Источники питания сетевого напряжения на DIN-рейке MEAN WELL

Транзисторный генератор измеряет абсолютную температуру

Analog Devices LT1009 LTC1043 LTC1150

12 июня 2011 года мир аналоговой электроники потерял звезду, когда умер его гуру Джеймс М. Уильямс (James M. Williams). Сотни статей, книг и руководств по применению, написанных Джимом были (и продолжают оставаться) бездонным источником информации, вдохновения и радости от созерцания умело решенных мастером сложных конструкторских головоломок, и все это в обертке восхитительного авторского стиля. Представленная здесь идея взята из одной из его схем, опубликованных на странице 7 руководства AN45 [1].

Пленочные конденсаторы Hongfa для построения AC/DC- и DC/AC-преобразователей

В этом руководстве по применению Джим обсуждает привлекательность использования температурного коэффициента напряжения база-эмиттер транзистора (VBE) в качестве недорогого датчика температуры, но отмечает, что на практике его полезность ограничена непредсказуемым разбросом VBE от транзистора к транзистору. Он объясняет, почему эта проблема требует первоначальной калибровки транзисторного датчика (и повторной калибровки, если датчик когда-либо будет нуждаться в замене), что в основном сводит на нет любое ожидаемое удобство и экономию средств.

Тогда Джим спасает положение гениальным решением.

Оказывается, говорит Джим, что, хотя напряжение VBE случайного транзистора на постоянном токе не предсказуемо и бесполезно, изменение VBE биполярного транзистора при изменяющемся токе очень предсказуемо. В частности, оно надежно описывается этой простой логарифмической формулой:

где TABS – абсолютная температура в градусах Кельвина, I1 и I2 – два значения тока. Поэтому при использовании ∆VBE в качестве термометра

если

Обратите внимание на замечательную (и легко запоминающуюся) константу «пятьдесят на пятьдесят»!

Джим применяет эту взаимосвязь в схеме на Рисунке 1, в которой через включенный диодом n-p-n транзистор Q2 периодически попускаются два разных тока с соотношением значений 10:1. Схема синхронно выпрямляет результирующий сигнал переменного тока 198 мкВ/K, а затем усиливает и смещает выпрямленное напряжение, чтобы получить выходной сигнал от 0 до 10 В, соответствующий диапазону температур от 0 до 100 °C; при этом калибровка конкретного транзистора датчика не требуется.

Термометр Джеймса Уильямса на основе ∆VBE.
Рисунок 1. Термометр Джеймса Уильямса на основе ∆VBE.

Я успешно использовал «пятьдесят на пятьдесят» во многих термометрических приложениях и здесь предлагаю новую вариацию этой идеи – генератор-преобразователь градусов Кельвина в микросекунды (Рисунок 2).

Генератор - измеритель абсолютной температуры.
Рисунок 2. Генератор – измеритель абсолютной температуры.

Соотношение токов для получения ∆VBE, равное 16:1, здесь устанавливается парой резисторов R3/R4 (плюс небольшой вклад R1+R2 от цепи интегратора). Переключение токов создает на выводе 7 интегратора A2 периодические скачки напряжения ∆VBE, пропорциональные температуре:

всякий раз, когда компаратор A1 переключает MOSFET Q2. Я выбрал большее соотношение токов 16:1 вместо 10:1, чтобы упростить обработку сигнала операционными усилителями и снизить значение некоторых вторичных потенциальных источников ошибок. Конденсатор C2 создает положительную обратную связь, обеспечивающую быстроту и чистоту переключений компаратора.

Затем после скачка выходное напряжение интегратора A2 линейно возвращается обратно к установленному усилителем A1 значению 500 мВ, как показано на Рисунке 3, формируя симметричные полупериоды длительностью T = 10 мкс/K, равные 3 мс при 300 K (27 °C).

Формы сигналов генератора-термометра.
Рисунок 3. Формы сигналов генератора-термометра.

Подстроечный резистор R1 обеспечивает одноточечную компенсацию, в основном разброса емкости конденсатора интегратора C1 и отклонений VDD. Хотя, как отмечается в руководстве Уильямса, сам транзистор датчика Q1 не нуждается в калибровке. После того, как настройка выполнена, возвращаться к этой процедуре не нужно, даже после замены транзисторов Q1.

Выходной сигнал 0/5 В генератора термометра можно легко преобразовать в цифровое значение температуры с помощью стандартного таймера микроконтроллера. При частоте 1 МГц разрешение преобразования за один полупериод колебаний Т составляет 0.1°.

Очевидно, в схеме Джима каким-то образом проскользнула опечатка. Пара резисторов, которая устанавливает соотношение токов 10:1 и, следовательно, должна иметь отношение сопротивлений 9:1, на схеме Джима имеет сопротивления 549 кОм и 49.9 кОм, отношение которых составляет 11:1, что соответствует отношению токов 12:1. Это значит, что масштабный коэффициент будет равен 214 мкВ/К вместо заявленного 198 мкВ/К. Я не знаю, существует ли редакция документа, в которой эта незначительная 8-процентная ошибка исправлена, но я взял на себя смелость сделать это простое исправление самостоятельно. Кроме того, не нужен транзистор Q1.

Ссылка

  1. Jim Williams. Measurement and Control Circuit Collection. AN45.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LT1009
  2. Datasheet Analog Devices LTC1043
  3. Datasheet Analog Devices LTC1150
  4. Datasheet Texas Instruments TLV2372
  5. Datasheet Diodes DMP32D9UFZ

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Transistor ∆VBE-based oscillator measures absolute temperature

58 предложений от 32 поставщиков
Источник опорного напряжения, прецизионный, шунтирующий - фиксированный, LT1009, 2.5В, SOIC-8
LT1009CLP
Texas Instruments
14 ₽
EIS Components
Весь мир
LT1009CLP
Texas Instruments
32 ₽
FAV Technology
Весь мир
LT1009IZ#TRPBF
Analog Devices
по запросу
Контест
Россия
LT1009IZ
Linear Technology
по запросу
Электронные компоненты. Скидки, кэшбэк и бесплатная доставка от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • в умном доме. или его элементах
  • На первом фото резистор R2 110к, а на втором 100к. Опечатка?
  • Нет. На первом фото резисторы подключаются как в оригинале в статье - параллельно.
  • Не пытались проверить в железе? Сам бы попробовал - даже руки чешутся, но нет опыта в программировании.
  • Нет еще, не было повода. :)
  • Повод состоялся - надо было проверить модуль ардуино нано на работоспособность. Результаты такие: при опорном напряжении 5В (оно же питает МК) получаем разницу падений напряжения на транзисторе при разных токах примерно 122 мВ. После вычислений (0,122 * 5050) - 273 получаем 343 град.С., что есть полный бред. ЗЫ. Вместо резистора 1М надо ставить 910к. ЗЫЫ. Ацп не причем, осцилл показывает такие же уровни. :(
  • Наверное ровно 900кОм? 1.Т.к. мин. ток на транзисторе 4,6мкА, нужно ли учитывать входные токи АЦП? 2.Интересно, что если экономить батарею питания, то лучше применить параллельное включение, но тогда нужен лишний вывод от МК...
  • По моим сведениям входное сопротивление атмеги328 составляет ок. 50 МОм, т.е. погрешность конечно будет, но всяко не в 10 и более раз. Резистор 910 Ом потому, что 900 Ом у меня нет. Автор статьи допускает аналогичный разброс.
  • Вопрос о влиянии ацп решен просто, а именно без применения оного. К ИП с выходным напряжением 4,960В был подключен транзистор через резистор 100к, а затем через последовательно включенные резисторы 100к и 910к. Падения напряжения на транзисторе составили соответственно 0,4962 мВ и 0,6271 мВ. Расчет температуры показал, что она составила ((0,6271 - 0,4962) * 5050) - 273,15 = [B]387, 895 град.С.[/B] Т.е. получаем тот же самый дурдом.
  • За счёт изменения падения на транзисторе (Uкэ) получается вносимая погрешность по току, но она небольшая =3%. Интересно то, что результат как бы удвоенный?! Если провести измерение при разных температурах и дельта в обоих случаях где-то будет одна и та же, значит в формуле ошибка с коэфф. около 2-х. У вас вольтметр конечно цифровой с большим Rвх. Если же как у осциллографа (=1МОм), то это сущ. утечка. Можно увеличить оба тока на порядок-два, при правильной формуле погрешность должна уменьшиться.
  • 387, 895 град.С / 26 град.С = [B]14,919 раз![/B] Это уже не погрешность, а магия числа 5050.... :) 10 МОм.
  • Вроде прояснилось. :) Я скачал оригинал статьи и обнаружил в ней, что "при комнатной температуре диод перехода VBE смещается на 59,16 мВ за декаду тока". Т.к. у меня это смещение составило 131 мВ, я попытался скопировать эксперимент полностью. Первым делом я заменил транзистор на указанный автором - 1N3904 и получил смещение... 75,5 мВ, что гораздо ближе к искомым 59,16 мВ. После чего я сменил напряжение питания на указанные автором 15В и получил смещение 59,4 мВ. Что почти то же самое, что у автора. После чего я заменил транзистор на другой указанный автором - 1N2222 и получил смещение 62,7 мВ., что противоречит заявлению автора о разбросе всего лишь в 0,4 град.С. - по факту получилось 43 град.С. Иными словами, примененный автором метод может и точнее традиционного, но он требует калибровки точно так же, как и традиционный метод.
  • Меня тоже зацепило. Взял что ближе под рукой: КТ315Г, спаял на коленке. Eп=5,04В Увеличил токи на 2 порядка относительно ваших. R1=971 Ом I=4,54 мА Uбэ=0,682В R2=8891 Ом I=0,496 мА Uбэ=0,626В дельта=0,682-0,626=0,056В 0,056*5050=282,8 282,8-271=+11,8 град С (ИК термометр показал = +26град.С) Учитывая, что отношение токов не равно 10, а К=4,56мА/0,496мА=9,1 то результат хороший! Измерял что было под рукой: мультимером М-830 (думаю на пределе 2000мВ Rвх=10-30кОм)
  • del del
  • К выше приведённому просчитал десят. логарифм 9,1=0,959 Тогда 5050/0,959=5266, а абсолют. температура равна 0,056*5266= 294,9 град.К Температура же в град.С соответственно 294,9-271=+24град.С (напомню ИК термометр показал +26 град.С при светлой поверхности стола). Точность 2град.К/271град.К*100%=0,7% В общем очень не плохо.
  • 294,9-273,16=20,84град.С И это с учетом того, что ток 4,5 мА подогревает транзистор, рассеивая на нем 3 мВт. То есть реальная измеренная им температура еще ниже. Такие большие токи на порядки применять нельзя. В схеме автора такие большие значения сопротивлений как 1 мом и 100 к выбраны исходя из требования запитки транзистора источником тока малого (стабилизатором малого тока), иначе ток будет нагревать транзистор, искажая показания. В оригинальной статье вместо этих двух резисторов как раз и используется источник тока. [IMG]https://dl.dropbox.com/s/8ep2sndkj33v1nw/sss.JPG?dl=0[/IMG]
  • Но главное даже не в этом. Воткните в ту же схему другой транзистор, и если разница измеренной им температуры превысит заявленные автором 0,4 град.С - схему в топку. Потому как при необходимости применения калибровки нет никакого смысла городить этот огород с переключениями токов, типовое решение будет удобнее и выгоднее.
  • Согласен, это только эксперимент. А реале лучше всё учесть: изменение общего напряжения, вх. сопр-е, точность АЦП, точность источн. опорного напряжения в МК, максим. доп. ток (!), отсутствие флюса под транзистором... В общем датчик на МК ждёт практической реализации.
  • К выше сказанному: R2=8891 Ом на диапазоне измерений 20 кОм R2=9600 Ом на диапазоне измерений 200 кОм. Т.е. мультимер даёт о-очень большую относит. ошибку при разных диапазонах измерений. Вывод: нужно измерять одним и тем же узлом (в МК это автоматически).
  • ИМХО выше я привел достаточные доказательства бессмысленности практической реализации описанного в статье метода ввиду ложности выводов автора об отсутствии необходимости калибровки измерений.
Полный вариант обсуждения »