Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Исследование датчиков. Термометры на P-N-переходах - файл 1.doc


Исследование датчиков. Термометры на P-N-переходах
скачать (191 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc191kb.09.12.2011 04:32скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...




Лабораторная работа № 4

ТЕМА: Исследование датчиков. Термометры на P-N-переходах.
ЦЕЛЬ: Исследование электрического интерфейса датчика температуры на P-N-переходах с аналоговым выходом.
Теоретические сведения.

Эффект зависимости свойств P-N-перехода от температуры, нежелательный в большинстве применений, можно с успехом использовать для измерения температуры. Датчики на P-N-переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от температуры, но, как и всякие полупроводниковые устройства работоспособны только в ограниченном интервале температур. На рис.54 изображена вольт-амперная характеристика кремниевого диода для средних значений токов.



Рис. 54

Прямой ток диода определяется выражением:



где I – ток через диод; V – приложенное напряжение; Is – обратный ток насыщения (функция температуры); k – постоянная Больцмана; q – величина заряда электрона; T – абсолютная температура.

Транзистор также является хорошим датчиком температуры. При фиксированном токе коллектора напряжение база – эмиттер (Ube) транзистора линейным образом зависит от температуры, т.е. так же, как и прямое напряжение на диоде (см. рис.55а).



Рис.55



где Is - ток, зависящий от геометрии и температуры PN - перехода, Ic – ток коллектора. Это соотношение справедливо начиная с нескольких сотен милливольт и не учитывает некоторые тонкие эффекты.

В основе работы всех полупроводниковых температурных датчиков лежит соотношение между коллекторным током биполярного транзистора и напряжением, приложенным к переходу база-эмиттер.

Если мы возьмем N транзисторов, идентичных первому (см. рис.55b ) и предположим, что Iс - общий ток коллектора, поровну распределен между всеми транзисторами, то значение напряжения база-эмитттер (Ube) будет определяться соотношением:



Современные полупроводниковые датчики температуры характеризуются высокой точностью и линейностью в диапазоне температур от - 55 до +150°С. Встроенные усилители могут приводить коэффициент преобразования датчика до значений порядка 10 мВ/°С. Эти устройства широко используются в узлах компенсации холодного спая для термопар, работающих в широком температурном диапазоне.

Базовой и наиболее часто используемой в схемотехнике полупроводниковых термодатчиков является ячейка Брока, в состав которой входят два транзистора (в качестве термодатчиков), операционный усилитель и несколько токо-задающих резисторов (см. приложение-1 к ЛР).

^ Термодатчики с выходом по току и по напряжению.

Концепция, реализованная при построении вышеуказанной ячейки Брока, может использоваться для реализации различных интегральных температурных датчиков, формирующих на выходе зависимые от температуры токи или напряжения.

Например, датчики АD592CN и ТМР17P являются датчиками тока с крутизной преобразования 1 мкА/К. Эти сенсоры не требуют дополнительной калибровки и выпускаются с несколькими градациями точности. Ниже приведены их параметры:

- коэффициент преобразования - 1 мка/К;

- номинальный ток при 25°С - 298,2 мкА;

- диапазон напряжений - от 4 до 30 В;

- ±0,5°С - максимальная погрешность при 25°С, ±1°С - во всем

рабочем диапазоне (АD592CN);

- ±2,5°С - максимальная погрешность при 25°С, ±3,5°С - во всем

рабочем диапазоне (ТМР17Р);

- рабочий диапазон температур от -25°С до +105°С для АD592CN;

- рабочий диапазон температур от -40°С до +105°С для ТМР17Р;

TMP35, TMP36, TMP37 - низковольтные прецизионные температурные датчики. Они вырабатывают выходное напряжение, пропорциональное температуре в градусах Цельсия.

TMP35 функционально совместим с LM35/LM45 и обеспечивает выходное напряжение 250 мВ при температуре 25°C. TMP35 измеряет температуру в диапазоне от 10°C до 125°C.

TMP36 способен измерять температуру в диапазоне от -40°C до +125°C, обеспечивает на выходе напряжение 750 мВ при температуре 25°C, при этом при 2.7 В питании имеет максимальную рабочую температуру +125°C. TMP36 функционально совместим с LM50. TMP35 и TMP36 имеют коэффициент преобразования 10 мВ/°C.

TMP37 предназначен для измерения температуры в диапазоне от 5°C до 100°C и имеет коэффициент преобразования 20 мВ/°C. TMP37 вырабатывает выходное напряжение 500 мВ при температуре 25°C. При 5 В питании с ухудшенной точностью приборы способны работать при температуре до 150°C.

^ Применение интегральных температурных датчиков:

- системы контроля параметров окружающей среды;

- термозащита;

- управление производственным процессом;

- пожарная сигнализация;

- системы слежения за состоянием источников питания;

- контроль температурного режима ЦП;

Датчики TMP35/TMP36/TMP37 выпускаются в 3-х выводных ТО-92, 8-ми выводных SOIC и 5-ти выводных SOT-23 корпусах для поверхностного монтажа (см. рис.56).



рис.56
^ Ход выполнения работы.

На рис.57-58 приведена схема для исследования, представляющая ещё один пример электрического интерфейса датчика температуры, сопряжённого с микропроцессором ATMega8PU (DD1). В качестве измерительного элемента использован интегральный датчик TMP36 (DA1), аналоговый сигнал с которого усиливается и преобразуется интерфейсом на операционных усилителях DA2:1 и DA2:2, после чего поступает на вход встроенного АЦП (вывод [23] / UTERM_0) микропроцессора DD1.

Для TMP-36 при температуре 25ºC выходное напряжение составляет UTMP = 750 mV. Датчик обеспечивает приращение выходного напряжения ΔUTMP = 10 mV на 1ºC. Тогда температуре 0ºC будет соответствовать напряжение UTMP = 750 mV - 250 mV = 500 mV.

Для реализации электрического интерфейса схемы измерения температуры использовано два дифференциальных усилителя DA2:1 и DA2:2. Cигнал с датчика TMP36, пропорциональный изменению температуры, поступает на ОУ DA2:1, который усиливается (масштабируется) под диапазон АЦП, удобный для математических операций программы микроконтроллера. Для согласования дифференциального входа каскада на ОУ DA2:1, сигнал с TMP (UTMP) предварительно поступает на резистивный делитель R2, R3, R19. На выходе DA2:1 формируется сигнал:




Рис. 58
Каскад на ОУ DA2:2, выполняет роль вычитателя от значения U3 опорного напряжения URF (U4), и формирует сигнал U5 (UTERM_0) с таким условием, чтобы при температуре 0ºC значение U5 (UTERM_0) было равно нулю (0V).



Например, при k = 1 и URF = 500 mV, выходное напряжение интерфейса будет определяться: U5 = UTERM_0 = (U3 – 500 mV). Выходное напряжение схемы будет увеличиваться на 10 mV при возрастании температуры на 1ºC (см. табл.16).

табл.16

Температура

+T, ºC

Выходное напряжение UTERM_0, (mV)

0

0

1

10

10

100

50

500

100

1000


В схеме интерфейса предусмотрена плавная регулировка (подстройка) опорного напряжения URF (U4) с помощью резистивного делителя R53, R52, на вход которого поступает эталонное напряжение 2,5 V (URF_2,5V) с интегрального стабилизатора DA3 (TL431) (cм. Рис.58).

Для заданного диапазона входного сигнала АЦП, значение напряжения UTERM_0 на выходе исследуемого интерфейса (в контрольной точке X1), примерно определяется выражением:



k - значение коэффициента усиления 1-го каскада (DA2.1) интерфейса;



0,5V – значение UTMP (для TMP36) при температуре 0ºC, что соответствует значению UTMP = 500 mV;

2,5% – величина компенсации потерь на резисторах (R2, R19) делителя напряжения на выходе датчика TMP36 (см. рис.58);

Исследование схемы интерфейса:

  1. - подключите датчик TMP36 (см. рис. 59) к плате микроконтроллера (см. рис. 60) к питающему (XR5.2) и сигнальному (XR10) разъёмам.



Рис. 59

- подключите LCD-дисплей к питающему (XR5.1) и сигнальным (XR3_LCD, XR4_LCD) разъёмам;

- подключите блок клавиатуры к разъёму XR8_KEY, XR14_LED;

- подключите питающие напряжения (+5V; -5V) к плате микроконтроллера через разъём (XR15) и подайте питание;



Рис. 60

^ Порядок запуска программы измерения температуры:

- кнопкой “REGIM” пульта управления (см. рис.61) устанавливается циклический процесс измерения температуры: “Warming mode”.

- кнопкой “START/STOP” осуществляется старт программы измерения. После чего на дисплее появится сообщение: “Warming_t = xx,x ºC”, с индикацией значения измеряемой температуры. Контроль эталонного значения комнатной температуры осуществляется с помощью лабораторного спиртового (или ртутного) термометра.

^ Проверка контрольных точек интерфейса и сравнение с расчётными данными:

- подключите цифровой мультиметр DT83x: клемма (+) к контрольной точке опорного напряжения (URF) - X4, клемма (-) к общему проводу (GND), и произведите замеры;

- подключите цифровой мультиметр DT83x: клемма (+) к контрольной точке (UTERM_0) – X1, клемма (-) к общему проводу (GND);

- произведите нагрев датчика до температуры, указанной в табл. 17 (согласно варианта), и произведите замер контрольной точки – X1;

  1. - заполните пункты вашего варианта в табл.17;

Табл. 17


Табл. 18








Скачать файл (191 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации