什么是PN結(jié)型溫度傳感器及其原理是什么?

溫度傳感器的典型應(yīng)用
集成溫度傳感具有體積小,熱惰性小,反應(yīng)快,測量精度高,穩(wěn)定性好,校準(zhǔn)方
便,價格低等特點(diǎn),因而獲得廣泛的應(yīng)用.目前IC溫度傳感器應(yīng)用較多的有AD590,AD592,AN6701,LM35,LM3911,
μPC616C和μPC3911C等.
AD590和AD592是電流輸出,二端子IC溫度傳感器,測溫范圍為-55℃~+150℃,
靈敏度為1μA/K,Vcc為+4v~+30v.
AD590是利用溫度系數(shù)很小的電阻把PTAT電壓變換成PTAT電流.利用晶體管的阻抗變換特性使集電極獲取高阻抗電流輸出,從而可串接阻抗很大的負(fù)載把信號放大,使電路的總電流與溫度系數(shù)很小的電阻中的電流成固定比例關(guān)系,而與其制造工藝無關(guān).
(一)單片雙端集成溫度傳感器AD590
T1,T2, T3,T4的發(fā)射極連在一起接到R1上,T6的發(fā)射極則接到R2上. R1 = R2 /4,這使流過T1~T4的總電流與流過T6的電流之比更好地符合4:1,克服了因T6集電極電位與其它NPN管集電極電位不同而
引起的誤差. 在T7的集電極回路
中增加了一個二極管接法的PNP
管T5,它的作用除了與T6對稱以
平衡T7和T8的集電極電壓,以減
小T7和T8基區(qū)調(diào)制效應(yīng)引起的誤
差之外,還對器件提供了很好的
保護(hù)作用.如果沒有T5 ,在萬一
電源極性接反時,就會有大電流
流過把器件燒壞.
T12是一個結(jié)型場效應(yīng)管,實(shí)際上是一個高值電阻.它的作用是保證電路在接上電源時能可靠地啟動.流過T12的電流最后也流過T10,因此不會產(chǎn)生附加的誤差電流.
電容C和電阻R3,R4是為了防止寄生振蕩.
T8,T11是產(chǎn)生基-射電壓正比于絕對溫度的晶體管, R5,R6將電壓轉(zhuǎn)換電流.T10的集電極電流跟蹤T9和T11集電極電流,它提供所有的偏置及電路其余部分基底漏電流,從而迫使總電流正比于絕對溫度.
電路中電流I1決定于T9和T11的發(fā)射極面積比和電阻R5 ,R6的值.
原因①T9的發(fā)射區(qū)面積是T10或T11的8倍.
② T10或T11的集電極電流與T9的相同,故R5的電流為2I1.
R5,R6溫度系數(shù)極小,在片子上用激光研修.在+25℃校準(zhǔn)器件.
右圖為其伏-安特性.U為作用于AD590兩端的電壓,I為其中電流,由圖:在4~30v時,該器件為一個溫控電流源,且其電流值與Tk成正比,即I=kTTk,kT為標(biāo)度因子,在器件制造時已作標(biāo)定,是每度lμA,其標(biāo)定精度因器件的檔次而異(常分為I,J,K,L,M五檔).
因此,AD590在電
路中以理想恒流源
的電路符號出現(xiàn).
右圖為其溫度特性,它在-55~+150℃溫域中有較好線性度,其非線性誤差因檔次而異.若略去非線性項(xiàng),則有
I=kTTc+273.2(μA)
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
下圖為非線性曲線.AD590的I檔ΔT<± 3℃,M檔ΔT<±0.3℃,其余檔次在二者之間.從圖中可見,在-55~+100℃范圍內(nèi), ΔT遞增,容易補(bǔ)償,在+100~+I 50℃為遞減,可進(jìn)行分段補(bǔ)償.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
AD590的主要特征是:
(1)線性電流輸出:1μA/K,正比于絕對溫度;
(2)寬溫度范圍:-55~+150℃;
(3)精度高:激光校準(zhǔn)精度到± 0.5℃(AD590M)
(4)線性好:滿量程范圍± 0.3t(AD590M);
(5)電源范圍寬:+4~+30V.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
AD590的典型應(yīng)用
1.測量溫度
AD590是一個兩端器件,只需要一個直流電壓源,功率的需求比較低(1.5mw,5V).其輸出是高阻抗(710MΩ)電流,因而長線上的電阻對器件工作影響不大.適合長線傳輸,但要采用屏蔽線,防止干擾.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
①攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)
攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)主要由電流溫度傳感器AD590,ICL7106和顯示器組成.如圖所示.
ICL7106包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,時鐘發(fā)生器,參考電壓源,BCD的七段譯碼和顯示驅(qū)動器等,它與AD590和幾個電阻及液晶顯示器構(gòu)成了一個數(shù)字溫度計(jì),而且能實(shí)現(xiàn)兩種定標(biāo)制的溫度測量和顯示.對攝氏和華氏兩種溫度均采用同一參考電壓(500mV).攝氏溫度最大讀數(shù)為199.9℃ ,但AD590只能測到150 ℃ ,華氏溫度最大讀數(shù)為199.9oF(93.3℃)受顯示數(shù)位的限制.
對于兩種溫度,各電阻取值如下:
②下圖為用AD590組成的XSW-1型效字式溫度計(jì).
AD590上接入一個大于+4V的電壓后,其輸出電流將正比于絕對溫度.0℃溫度時,輸出電流為273.2μA,溫度每變化1℃ ,輸出電流變化1μA,AD590的輸出電流通過10kΩ電阻變?yōu)殡妷盒盘?其單位為10mV/℃,因0℃時10kΩ電阻上已有2.732v的電壓輸出.所以必須設(shè)置一偏置電壓(由w1上取出)使0℃時輸出電壓為零.
這樣當(dāng)AD590的環(huán)境溫度大于0℃時,顯示正的溫度數(shù)值,環(huán)境溫度小于0℃時,顯示負(fù)的溫度數(shù)值.測量系統(tǒng)的精度取決于AD590的精度,采用AD590I,經(jīng)零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)?；春?精度優(yōu)于0.5級.調(diào)校方法是使顯示對應(yīng)滿度值.整個儀表結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,體積小,重量輕,功耗低,測量精度高,維護(hù)使用方便.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
2.測量溫差
利用兩塊AD590,按圖組成溫差測量電路.兩塊AD590分別處于兩個被檢點(diǎn),其溫度為Tk1,Tk2,由圖得:
I=ITk1-ITk2=kt(Tk1-Tk2)
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
這里假設(shè)兩AD590有相同的標(biāo)度因子kT0.運(yùn)放的輸出電壓U0為
U0=IR3=ktR3 (Tk1-Tk2)
可見,整個電路的標(biāo)度因子F=ktR3的值取決于R3.R3=F/kt 盡管電路要求感溫器件具有相同的k,但總有差異,電路中引人電位器RW,通過隔離電阻R1注入一個校正電流 I,以獲得平穩(wěn)的零位誤差.如右圖的曲線所示.可見,只在某一個溫度Tk時U0=0.此點(diǎn)常常設(shè)在量程中間的某處.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
3.將幾塊AD590串聯(lián)使用.顯示的總是幾個被測溫度中的最低溫度;
4.將幾塊AD590并聯(lián)就可獲得被測溫度的平均值;如圖所示.

AD590的用途是相當(dāng)廣泛的,除溫度測量外,還可用于分立元件的補(bǔ)償和校準(zhǔn);正比于絕對溫度的偏置;流速測量;流體液位測量及風(fēng)速測量.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
(二)使用IC溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)
參照圖由于A1的同相端接地,所以AD590工作電壓為5V這是由穩(wěn)壓管確定的.對于A1有:
調(diào)整可調(diào)電阻R3,設(shè)置預(yù)置溫度.當(dāng)達(dá)到預(yù)置溫度時停止加熱V02=V010.7v.
按照給定的數(shù)據(jù),由上式:
V03=-(22.2 V02+13.0)>-0.7v
于是: V02<-0.554v
這就是前邊講的預(yù)置值,可由調(diào)整可調(diào)電阻R3實(shí)現(xiàn).
當(dāng)溫度達(dá)到或高于預(yù)置溫度時,V01=V02-0.7v,T1截止, T2,T3也截止,停止加熱.當(dāng)溫度低于預(yù)置溫度時, V02 -0.554v , V03 -0.7v, T1導(dǎo)通, T2,T3也導(dǎo)通,開始加熱.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
(二)AN6701集成溫度傳感器
AN670l是四端子電壓輸出型傳感器.其靈敏度高,線性度好,精度高,響應(yīng)快.它的測溫范圍為-l0℃~+80℃.它輸出電壓為零時的溫度,可以通過外接電阻調(diào)整來任意設(shè)定,而且其靈敏度比一般集成溫度傳感器高十倍.例如,調(diào)整外電阻,可使在25℃時輸出為5.0V,而在80℃時輸出為11.0V,其靈敏度為109mV/℃.
AN6701內(nèi)部電路框圖
Rc為外接校正電阻.用校正電阻Rc可以改變靈敏度和工作范圍.Rc在1~100k范圍變化時,靈敏度在105~114mv/℃變化,偏置溫度(即輸出為0V時的溫度)為-30~-10℃.
Rc變化3%,可以改變偏置溫度±1℃.若要求在25℃時輸出為5v, Rc在3~30kΩ范圍內(nèi),此時靈敏度為109~111mv/℃.校正后,靈敏度的分散性為±1%,其非線性為0.5%.在-10~+ 85℃范圍內(nèi), 對于110mv/℃靈敏度的傳感器,可獲±1℃的精度.
Vcc為+5v~+15v
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
AN6701的應(yīng)用電路如圖,除校正電阻Rc外,無需其它外接元件并且正負(fù)電源都可以工作.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
(三)LMl34集成溫廢傳感器
M134是一種特殊的可調(diào)恒流源電路,它與一般恒流源不同之處是輸出電流與外界溫度變化相應(yīng)的作線性變化,其變化率為1mA/℃,利用這個特性作為溫度傳感器.
LMl34是一種三端器件,Rse1可使電流從lμA調(diào)到10mA.最大的工作電壓為40V.一般工作電壓為幾伏(大于lV即能工作),工作電流約為300μA,功耗不大于2mV.
其特性如下圖:
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
LMl34應(yīng)用電路如圖. 調(diào)整Rse1 (=227Ω) ,使靈敏度為1μA/℃,則RL上的靈敏度為5mV/℃.調(diào)整W1,使0℃時, V0輸出為0V;在100℃時,調(diào)整Rf使輸出為1.0v(輸出靈敏度為10mv/℃) .

第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
為保證精度,運(yùn)算放大器要采用高精度的,基準(zhǔn)電壓可采用1403穩(wěn)壓集成電路.
測溫范圍0~+125℃,其輸出靈敏度為10mV/℃.由于輸出為電流,其傳輸線長達(dá)200米也不會影響測量精度.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
(四)LM35
為電壓輸出三端子IC溫度傳感器,測溫范圍為-55℃~+150℃,靈敏度為
10mV/℃ , Vcc為+4v~+30v .
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
(五)LM3911
為電壓輸出型.
其中LM3911H46為四端子IC傳感器,靈敏度為10mV/K,測溫范圍為
-25℃~+150℃;
LM3911N為八端子IC傳感器,基準(zhǔn)電壓為6.55V~7.25V.
(六) μPC616C和μPC3911C
基本上與LM3911相同.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
各種集成溫度傳感器
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
幾種PN結(jié)型溫度傳感器的外形
五,應(yīng)用舉例——熱電阻測量真空度
把鉑電阻絲裝入與介質(zhì)相通的玻璃管內(nèi),鉑電阻絲由較大的恒定電流加熱.當(dāng)環(huán)境溫度與玻璃管內(nèi)介質(zhì)導(dǎo)熱而散失的熱量相平衡時,鉑絲就有一定的平衡溫度,即對應(yīng)一定的平衡電阻值.當(dāng)被測介質(zhì)的真空度升高時,玻璃管內(nèi)的氣體變得稀少,氣體分子間碰撞進(jìn)行熱傳遞的能力降低,即導(dǎo)熱系數(shù)減小,鉑絲的平衡溫度和電阻值隨即增大,其大小反映了被測介質(zhì)真空度的高低.
例:PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì):
圖中R1,R2,D,W1組成測量電橋,其輸出信號接差動放大器A1,經(jīng)放大后的信號輸入0~ 2V數(shù)字式電壓表(DVM)顯示.放大后的靈敏度為10mv/℃.
A2接成電壓
跟隨器,與
W2配合可調(diào)
節(jié)放大器A1
的增益.
將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中,等溫度平衡后,調(diào)整W1,使DVM顯示為0v;再插入沸水中(設(shè)沸水為100℃),調(diào)整W2,使DVM顯示為100v.若沸水溫度不是100℃時,可按照水銀溫度計(jì)的讀數(shù)調(diào)整W2,使DVW顯示值與水銀溫度計(jì)的數(shù)值相等.再將傳成器插入0℃環(huán)境中,等平衡后看顯示是否仍為0v,必要時再調(diào)整W1使之為0v;然后再插人沸水.看是否與水銀溫度計(jì)讀數(shù)相符,經(jīng)幾次反復(fù)調(diào)整即可.
二,溫敏三極管
1.基本原理
溫敏二極管的溫度特性只對擴(kuò)散電流成立,但實(shí)際二極管的正向電流還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流.這兩種電流與溫度的關(guān)系不同于擴(kuò)散電流.故實(shí)際二極管的電壓--溫度特性是偏離理想情況的.
第四節(jié) PN結(jié)型溫度傳感器
ADC
BD
+15V
鉑電阻測溫電路
-15V
+15V
+4.3V
+0.7V
2DW7C
3k
3k
3k
3k
1k
100k
R12=3.3k
5.1k
1k
2CK11
2CK11
2
3
1
4
10
a
b
100Ω
0.1μ
當(dāng)溫度變化時,電橋處于不平衡狀態(tài),在a,b兩端產(chǎn)生與溫度對應(yīng)的電位差.該電橋?yàn)橹绷麟姌?其輸出電壓Uab為0.73mv/°C. Uab經(jīng)比例放大器放大,其增益為A/D轉(zhuǎn)換器所需的0~5V直流電壓.D3,D4是放大器的輸入保護(hù)二極管;R12用于調(diào)整放大倍數(shù).放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號,可與微機(jī)接口.
D3
D4
RT為Tl的偏置電阻.當(dāng)溫度改變, RT變化,引起Tl集電極電流變化,通過二極管D使C充電電流變化,從而使雙基極二極管輸出發(fā)生相移,改變可控硅導(dǎo)角,即改變控溫器加熱絲電壓,達(dá)到控溫目的,調(diào)節(jié)w值可把溫度控制在不同的數(shù)值內(nèi).