полупроводниковый датчик температуры

Формула изобретения

Полупроводниковый датчик температуры, содержащий первый термочувствительный диод, катушку индуктивности, первый вывод которой соединен с первым выводом конденсатора, первый полевой транзистор и первый источник напряжения, отличающийся тем, что в него введены второй термочувствительный диод, второй источник напряжения, второй полевой транзистор и два резистора, при этом затвор первого полевого транзистора через первый термочувствительный диод и первый резистор соединен с первым полюсом первого источника напряжения, второй полюс которого соединен со стоком второго полевого транзистора, затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй термочувствительный диод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки обоих полевых транзисторов соединены между собой, второй вывод катушки индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго термочувствительного диода и первому полюсу второго источника напряжения, первый вывод конденсатора соединен с первой выходной клеммой, второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора и вторым полюсам источников напряжения, которые образуют общую шину, подключенную ко второй выходной клемме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик температуры в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения температуры, например кремниевый датчик температуры, изготовленный на основе биполярной технологии. В данном случае в качестве измеряемой величины используется напряжение между базой и эмиттером кремниевого диода, которое при известной ширине запрещенной зоны описывается уравнением

U_бе=nkT/e ln(I_с/I_нас),

где Т - температура;

I_с - плотность прямого тока;

I_нас - плотность обратного тока диода;

k - постоянная Больцмана;

е - элементарный заряд (1,60210^-19 Кл);

n - коэффициент, характеризующий температурную зависимость диффузии носителей заряда.

Измерительная схема такого типа представляет собой последовательное соединение кремниевого полупроводникового диода с добавочным сопротивлением. С помощью добавочного сопротивления устанавливается максимальный ток, меньший 5 мА, чтобы ограничить самонагрев датчика. Рабочее напряжение не нуждается в стабилизации и может находиться в диапазоне от 6 до 24 В. В этом случае чувствительность измеряемого на выходе напряжения составляет 10 мВ/^oC. Усиленное в 100 раз выходное напряжение показывает абсолютную температуру по шкале Кельвина (0^oC = 273 К, 20^oC = 297 К) (см. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989, с. 29-33).

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области высоких температур, так как при этом возникают дополнительные явления генерации носителей заряда, которые не учитываются изменением напряжения на клеммах эмиттер - база.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать устройство для измерения температуры ( см. авт.св. СССР N 1448221, кл. G 01 K 7/22, 1988). Устройство переставляет собой генератор, к которому подключен источник управляющего напряжения, катушка индуктивности, конденсатор и термопреобразовательный полупроводниковый диод, выполненный в виде светодиода. Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение реактивной составляющей полного сопротивления устройства, что приводит к изменению частоты гармонических колебаний генератора.

Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области низких и высоких температур, так как при этом емкостная составляющая термопреобразовательного полупроводникового диода мало изменяется при значительных изменениях температуры.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового датчика температуры, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве осуществляется преобразование температуры в частоту за счет изменения емкостной составляющей термочувствительного диода, в то время как в предлагаемом устройстве происходит преобразование как емкостной, так и активной составляющих полного сопротивления термочувствительных диодов в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового датчика температуры, содержащего термочувствительный диод, генератор, источник напряжения, в который введены полевой транзистор, два резистора, термочувствительный диод, источник напряжения, причем затвор первого полевого транзистора через первый термочувствительный диод, первый резистор и первый источник напряжения соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй термочувствительный диод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго термочувствительного диода и первому полюсу второго источника напряжения, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников напряжения, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование предлагаемого устройства для измерения температуры существенно повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за счет изменения полного сопротивления термочувствительных диодов под действием температуры, которое преобразуется в изменение емкости колебательного контура, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников напряжения.

На чертеже представлен полупроводниковый датчик температуры, содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание термочувствительного диода 2 через ограничительный резистор 3, а также полевых транзисторов 4 и 5. Затвор полевого транзистора 4 соединен через последовательную цепь ограничительного резистора 3 и термочувствительный диод 2 со стоком полевого транзистора 5, а затвор полевого транзистора 5 через последовательную цепь ограничительного резистора 6 и термочувствительного диода 7 соединен со стоком полевого транзистора 4. Истоки полевых транзисторов 4 и 5 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 4 и 5 подключена последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности 8 и конденсатора 9, совместно с источником электрического напряжения 10. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 9 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик температуры работает следующим образом. В начальный момент времени тепловое излучение не действует на термочувствительные диоды 2 и 7. Повышением напряжения источников 1 и 10 до величины, когда на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5 и индуктивным сопротивлением катушки индуктивности 8. Конденсатор 9 предохраняет источник напряжения 10 от короткого замыкания через катушку индуктивности 8, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче теплового излучения на термочувствительные диоды 2 и 7 происходит изменение их полного сопротивления, что приводит к изменению емкостной составляющей на выводах сток - сток полевых транзисторов 4 и 5, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.