Известно, что диод с p-n переходом может быть основой точного термометра для криогенных температур примерно до 200 °C. Через диод поддерживается постоянный ток, и падающее на нем напряжение отражает измеряемую температуру. Чтобы минимизировать саморазогрев диода, величина постоянного тока обычно выбирается небольшой. Напряжение на диоде линейно падает с температурой, поэтому для прямого считывания показаний необходима схема согласования на операционном усилителе. Калибровка выходного сигнала осуществляется с помощью опорного напряжения.
В этой статье экстраполируется концепция диода с p-n переходом, возбуждаемого постоянным током, что потенциально позволяет отказаться от использования опорного напряжения и операционных усилителей. В результате получилась уникальная реализация простой, но высокоточной схемы, выходной сигнал которой пропорционален температуре. Предлагаются также интересные варианты применения этой схемы. Работа измерителя основана на коммутируемой схеме, которая позволяет попеременно пропускать через диод два постоянных тока. Метод хорошо обоснован математически, но мрачные подробности в этой статье опускаются. Отправной точкой является уравнение Шокли для диода:
где
I – ток, проходящий через p-n переход диода;
V – напряжение на диоде;
T – абсолютная температура p-n перехода;
n – коэффициент идеальности полупроводникового материала диода;
EG – ширина запрещённой зоны объемного полупроводника;
k – постоянная Больцмана;
In – не зависящая от температуры часть обратного тока насыщения диода.
В эксперименте, описанном в [1], кремниевый диод 1N4148 поочередно возбуждается сначала постоянным током I1, а затем постоянным током I2, причем переключение происходит при температуре T.
На Рисунке 1 показано влияние этих двух токов на напряжение диода при его охлаждении в водяной бане от температуры T0. В принципе, отрезки AB и CD, экстраполированные в обратном направлении, сходятся при абсолютном нуле (–273 °C).
 |
|
| Рисунок 1. | Принцип действия термометра с прямым считыванием среднеквадратичного значения. |
Однако примеси и другие эффекты в диоде ограничивают полезность схемы примерно до –200 °C. При температуре T использование двух последовательно включаемых токов дает пару данных: (T, I1, V1) и (T, I2, V2). Подставив эту пару в уравнение Шокли, можно легко найти разность напряжений ΔV = V1(T) – V2(T), основываясь на коэффициенте идеальности:
Коэффициент идеальности обычно постоянен для данного диода, и для 1N4148 он составляет 1.9 [1]. Наблюдаемая предсказуемость схемы лучше для кремниевых диодов, чем для германиевых. В последнем уравнении члены n, q/kT и ln(I1/I2) постоянны, и его можно переписать с использованием новой константы b:
ΔV(T) = bT,
где температура T в градусах Кельвина.
Следовательно, разность напряжений при данной температуре T прямо пропорциональна температуре при условии, что токи переключаются в заданном соотношении при температуре измерения. Время переключения меньше времени, за которое может измениться температура. Для лучшей точности измерений разность напряжений ΔV при интересующей температуре должна быть большой. На Рисунке 1 показано большое соотношение токов I1/I2, однако при слишком большом I1 может возникнуть саморазогрев. На Рисунке 2 показано инновационное коммутируемое токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q1 и Q2, выходной ток которого отражается в диоде D1.
 |
|
| Рисунок 2. | Коммутируемый источник постоянного тока. |
На Рисунке 2 нагрузочный резистор транзистора Q2 подключается к коллектору или отключается от него дополнительным транзистором Q3, управляемым источником тактового сигнала V3 с коэффициентом заполнения 50%. В результате нагрузочное сопротивление попеременно имеет значение R1 при V3 = 5 В и (R1 + R2) при V3 = 0 В. При указанных на схеме номиналах компонентов два значения токов зеркала составляют 20.14 мкА и 111.38 мкА. Подстановка всех констант в формулу для разности напряжений дает
ΔV(T) = 2.8 × 10– 4T.
Эта формула предсказывает выходное напряжение ΔV = 20.5 мВ при температуре –200 °C, 83.4 мВ при 25 °C и 132.0 мВ при 200 °C. Усиление с помощью операционных усилителей позволяет повысить выходной сигнал до необходимого уровня.
В окончательном варианте схемы источником тактовых импульсов может служить автоколебательный генератор на таймере 555 с коэффициентом заполнения 50% или выход ШИМ встроенного контроллера. Конструкция была протестирована на частоте 10 кГц. Напряжение на диоде переключается между значениями V1 и V2 и поэтому имеет собственное постоянное смещение, которое при необходимости можно отфильтровать с помощью простой RC-цепочки с низкой частотой среза, например, 2 Гц.
Фильтрация гарантирует прямоугольную форму выходного сигнала с незначительным ослаблением пикового уровня без внесения частотной зависимости. Выходной сигнал можно измерить на выходе «OUT1» на Рисунке 3 цифровым вольтметром истинного среднеквадратичного значения в режиме измерения переменного тока.
Верхняя граница рабочей частоты – это частота, при которой начинает наблюдаться замедление реакции диода. Возможны некоторые улучшения считывания результатов измерения. Например, подключение к выходу фильтра детектора с единичным усилением или прецизионного двухполупериодного выпрямителя [2] позволяет получить положительный выходной сигнал с пропорциональными температуре пиковым и среднеквадратичным значениями на выходе «OUT2» (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Действующая схема со среднеквадратичным значением выходного напряжения, прямо пропорциональным температуре. |
Возможными областями применениями схемы являются ультралинейные широкодиапазонные термометры с прямым считыванием, замкнутые системы регулирования температуры и устройства сбора данных о температуре. Интересным приложением является амплитудная модуляция высокочастотной несущей отфильтрованным выходным сигналом. Модуляция частоты температурой также возможна, если удалить RC-фильтр, а центрированное постоянное напряжение диода сначала буферизовать, а затем подать на варактор в линейном ГУН. Тогда девиация частоты будет прямо пропорциональна температуре.
Ссылки
- R O Ocaya and P V C Luhanga 2011 Eur. J. Phys. 32 1155
- Jones D and Stitt, Precision Absolute Value circuits, SBOA068, Burr-Brown
Купить LT1001 на РадиоЛоцман.Цены
