапазоне, две или три декады, является заряд и разряд конденсатора и измерение при этом времени или частоты. Линия ввода-вывода общего назначения микроконтроллера заряжает конденсатор, либо временно используя линию как выход, либо подключая подтягивающие резисторы, которые имеются в некоторых микроконтроллерах (рис. 2а). По окончанию заряда, вы конфигурируете линию как вход с высоким входным сопротивлением, и конденсатор разряжается током утечки диода(рис.2б).

Читайте также:  Форма описания типа средства измерений

Время разряда в таком случае, пропорционально температуре диода, таким образом, диод обеспечивает экспоненциальную зависимость времени разряда от температуры. В зависимости от типа диода, эта экспоненциальная зависимость может быть близкой к идеальной. Калибровка рабочей точки необходима, так как абсолютная величина тока значительно меняется при заданной температуре. Выбор диода и номинала конденсатора требует определенной осторожности. Меньше PN-переход, меньше обратный ток и время разряда больше. Период разряда длиннее нескольких секунд обычно неприемлем. Использование слишком малого номинала конденсатора приводит к появлению ошибки, так как свое влияние начинают оказывать емкости различных кабелей и емкость PN-перехода диода. Обычно, мощные диоды, такие как 1N4001 с емкостью перехода 1 нФ, дают приемлемый результат. Время разряда конденсатора составляет от 0,3 до 1 секунды при комнатной температуре, уменьшаясь до миллисекунд при 100°C. Так же можно использовать PN переход мощного транзистора в диодном включении.

Источник

Как использовать диоды и транзисторы для измерения температуры

Для измерения температуры в качестве термопреобразователей можно использовать полупроводниковые диоды и транзисторы. Это объясняется тем, что при постоянном значении тока, протекающего в прямом направлении, например через переход диода, напряжение на переходе практически линейно изменяется с изменением температуры.

Для того чтобы значение тока было постоянно, последовательно с диодом достаточно включить большое активное сопротивление. При этом ток, проходящий через диод, не должен вызывать его нагрева.

Построить градуировочную характеристику такого термодатчика можно по двум точкам — в начале и в конце измеряемого диапазона температур. На рисунке 1, а показана схема измерения температуры при помощи диода VD. Источником питания может служить батарейка.

Рис. 1. Схема измерения температуры при помощи диода (а) и транзисторов (б, в). Мостовые съемы позволяют увеличивать относительную чувствительность устройства, компенсируя начальное значение сопротивления датчика.

Аналогично влияет температура на сопротивление перехода эмиттер — база транзисторов. При этом транзистор может одновременно действовать и как датчик температуры, и как усилитель собственного сигнала. Поэтому применение транзисторов в качестве термодатчиков имеет преимущество перед диодами.

На рисунке 1, б показана схема термометра, в которой в качестве преобразователя температуры используется транзистор (германиевый или кремниевый).

При изготовлении термометров как на диодах, так и на транзисторах требуется построить градуировочную характеристику, при этом в качестве образцового средства измерений можно использовать ртутный термометр.

Инерционность термометров на диодах и транзисторах небольшая: на диоде — 30 с, на транзисторе — 60 с.

Практический интерес представляет мостовая схема с транзистором в одном из плеч (рис. 1, в). В этой схеме эмиттерный переход включен в одно из плеч моста R4, на коллектор подано небольшое запирающее напряжение.

Источник

Диод как датчик температуры

Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.

Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).

Читайте также:  Методы измерения расстояния до повреждения кабеля

Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.

Именно поэтому рабочая температура полупроводников имеет определённые ограничения

Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.

В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.

Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.

В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.

Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.

Данные по падению напряжения на диодах

При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется). Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.

Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).

Схема термометра на диоде.

Датчики температуры для микроконтроллера

На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.

Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.

Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.

Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.

Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.

Прочие сферы применения

Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах, электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.

Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:

— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;

— превосходная чувствительность и точность.

Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник