Разработка принципиальной ЭИРТ

2.1 Обоснование выбора датчиков температуры

Для получения информации об окружающей температуре необходимым звеном любого термометра является датчик температуры окружающей среды. В настоящее время известно значительное количество их видов, каждый из которых позволяет судить о состоянии регулируемого процесса или объекта. Относящиеся к их числу терморезисторы и другие элементы в той или иной мере удовлетворяют требованиям по точности, стабильности, воспроизводимости характеристик, надёжности и т.д. Однако каждому из них присущи недостатки. Например, в качестве датчика температуры можно использовать самые различные комплектующие материалы. Одним из них является медь, у которой удельное сопротивление изменяется прямо пропорционально температуре. Но несмотря на это достоинство, надёжность таких датчиков недостаточна. Применение же термопары, ещё одной разновидности датчиков, технологически сложно. Часто для построения датчика температуры используют свойство р-п-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-п-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С. Но и у него есть существенный недостаток-большое его дифференциальное сопротивление (25…30 Ом при токе 1 мА). Поэтому проанализировав все типы датчиков, а также учитывая диапазон заданных температур я пришёл к выводу, что оптимальным датчиком температуры является микросхема К1019ЕМ1.

Эти микросхемы представляют собой термодатчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Они предназначены для работы в устройствах контроля, измерения и регулирования температуры, Микросхемы оформлены в металлостеклянном корпусе КГ-1–9 о гибкими проволочными лужеными выводами (рис. 2.1); масса прибора – не более 1,5 г.

Рис. 2.1.

Датчик по свойствам полобен стабилитрону с малым дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Принципиальная схема м/с К1019ЕМ1 показана на рис. 2.2., Цоколевка: выв. 1 – подключение цепи калибровки; выв. 2 – плюсовой вывод датчика; выв, 3 – минусовый вывод датчика, корпус микросхемы.

Рис. 2.2. Принципиальная схема м/с К1019ЕМ1.

Часто для построения датчика температуры используют свойство р-п-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-п-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С.

Недостатком р-п-перехода как датчика температуры является довольно большое его дифференциальное сопротивление (25…30 Ом при токе 1 мА). По этой причине для достижения мало-мальски приемлемых характеристик). датчика р-п-переход необходимо питать от стабилизатора тока. Кроме того, ни у одного диода не нормированы ни сам ТКН, ни его стабильность, что серьезно затрудняет их применение в качестве термодатчиков, особенно е промышленной аппарагуре.

Работа термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эмиттер-ном переходе U_бэ двух транзисторов с разной плотностью эмиттерного тока Эта разность U_бэ при заданном соотношении значений площади эмиттера транзисторов и равном токе через них (это и обеспечивает разную плотность тока) оказывается пропорциональной абсолютной температуре кристалла: U_БЭ=(кТ_к lnМ)/q.

Здесь М=S2/S1 – отношение значений площади эмиттера транзисторов VТ1 и VT2 (см схему на рис. 2.2), к – постоянная Больцмана; Т_к – абсолютная температура, q – заряд электрона.

На транзисторах VТ1, VТ2 собран первый дифференциальный усилитель, а на VT9, VT10 • – второй, управляемый сигналами первого. Транзисторы VТЗ–VТ8 образуют два генератора тока, один питает первый дифференциальный усилитель, а другой – второй. На транзисторах VT11 и VT12 собрано «токовое зеркало», служащее динамической нагрузкой второго дифференциального усилителя.

Выходной сигнал с нагрузки второго усилителя через эмиттерный повторитель (VT14) поступает на базу выходного транзистора VТ16 Конденсаторы С1, С2 и резистор R10 обеспечивают устойчивость работы узла.

Условием баланса первого дифференциального усилителя является равенство значений коллекторного тока транзисторов VT1, VТ2. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход с резистора RЗ должно быть подано напряжение:

U_БЭ=Т_к(кln10)/q.

При питании микросхемы током 1…5 мА возникает отрицательная ОС по напряжению с выхода усилителя через делитель R2RЗR4 на его вход. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VТ1 и VТ2, с коэффициентом пропорциональности (R2+RЗ+R4)/RЗ.

Поскольку разность U_БЭ пропорциональна абсолютной температуре, ей же пропорционально и напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы. ТКН датчика, таким образом, равен 10 мВ/К; он является здесь и коэффициентом пропорциональности между выходным напряжением датчика и абсолютной температурой.

Для обеспечения высокой линейности преобразования и малого выходного сопротивления преобразования и малого выходного сопротивления микросхемы (менее 1 Ом) усилитель имеет высокий коэффициент усиления – более 40 000.

Основные электрические характеристики

Ток питания, мА…………………………………………………..1

Выходное напряжение, мВ, при токе питания 1мА и температуре

298К(25С)……………………………………..2952…3012

398К(125С)……………………………………3932…4032

228К(-45С) для К1019ЕМ1…………………..2232…2332