Как использовать диод в качестве термометра
Эта статья, входящая в состав аналоговой цепи AAC, представляет собой прямую схему, которая позволяет измерять температуру с помощью немного большего, чем диод и BJT.
Если вы когда-либо проводили субботу днем, просматривая графики и кривые производительности в виде диода, вы, возможно, заметили интересную деталь: стандартный кремниевый диод имеет приятную линейную зависимость между прямым напряжением и температурой. Например, следующий график берется из таблицы данных для диода 1N4148, сделанного Vishay:
Взято из этого описания
Если постоянный ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать достойный термометр, но соотношение между напряжением и температурой 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 токах в прямом направлении.
Допустим, у вас есть диод, подключенный таким образом, что его прямоточный ток не сильно меняется. Предположим также, что схема имеет активную составляющую, которая может усиливать небольшие отклонения в прямом напряжении от диода. Давайте даже зайти так далеко, чтобы сказать, что вы подключаете эту схему к чему-то, что может преобразовать эти усиленные вариации прямого напряжения в какое-то видимое изменение (на ум приходит в виду мультиметр). Если все это должно было произойти, что бы у вас было? "Src =" // www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/techarticle_diodethermometer_circuit.jpg" />
Это оказалось намного сложнее, чем я ожидал. Я начал с схемы, которая была взята непосредственно из моего старого учебника. Схема LTspice была идентична схеме в книге, вплоть до номеров деталей, используемых для диода и BJT. И насколько я могу судить, версия учебника едва функциональна. Это, безусловно, не выполняется в соответствии с графиком выхода усилителя и температуры, который сопровождает объяснение схемы.
Первое изменение, которое я сделал, это добавить R4 (схема учебника, напротив, имеет катод диода, подключенный непосредственно к земле). Этот резистор увеличивает напряжение на аноде диода до уровня, который более эффективен для прямого смещения соединения BJT от источника к эмиттеру. Я также изменил BJT и диод на разные части, и в итоге я даже изменил схему соединения R2. Короче говоря, схема, показанная выше, сильно отличается от (и, надеюсь, лучше) версии учебника.
Я скажу вам прямо сейчас, что в этой статье не будет представлено точного, строгого объяснения того, как я выбрал значения резисторов. Я последовательно не смог полностью проанализировать или понять эту схему, и окончательная версия, показанная выше, была получена с помощью итеративных симуляций и большого недоумения.
К концу моего эксперимента я понял то, что, вероятно, отвечало за большую часть путаницы, которую я испытал: моя симуляция меняет температуру всей цепи, тогда как я думал только о реакции диода на изменения температуры. В BJT есть pn-переходы! Если на диоде влияет температура, то и BJT. Однако моя цель состояла в том, чтобы спроектировать схему, которая может использоваться как автономный датчик температуры, а не то, где диод отделен от остальной части схемы, а это значит, что мои симуляции соответствуют цели.
Методы моделирования
Я не буду останавливаться на процедурах, используемых для выполнения и моделирования температурного моделирования в LTspice, потому что эта информация доступна в другом месте (например, эта страница). Вместо этого я кратко остановлюсь на ключевых моментах:
- Используйте директиву «.step temp …» SPICE для температурных изменений; в моей схеме я использую синтаксис «.step temp min max increment».
- Моделирование рабочих точек похоже на логический выбор здесь, но насколько я могу судить, вам нужно сделать временную симуляцию, даже если вас интересуют только установившиеся данные.
- Чтобы построить соответствующее измерение против температуры вместо времени, используйте директиву «.meas» SPICE для хранения данных для соответствующего измерения (в моем случае напряжение коллектора BJT). Затем распечатайте данные непосредственно из журнала ошибок (подробнее здесь).
Результаты
Мы знаем, что диод будет производить изменения напряжения в ответ на изменения температуры окружающей среды. Если бы этого было достаточно, мы бы не потрудились с цепью BJT. Целью здесь является схема, которая усиливает колебания напряжения диода и, таким образом, создает сигнал термометра, который более способен непосредственно управлять каким-либо индикатором. Итак, сначала давайте посмотрим на график зависимости диодного напряжения 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 на ~ 70 мВ. Сравните это с графиком выходного напряжения против температуры.
Выходное напряжение изменяется примерно на 1, 7 В в том же диапазоне, что является существенным улучшением. Я хочу назвать это успешным, но я очень сомневаюсь, что эта схема почти оптимизирована. Кроме того, большое усиление происходит с довольно высокой ценой, а именно с высоким потреблением тока. На следующем графике показан ток коллектора Q1 против температуры:
К сожалению, 50 мА в наши дни точно не квалифицируются как маломощные, и это не выгодно отличается от температурных датчиков IC, которые, по-видимому, предлагают намного лучшую производительность и все же имеют потребление тока в низких микроамперах.
Вывод
Я буду первым, кто признает, что эта схема представляет собой скорее интеллектуальное упражнение, чем практическое решение температурного зондирования. Возможно, что кто-то более опытный, чем я, может придумать оптимизированную реализацию, обеспечивающую адекватную производительность, а также разумное потребление энергии и простые методы настройки.
Если вы хотите использовать мои усилия в качестве отправной точки для ваших экспериментов и анализа, не стесняйтесь загружать мою схему LTspice, нажав на оранжевую кнопку.
Схема LTspice