Транзисторный термопреобразователь с улучшенными характеристиками Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Громов В.С. , Шестимеров С.М., Увайсов С.У. ТРАНЗИСТОРНЫЙ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Выше был рассмотрен пример использования транзисторной структуры в качестве термопреобразователя при построении и серийном изготовлении интегральных датчиков температуры. Однако использование в термопреобразователе транзисторной структуры только в диодном включении, при котором исключена роль другого р-п перехода и утверждение, что при этом в современных датчиках температуры используются транзисторные термопреобразователи, не является достаточно корректным. В работе [6] предложена схема транзисторного преобразователя, в которой оба р-п перехода транзистора (эмиттер-ный и коллекторный) используются по конкретному назначению. Схема включения транзистора как преобразователя температуры в электрический сигнал, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения транзистора в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал

Для того, чтобы транзистор V в схеме (рис.1) выполнял роль термопреобразователя, необходимо обеспечить следующий электрический режим работы его р-п переходов. Во-первых, прямой ток через р-п переход эмиттер - база должен определяться только внешними элементами схемы и величина этого тока в диапазоне рабочих температур термопреобразователя не должны зависеть от температуры, т.е.

Еэ

необходимо, чтобы обеспечивались соотношения 1э = — и Кэ>>Кэб, где Кэб - сопротивление р-п перехода

Яэ

эмиттер - база прямому току 1э. Во-вторых, р-п переход коллектор - база транзисторного термопреобразователя должен быть смещен источником напряжения Ек, также как и р-п переход эмиттер - база. В третьих, электрический сигнал, пропорциональный изменению температуры окружающей среды (напряжение ивых) снимается с резистора Як, а это означает, что в качестве термочувствительного параметра в данной схеме транзисторного термопреобразователя используется ток коллектора. Работу схемы транзисторного термопреобразователя (рис. 1) удобно рассматривать совместно с выходными вольтам-перными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис. 2).

Г і у 1эЗ > 1э1

1э1 J

/ 2 ' lKmax 1э2 < 1э1J

5/ ^/ L< ? / ^ 1к (при Т = ТО +ІТ) ІкбО )

UK / */-"/ / Ґ 0 +Uk

/ Л* / 7 J- -¿Ік(приТ = Т0-ііТ)

/ ' / / /

/•’ -А /+А

/ / / /|э = 0

то (1к = 16) -Ік

Рис. 2. Общий вид выходной вольтамперной характеристики п-р-п транзистора, включенного по схеме с общей базой

Необходимо отметить, что область работы данного термопреобразователя имеет место только при включении транзистора по схеме с общей базой. На рис. 2 показано семейство выходных вольтамперных характеристик п-р-п транзистора, включенного по схеме с общей базой, при различных значениях тока 1э. При 1э = 0 (обрыв эмиттерной цепи) ток коллектора представляет собой обратный начальный ток перехода коллектор-база - ікбо, который не зависит от напряжения на коллекторе вплоть до момента пробоя перехода коллектор - база. При изменении полярности напряжения на переходе коллектор -база (в данном случае с положительного значения на отрицательное) получим вольтамперную характеристику прямосмещёанного р-п перехода (диода) коллектор - база. При этом ік = іб. Задавая определенные значения тока эмиттера (1э1, 1э2, 1эз) получим семейство выходных вольтамперных характеристик (рис. 2). В активной области работы транзистора (Пк > 0) вольтамперные характеристики располагаются (рис. 2) параллельно друг другу и их наклон и расстояние между ними не зависит ни от величины и к (вплоть до напряжения пробоя перехода коллектор - база), ни от температуры в диапазоне рабочих температур (как это следует из очевидного выражения ік = ікбо + 1э'а, поскольку 1э не зависит от температуры, ікбо << 1э, а коэффициент усилия транзистора в схеме с общей базой 1 ). Поэтому данная область работы транзистора не представляет интереса при создании транзисторных термопреобразователей. Другое дело область на рис. 2, характеризующаяся отрицательными значениями ик, или область работы транзистора с прямосмещёнными р-п переходами эмиттер - база и коллектор - база. Полагая, в общем случае, что токи эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов (инжектируемого и собираемого), для семейства выходных вольтамперных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой, можно записать выражение [1]: д-ик

1К = а' 1Э ~1КБ0 * (е кТ ~ 1) * (11)

Рассмотрим на рис. 2 вольтамперную характеристику с параметром 1э1, полученную, как и все выходные характеристики, при температуре окружающей среды То. Точка 1 на характеристике определяет-

ся нулевым значением тока коллектора, т.е. 1к = 0. Тогда из уравнения (11) можно определить величину Пк, при котором 1к = 0, а именно:

Величина Пк, как следует из уравнения (12), зависит от величины тока 1Э и может быть определена экспериментально. Если в схеме (рис. 1) создать условия 1к = 0 путем обрыва коллекторной цепи и 1э = 1э1, то при этом в схеме обеспечивается соотношение 1э1 = 1б, а на коллекторном выводе создается потенциал фк , равный по величине Пк. Ориентировочно величину потенциала фк можно определить с

помощью вольтметра с высокоомным входом.

Создать условие ТК = 0, в схеме рис. 1, при этом 1э = 1э1 можно и по другому, не прибегая к обрыву в цепи коллектора, а путем подачи от коллекторного источника Е* напряжения на коллектор равного по величине потенциалу ф , т.е. если Ек =фк , то 1к = 0. Экспериментально это условие легко контролируется путем измерения напряжения на резисторе Я*, которое при этом должно быть равно нулю, т.е. Цвых = 0 и 1к = 1б. Результаты измерения напряжения источника Е* в данном случае и расчета и* с использованием уравнения (12) показывают, что соотношение Ек — ф — ик при 1к = 0 выполняется

с точностью, необходимой для применения данного уравнения при создании транзисторных термопреобразователей. В точке 1 (рис. 2), где выполняется условие 1к = 0 и 1э1 = 1б, р-п переход эмиттер -база работает как прямосмещенный и изолированный от коллектора диод. Известно [1], что напряжение на диоде при постоянном прямом токе изменяется от температуры согласно уравнению (2). При установлении температуры окружающей среды Токр = Та - АТ, т.е. при уменьшении температуры на АТ, получим отклонение характеристики влево, как показано на рис. 2 пунктирной линией слева от точки 1, на величину АП* = (ТКН)'АТ. Аналогичное смещение характеристики, но вправо от точки 1, как показано на рис. 2 пунктирной линией, произойдет, если окружающую температуру повысить на АТ, т.е. установить Токр = Т0 + АТ. Проведенная через точку 1 в соответствии с величиной резистора Я* нагрузочная прямая пересекает рассмотренные выше пунктирные линии в точках 4 и 3. При этом величина выходного напряжения Пвых в схеме (рис.1) будет иметь значение, согласно рис.2, соответственно:

Пвых 4 = -А1к'Я* и Пвых з = АТк'Р*. Если выполняется условие 1э1 >> ± А1к, то можно считать, что ТКН на коллекторе является величиной постоянной и что Пвых = АТк'Я* % (ТКН)’АТ, в диапазоне изменения

коллекторного тока от -А1к до +А1к. Для начальной температуры среды Т0 может быть установлено любое значение в пределах рабочих температур, в том числе и равное 0°С. На рис. 3 показан характер изменения коллекторного тока 1к от температуры окружающей среды при Т0 = 0°С и от сопротивления нагрузки Як для кремниевого транзистора, включенного по схеме рис. 1.

Рис. 3. Зависимость коллекторного тока 1к от температуры окружающей среды и от сопротивления нагрузки Як для транзисторного термопреобразователя

Принимая во внимание, что изменение выходного напряжения интегральных датчиков температуры, построенных с использованием в качестве термопреобразователей кремниевых резисторов и диодов по характеру идентичны, то, сравнивая графики зависимостей выходных напряжений от температуры с графиками на рис. 3 можно сделать по работе транзисторного термопреобразователя следующие выводы:

При заданном токе эмиттера, при условии 1Э >> Тк температурный коэффициент коллекторного тока практически постоянен в более широком диапазоне температур от -50°С до +°150 °С по сравнению с диодными термопреобразователями и имеет высокое значение, порядка (1 -2) мкА/°С, ввиду малых значений коллекторного тока, что позволяет применять транзиторный термопреобразователь без дополнительных усилительных устройств.

В режиме прямых токов возможна плавная регулировка величины коллекторного тока в широких пределах (включая и нулевое значение) при изменении напряжения Ек, смещающего коллекторный переход в прямом направлении. При этом, температурный коэффициент остается неизменным, температурная характеристика транзисторного термопреобразователя (прямая линия) имеет положительные и отрицательные значения тока коллектора, соответствующие положительным и отрицательным значениям измеряемых температур. Такая шкала абсолютного термометра не обеспечивается в терморезистивных и диодных датчиках температуры.

Зависимость температурного коэффициента коллекторного тока от величины резистора Як, не зависящего от температуры, дает возможность регулировать чувствительность транзисторного термопреобразователя независимо от материала и технологии его изготовления, в отличие от его полупроводниковых аналогов.

Таким образом, в данной работе рассмотрены наиболее перспективные полупроводниковые термопреобразователи и методы создания на их основе полупроводниковых интегральных датчиков температуры. Однако, следует отметить, что, несмотря на значительный вклад отечественной промышленности в разработку полупроводниковых термопреобразователей, интегральные датчики температуры серийно освоены и осваиваются только зарубежными фирмами.

Рк= 10 к

90 50

80

70 40

Рк = 30 К

60

30

20

Рк = 60 к

10

-60 -50 ^0 -30 -20 -10

ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М., «Энергия», 1967г.,

614 с.

2. Громов В.С., Кривоносов А.И., Утямышев Р.И. Устройство для измерения температуры. Комитет по делам открытий и изобретений при СМ СССР. Авторское свидетельство № 3 61358. Опубликовано в бюллетене № 1, 1973, 3с.