В предыдущей статье мы рассмотрели термисторы, которые по своей сути являются нелинейными полупроводниковыми резисторами. Но без p-n перехода. И это важнейшее отличие от рассматриваемых сегодня полупроводниковых датчиков, которые используют свойства p-n перехода, а не собственно полупроводниковых материалов, из которых они изготовлены.
На иллюстрации показаны не транзисторы, диоды, или обычные микросхемы. Это полупроводниковые датчики температуры. Из всех уже рассмотренных типов датчиков полупроводниковые имеют самый маленький рабочий диапазон температур. Это ограничивает их область применения в промышленных датчиках контроля технологических процессов. Но, благодаря своей линейности и технологичности, они находят широкое применение. И именно такие датчики чаще всего используются в любительских конструкциях. Но обычно не с аналоговым, а с цифровым выходом.
Как устроен и работает полупроводниковый датчик
Любой человек, за исключением совсем уж новичков, занимающийся электроникой, пусть и на любительском уровне, знает, что аналоговые схемы с транзисторами и диодами требуют применения схемотехнических решений для температурной стабильности параметров. И в курсе электроники ВУЗ-ов этому вопросу обязательно уделяют внимание.
Не сомневаюсь, что большинство, как минимум, слышали про использование полупроводниковых диодов и транзисторов в качестве датчиков температуры. Многие читали, и даже участвовали, обсуждения на форумах про такое использование диодов и транзисторов. И знают, что там часто задаются вопросом соответствия теоретических формул суровой практике.
Давайте попробуем разобраться, как и что здесь происходит, и почему многие дискуссии не совсем корректны.
Итак, поскольку статья о датчиках температуры, давайте рассмотрим, что именно будем считать измерительным элементом датчика. В первом приближении, это диод или транзистор в диодном включении
Не смотря на то, что использование транзистора в таком включении имеет некоторые свои особенности, я буду пока рассматривать только диод. То есть, фактически, p-n переход. Причем я покажу разницу между германиевыми и кремниевыми диодами.
Я не буду погружаться в пучины физики полупроводников, ограничусь моделями диодов. В большинстве случаев используется упрощенная модель диода
Эта модель состоит из идеального диода, источника напряжения равного напряжению "открывания диода", дифференциального сопротивления диода, обратного сопротивления диода. Напряжение отпирания диода это напряжение, ниже которого ток через диод практически не протекает. Для германиевых диодов это напряжение обычно принимается равным 0.2 В (на практике от 0.15 до 0.35 В), а для кремниевых 0.6 В (на практике от 0.5 до 0.7 В).
И вот именно для такой модели во многих источниках и приводят формулу зависимости тока через диод от напряжения на диода для прямой ветви ВАХ. Вам эта формула хорошо знакома
Однако, необходимо обратить ваше внимание на то, что здесь, вместо обычно встречающегося тока Iо, используется тепловой ток диода. И это очень важный момент!
Дело в том, что Io в обсуждениях на форумах часто принимают за обратный ток диода, что не верно. Из-за этого и возникает большинство сомнений и непонимания.
Дело в том, что только для германиевых диодов, и то не во всех случаях, можно считать, что обратный ток диода практически равен тепловому. Для кремниевых диодов тепловой ток составляет лишь малую часть обратного тока.
Кроме того, в справочных данных на диоды указывается максимальное значение обратного тока. И лишь иногда типовое, как дополнительное значение. Да и разброс обратного тока диодов, даже в одной партии, бывает значительным.
Поэтому неверно подставлять в формулу паспортные значения обратного тока из справочника. А эта ошибка очень распространена!
Путаницу усугубляет то, что не редко в учебниках встречается определение теплового тока как "обратный ток насыщения". Тепловой ток вызывается движением неосновных носителей заряда. И при обратном напряжении больше нескольких φт ток вызываемый основными носителями заряда можно не учитывать, так как он снижается экспоненциально при увеличении напряжения.
Давайте попробуем чуть поглубже разобраться. Это немного выходит за рамки материала статьи, но весьма полезно для понимания работы полупроводниковых датчиков температуры.
В равновесном состоянии через диод протекает ток имеющий две составляющие. Первая обусловлена диффузией основных носителей заряда. Вторая обусловлена дрейфом неосновных заряда.
Таким образом, более точная модель диода (и именно она используется как основная в транзисторных структурах микросхем), выглядит так
Эта модель все еще не полна, но гораздо точнее приведенной ранее. Здесь есть источники тепловых токов для p и n областей. А диод VDr учитывает процесс рекомбинации- генерации в переходном слое.
Я не буду расписывать формулы для этой модели, иначе мы очень далеко уйдем в сторону от темы статьи. Но, надеюсь, видно, что формула зависимости тока через диод от приложенного напряжения, должна учитывать все токи, которые есть в уточненной модели перехода. И эта формула будет гораздо сложнее приведенной выше.
При обычных инженерных расчетах многие параметры уточненной модели диода неизвестны, так как не приводятся в документации. Поэтому, с практической инженерной точки зрения, и упрощенная, и уточненная модели показывают лишь характер зависимостей и их составляющие. С разной степенью точности.
Поскольку измерение температуры чаще всего производится через измерение падения напряжения на прямосмещенном диоде, давайте немного преобразуем приведенную выше формулу
Эту формулу вы тоже видели не один раз. Она не учитывает не только параметры уточненной модели, но даже объемное сопротивление областей диода. А значит, она лишь отражает характер зависимости. Более того, только для малых токов через диод.
Сам тепловой ток тоже зависит от температуры. Причем эта зависимость экспоненциальная
Как результат, зависимость падения напряжения на диоде от температуры, при постоянном токе через диод, близка к линейной. Причем с ростом температуры падение напряжения на диоде уменьшается.
Близкая к линейной зависимость падения напряжения от температуры позволяет ввести понятие ТКН (температурного коэффициента напряжения) как отношения изменения падения напряжения изменению температуры. Важно заметить, что для обычных диодов ТКН не является не только паспортным, но и сколько нибудь нормируемым значением. И может очень сильно различаться у разных диодов.
При этом можно приблизительно считать, что ТКН равен примерно 2-2.2 мВ а градус Цельсия. И является отрицательным.
Осталось буквально пару слов о зависимости обратного тока диода от температуры. Как я уже говорил, обратный ток имеет очень большой разброс даже у разных диодов в одной партии, поэтому в документации указывается лишь его максимальное значение.
Приведенная выше формула для зависимости теплового тока от температуры позволяет ориентировочно определять обратный ток в зависимости от температуры для германиевых диодов. Для кремниевых же диодов тепловой ток составляет лишь малую долю от обратного тока. Для этих диодов основной вклад в обратный ток вносят процессы рекомбинации-генерации в p-n переходе.
Для инженерных расчетов можно использовать изменение температуры, при котором обратный ток удваивается. Для германия обратный ток удваивается каждые 8-10 градусов, а для кремния 6-7 градусов. Это не ошибка! Речь идет о приращении, а не об абсолютных значениях. В целом, обратный ток кремниевых диодов существенно меньше обратного тока германиевых.
Измерение температуры с помощью полупроводниковых датчиков
Вполне очевидно, что возможно включение диода как в прямом, так и в обратном направлении.
Включение диода в прямом направлении
Поскольку падение напряжения на диоде при заданном токе зависит от температуры практически линейно, чаще всего используют именно этот способ. Зависимость тока от температуры, при заданном напряжении, не линейна.
На иллюстрации я показал принцип измерения и калибровки. Через диод протекает постоянный ток задаваемый источником тока с большим внутренним сопротивлением. Это достаточно важный момент для точности измерения. При достаточно высоком напряжении питания схемы (Еп) возможно использование вместо источника тока высокоомного резистора. Но это снижает точность, особенно, если требуется измерение в большом диапазоне температур.
Различные вариации такого способа измерения часто можно встретить в различных конструкциях. Поскольку обычный диод имеет не нормируемые температурные параметры, калибровка неизбежна. Причем замена диода потребует повторной калибровки.
Калибровка осуществляется по двум точкам. Обычно советуют использовать точки замерзания и кипения воды. С точкой замерзания особых проблем нет - вода со льдом. А вот с точкой кипения несколько сложнее. Дело в том, что температура кипения воды зависит от атмосферного давления (если речь идет об открытом сосуде). А атмосферное давление постоянно изменяется. Но колебания давления оказывают меньшее влияние, чем высота над уровнем моря.
В результате, вода во многих местах кипит при температуре меньшей 100 градусов Цельсия! И будет ошибкой использовать температуру кипения воды как реперную точку. К сожалению, ошибкой весьма распространенной.
Поэтому для калибровки необходим точный термометр. Например, лабораторный ртутный. Поместив диод в воду со льдом резистором R2 устанавливают на выходе усилителя напряжение соответствующее 0 градусов. Затем, помести диод в горячую воду, устанавливают резистором R1 напряжение на выходе усилителя соответствующее температуре на точном термометре. Калибровку повторяют несколько раз, так как регулировки взаимозависимы.
Неминуемо встает вопрос, какой ток через диод должен протекать? И здесь нам надо вспомнить о явлении саморазогрева измерительного элемента (диода). Значит, ток должен быть мал, а определить его можно через тепловое сопротивление кристалл-среда.
Но это еще не все. Давайте вспомним, что я говорил про формулу зависимости напряжения от температуры при заданном токе. В приведенном виде она верна для малых токов. Что бы не сказывалось влияние объемных сопротивлений полупроводниковых областей.
На практике, ток через диод должен составлять десятки-сотни мкА. Типичным значением является 50-100 мкА.
Включение диода в обратном направлении
Этот способ для измерения температуры используют редко, так как он менее удобен. При обратном включении диода обычно измеряют ток через диод с помощью измерения напряжения на последовательно включенном резисторе.
Я не буду приводить схему, так обратное включение диода чаще используется не для измерения температуры, а для ее аналогового регулирования. Например, для включения вентилятора охлаждения и управления скоростью его вращения при повышении температуры радиатора.
Датчики с нормируемыми характеристиками
Не смотря на то, что обычные диоды и транзисторы возможно использовать как датчики температуры (особенно, в любительских конструкциях), возникающие неудобства перевешивают дешевизну конструкции. А для промышленного производства и применения это вообще не приемлемо.
Поэтому промышленно выпускается весьма большой ассортимент полупроводниковых датчиков температуры с нормируемыми параметрами. Основной признак таких датчиков - аналоговых выходной сигнал. Только такие датчики мы сегодня рассматриваем.
В большинстве случаев выходным сигналом таких датчиков является напряжение пропорциональное температуре. Значительно реже выходным сигналом является ток пропорциональный температуре.
Кроме собственно измерительного элемента (обычно, комбинация транзисторов в целом эквивалентная транзистору в диодном включении) такие датчики содержат и схему обработки/нормализации. И этим полупроводниковые датчики температуры радикально отличаются от ранее рассмотренных, которые являются собственно измерительным элементом, с внешней схемой обработки.
Рассмотреть все промышленно выпускаемые датчики вряд ли возможно. Поэтому давайте посмотрим на буквально на два-три примера.
LM135, LM235, LM335
На самом деле, это один и тот же датчик. Просто различаются температурный диапазон и точность. Этот датчик ведет себя как стабилитрон с нормируемым ТКН, что и позволяет измерять температуру.
Причем, в отличии от многих других датчиков, LMx35 позволяет выполнять аналоговую калибровку. А это облегчает его использование в устройствах без процессоров и микроконтроллеров.
Чувствительность датчика равна 10 мВ/К. Да, на градус Кельвина. То есть, при 0 градусов Цельсия выходное напряжение будет равно 2,73 В. А при 25 градусах Цельсия 2,98 В.
Для самого дешевого LM335 (без буквы А в конце) типовая погрешность составляет 4 градуса при комнатной температуре, без калибровки. А после калибровки погрешность снижается до 1 градуса. Для остальных датчиков этого типа, без калибровки, погрешность составляет 1 градус, а с калибровкой 0.5 градуса.
Зависимость температура-напряжение довольно линейна. Нелинейность составляет примерно 0.3 градуса, при токе через датчик 1 мА. Выходное напряжение возрастает с ростом температуры.
Для данного датчика надо учитывать саморазогрев при питании большими токами.
TC1047, MCP9700, и многие другие
В отличии от LMx35 не требуют внешних элементов. Но при этом и не имеют возможности аналоговой калибровки. Выходным сигналом является напряжение пропорциональное температуре. При этом за точку отсчета принимается 0 градусов Цельсия, при которых выходное напряжение равно 0.5 В. Оно может быть и другим, указывается в документации, но 0.5 В это довольно типовое значение.
Чувствительность датчиков, в типовом случае, равна 10 мВ на градус. Типовая погрешность 1 градус. Характеристика линейная.
Но параметры могут и отличаться от типовых. Так для MCP9701 выходное напряжение при 0 градусов Цельсия равно 0.4 В, чувствительность 19.5 мВ на градус, погрешность 2 градуса (типовая).
Я не буду приводить схемы включения этих датчиков, так как они тривиальны. У датчиков всего 3 вывода: питание, общий, выход. И их назначение очевидно.
При этом, ток через измерительный элемент задается внутренней схемой датчика и мы не можем на него повлиять. И саморазогрев сведен к минимуму. В большинстве случаев о нем можно просто не думать.
Довольно любопытным вариантом является LM35. Чувствительность этого датчика типовая - 10 мВ на градус. Но вот выходное напряжение не имеет смещения. То есть, при нуле градусов Цельсия выходное напряжение равно нулю. А для отрицательных температур выходное напряжение будет отрицательным. Но для этого придется подключить выход датчика к источнику отрицательного напряжения, через резистор. Таким образом, выходное напряжение датчика не только пропорционально температуре, но и меняет свой знак в зависимости от знака температуры.
AD592
Представитель гораздо реже встречающихся датчиков с токовым выходом. То есть, это преобразователь температура-ток. Или зависимый от температуры источник тока. Чувствительность датчика равна 1 мкА/К (градус Кельвина). Характеристика линейная. С увеличением температуры выходной ток увеличивается.
Заключение
Рассмотренные сегодня полупроводниковые датчики температуры относительно дешевы (а обычные диоды и транзисторы просто дешевы) и удобны в применении. За что и обрели заслуженную популярность. Хоть их и потеснили датчики с цифровым выходом, но об этом в следующий раз.
До новых встреч!
