Железо / 1103000

Железо / Печатные платы в радиолюбительской практике / Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2

Эти микросхемы представляют собой термодатчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Они предназначены для работы в устройствах контроля, измерения и регулирования температуры. Микросхемы оформлены в металлостеклянном корпусе КТ-1-9 с гибкими проволочными лужеными выводами (рис. П1.1); масса прибора - не более 1,5г.

Датчик по свойствам подобен стабилитрону с малым дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Принципиальная схема прибора показана на рис. П1.2. Цоколевка: выв. 1 - подключение цепи калибровки; выв. 2 - плюсовой вывод датчика; выв. 3 - минусовый вывод датчика, корпус микросхемы.

Часто для построения датчика температуры используют свойство р-n-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. ТКН р-n-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С.

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-31.jpg

Недостатком р-п-перехода как датчика температуры является довольно большое дифференциальное сопротивление (25...30 Ом при токе 1 мА). По этой причине для достижения мало-мальски приемлемых характеристик датчика р-n-переход необходимо питать от стабилизатора тока. Кроме того, ни у одного диода не нормированы ни сам ТКН, ни его стабильность,

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-32.jpg

что серьезно затрудняет их применение в качестве термодатчиков, особенно в промышленной аппаратуре.

Работа термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эмиттерном переходе Uбэ двух транзисторов с разной плотностью эмиттерного тока. Эта разность Uбэ при заданном соотношении значений площади эмиттера транзисторов и равном токе через них (это и обеспечивает разную плотность тока) оказывается пропорциональной абсолютной температуре кристалла:

Uбэ=кТкlnM/q. -десь M=S2/S1 - отношение значений площади эмиттера транзисторов VT1 и VT2 (см. схему на рис. П1.2); k - постоянная Больцмана; Тк - абсолютная температура; q - заряд электрона.

На транзисторах VT1, VT2 собран первый дифференциальный усилитель, а на VT9, VT10 - второй, управляемый сигналами первого. Транзисторы VT3 - VT8 образуют два генератора тока, один питает первый дифференциальный усилитель, а другой - второй. На транзисторах VT11 и VT12 собрано "токовое зеркало", служащее динамической нагрузкой второго дифференциального усилителя.

Выходной сигнал с нагрузки второго усилителя через эмиттерный повторитель (VT14) поступает на базу выходного транзистора VT16. Конденсаторы Cl, C2 и резистор R 10 обеспечивают устойчивость работы

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-33.jpg

узла.

Условием баланса первого дифференциального усилителя является равенство значений коллекторного тока транзисторов VT1, VT2. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход с резистора R3 должно быть подано напряжение Uбэ=kТк1n10/q.

При питании микросхемы током 1...5 мА возникает отрицательная ОС по напряжению с выхода усилителя через делитель R2R3R4 на его вход. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2, с коэффициентом пропорциональности (R2 + R3 + R4)/R3.

Поскольку разность Uбэ пропорциональна абсолютной температуре, ей же пропорционально и напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы. Таким образом ТКН датчика равен 10 мВ/К; он является здесь и коэффициентом пропорциональности между выходным напряжением датчика и абсолютной температурой.

Для обеспечения высокой линейности преобразования и малого выходного сопротивления микросхемы (менее 1 Ом) усилитель имеет высокий коэффициент усиления - более 40 000.

Основные электрические характеристики датчика:

Ток питания, мА........................................................ 1

Выходное напряжение, мВ, при токе питания 1 мА и температуре 298К (25°С) ................................................ 2952...3012

398К (125°С)............................................... 3932...4032

263К (-l0°C) для К1019ЕМ1А............................. 2582.. 2682

228К (-45°С) для К1019ЕМ1 .............................. 2232...2332

Предельно допустимый эксплуатационный режим:

Ток питания, мА ............................;.................. 0,5...1,5

Рабочий температурный интервал, °С, для К1019ЕМ1................................................... -45...+ 125

К1019ЕМ1А................................................. -10...+125

На рис. П1.3 и 4 показаны типовые зависимости дифференциального сопротивления микросхем от температуры окружающей среды (при токе питания 1 мА) и тока питания (при температуре окружающей среды 25°С) соответственно. На обоих графиках заштрихованы области технологического разброса для 95 % микросхем. На рис. П1.5 представлена типовая зависимость выходного напряжения (между выв. 2 и 3) от температуры окружающей среды.

Благодаря малому дифференциальному сопротивлению датчика его можно питать от источника напряжения (не менее 10 В) через последовательный резистор, сопротивление которого в килоомах должно быть на 3 кОм меньше значения напряжения Uпит в вольтах.

Но, чтобы в наибольшей степени реализовать возможности микросхемы, ее обычно питают от стабилизатора тока. Типовая схема включения

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-34.jpg

датчика изображена на рис. П1.6. Генератор тока, собранный на транзисторах VT1, VT2, должен обеспечить ток через микросхему Iпит=1 мА. Ток устанавливают подборкой резистора R3. Отправное значение сопротивления этого рези-

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-35.jpg

Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2 4-36.jpg

стора (в килоомах) можно рассчитать по формуле: R3=Uпит-l,7 (где Uпит -в вольтах).

С целью повышения точности измерения температуры в микросхеме предусмотрена цепь калибровки. При калибровке датчика подстроенным резистором R4 устанавливают по цифровому вольт-

метру выходное напряжение (в милливольтах) Uвых=10Тк, где Тk -температура в градусах Кельвина. Температуру также необходимо измерять точным термометром.

На рис. П1.7 показана схема термометра, показывающего температуру в градусах Цельсия. Вольтметр PV1 (стрелочный или цифровой) включен в цепь источника образцового напряжения G1. Стрелочный вольтметр для измерения и плюсовой, и минусовой температуры должен иметь шкалу с нулем посредине (в цифровом знак температуры, как правило, устанавливается автоматически). Точность измерения температуры здесь сильно зависит от стабильности образцового напряжения - изменение его на 0,1 % (на 2,7 мВ) вызовет изменение показания на 0,27°С.

Железо / Печатные платы в радиолюбительской практике / Микросхемы-термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ2