Простое измерение температуры микроконтроллером с помощью диода и конденсатора

Использование p-n перехода диода для измерений температуры, как правило, основано на изменении прямого напряжения диода, связанного с температурой коэффициентом 2 мВ/K. Обычно, прежде чем это напряжение можно будет использовать в микроконтроллере, его нужно усилить и оцифровать с помощью АЦП. Менее известен тот факт, что обратный ток диода с p-n переходом имеет хорошую экспоненциальную зависимость от температуры; увеличение температуры примерно на 12 K увеличивает ток утечки вдвое (Рисунок 1). Проще всего измерить ток в столь большом диапазоне значений от двух до трех декад, зарядив и разрядив конденсатор и измерив время или частоту.

Рисунок 1.	Обратный ток p-n перехода диода экспоненциально зависит от температуры. Увеличение температуры примерно на 12 K удваивает ток утечки.

Микроконтроллер заряжает конденсатор, либо временно используя линию ввода/вывода как выход, либо подключая внутренний подтягивающий резистор R_PULLUP, имеющийся в некоторых микроконтроллерах (Рисунок 2а). После заряда этот вывод конфигурируется как высокоимпедансный вход, и конденсатор разряжается током утечки диода (Рисунок 2б). Тогда время разряда будет пропорционально температуре диода. Для некоторых типов диодов экспоненциальное поведение может быть почти идеальным. Необходима калибровка устройства в нижней точке шкалы, поскольку абсолютные значения тока при заданной температуре имеют сильный разброс.

Рисунок 2.	Конденсатор C сначала заряжается через подтягивающий резистор линии вывода-ввода микроконтроллера, сконфигурированной как выход (а). Затем конденсатор разряжается обратным током утечки диода D (б).

Выбор типа диода и емкости конденсатора требует определенного внимания. Чем меньше p-n переход, тем меньше обратный ток, и тем больше время разряда. Периоды больше нескольких секунд обычно не подходят. Слишком малое значение емкости конденсатора приводит к ошибкам, поскольку начинают сказываться емкости кабеля и p-n перехода самого диода.

Хорошие результаты обычно дают мощные диоды, такие как 1N4001 с емкостью 1 нФ. Время разряда, при комнатной температуре составляющее примерно от 0.3 с до 1 с, при 100 °C падает в миллисекундный диапазон. В схеме также можно использовать p-n переход мощного транзистора.