Дифференциальное измерение температуры – это удобный способ количественной оценки характеристик радиаторов, термоэлектрических охладителей и теплового контроля в электронных блоках. На Рисунке 1 показана недорогая конструкция дифференциального термометра высокого разрешения, использующего эффект изменения напряжения база-эмиттер (∆VBE) для выполнения точных измерений с помощью прецизионных датчиков температуры, основанных на обычных некалиброванных транзисторах.
 |
|
| Рисунок 1. | Транзисторы Q1 и Q2 выполняют самокалибровку и с высоким разрешением измеряют дифференциальную температуру. |
Вот как это работает.
Включенные диодами транзисторы Q1 и Q2 выполняют функцию прецизионных датчиков температуры, управляемых коммутаторами U1a и U1c и соответствующими резисторами R2, R3, R13 и R14. Для возбуждения транзисторов используются токовые сигналы чередующейся амплитуды с соотношением (почти точным) 10:1. (100 мкА через резисторы R3 и R13,10 мкА через R2 и R14).
При таком специфическом возбуждении 10:1 почти любой из имеющихся под рукой малосигнальных транзисторов будет создавать сигнал переменного напряжения, точно пропорциональный абсолютной температуре TA, с размахом, определяемым выражением:
Пропорциональные разности температур сигналы от транзисторов Q1 и Q2 усиливаются дифференциальным усилителем A1a и A1d с коэффициентом усиления примерно 100:1, синхронно демодулируются усилителем U1b, а затем фильтруются элементами R11, C2 и C3 для получения сигнала постоянного тока, пропорционального 20 мВ/°C. Затем это значение масштабируется в 2.5 раза с помощью усилителя A1c, чтобы получить окончательный выходной сигнал разности температур Q1 – Q2, положительный, если Q1 теплее, чем Q2, отрицательный, если Q2 теплее, чем Q1, и пропорциональный 50 мВ/°C.
Вот некоторые важные детали конструкции:
- Хотя соотношение сопротивлений резисторов, задающих ток модуляции, в точности равно 10:1, результирующее отношение токов модуляции не совсем такое же… Сам сигнал ∆VBE немного вычитается во время полупериода 100 мкА, что снижает фактическое соотношение токов с 10:1 до 9.9:1. Это изменяет сигнал датчика температуры ∆VBE примерно на –1%.
- К счастью, коэффициент усиления усилителя A1a/d не совсем соответствует заявленному значению 100; на самом деле он равен
Эта «ошибка» +1% аккуратно компенсирует «ошибку» –1% сигнала ∆VBE, в результате чего получается окончательный, приемлемо точный выходной сигнал демодулятора 20 мВ/°C.
- Частота модуляции/демодуляции FC сигнала, вырабатываемого генератором на усилителе A1b, выбором постоянной времени R4C1 намеренно устанавливается равной половине частоты электрической сети (30 Гц для сети 60 Гц и 25 Гц для сети 50 Гц) с помощью сопротивления R4 (160 кОм для 60 Гц и 200 кОм для 50 Гц). Это усредняет соседние периоды сетевой частоты при каждом измерении температуры и, таким образом, повышает устойчивость к паразитным помехам, связанным с линией электрической сети. Это полезный прием, поскольку в некоторых приложениях дифференциальной термометрии могут использоваться работающие от сети нагреватели, которые излучают помехи. Для удобства отношение сопротивлений R5/R6 было выбрано таким, чтобы
- Номиналы резисторов, отмеченные на схеме звездочкой, обозначают прецизионные металлопленочные типы. Для минимизации ошибки нуля особенно важны резисторы R2, R3, R13 и R14, определяющие соотношение токов, и было бы лучше, если бы они имели допуски 0.1%. Остальные резисторы влияют на ошибку в меньшей степени, и для них нормальным допуском будет 1%. Отсутствие звездочки означает, что достаточно точности 5%.
