基于三极管ΔVbe特性的温度计の原理与制作
BG5JFV2024/02/11电子技术仪器仪表 IP:江西

Jim Williams在Application Note 45《Transistor ∆VBE Based Thermometer》介绍过该电路,原文:

0001.jpg 0002.jpg

关于元件:

LTC1150为斩波放大器,有zero-drift以及良好的直流特性(实际上可以用OP07代替,而且是Pin to Pin)。

LTC1043为开关电容构建块,相当于可以自动开关(使电路在两个状态间来回切换)的Analog switch,C1用于设定切换频率。

LT1009为2.5V电压基准芯片。

电路的工作原理:

电路可划分为信号采集部分与信号放大部分

信号采集:

R1、R2、R3、R4、Q1构成电流大小为10:1的比例恒流源 

图 2 电路处于状态1.jpg

当电路处于状态1时,LTC1043的Pin12与Pin14开路,Pin2与Pin6短路,恒流源输出4.3μA的电流流经三极管Q2的be结,在基极产生电压Ub1,电容C8上带有电压Ub1

图 3 电路处于状态2.jpg

当电路处于状态2时,LTC1043的Pin12与Pin14短路,Pin2与Pin5短路,恒流源输出43μA的电流流经三极管Q2的be结,在基极产生电压Ub2 ,电容C2上带有电压Uc2

Uc2=Ub2-Ub1 

电压Uc2等于Q2基极在状态2时的电压与在状态1时的电压之差ΔUbe ,在电流为10:1时,这一值约59.16mV(@25℃),且ΔUbe具有温度特性,be结温度每上升1℃,ΔUbe就上升198μV,因此

ΔUbe=59.16mv+198μV*T

LT1043使电路不断在这两个状态间切换,电容C2上的电压不断“刷新”。

信号放大:

图 4 信号放大电路.jpg

ΔUbe施加于LTC1150同相端,LT1009产生2.5V电压经R8、R7、W1分压产生约59mV的电压施加于反相端(实际上要根据实际情况调整R8的阻值来获得合适的电压,86kΩ只是一个大概的值)。LTC1150及C3、R6、R7构成500倍增益的放大器放大同相端与反相端电压的差量。运放输出电压为U,因此,

 UT=( ΔUbe-59mV)x500

=198μV*T*500

=99mV*T(约为100mV*T)

所以温度每上升1℃,LTC1150输出电压就增加100mV,达到了将温度信号转化为电信号的目的。

电路的制作与测试:

mmexport1707626102731.jpg

一开始在万能板上焊接,电阻电容全用0603封装,结果到处短路,但是验证了原理。后面打样了PCB。

20240205124539_IMG_0103.jpg

上面说的分压电阻实际用了88.7KΩ的,因为LT1150坏了,换上了OP07。电路的decouple要做好,不然会被市电干扰得没法工作,波形全是乱的。用热风枪加热三极管,可见输出电压上升:

20240205124431_MVI_0102.mp4  点击下载

用热水与水银温度计对电路进行测试:

20240209141102_IMG_0114.jpg

将电路放入自封袋后置于热水中,待输出电压开始下降时读出温度计上的读数并且记录。

IMG_20240209_210228_edit_2813778401415434.jpg

可见线性度还不错,不过LT1009因为焊接时过度加热导致性能恶化(坏了),输出的基准电压实际为2.521V,使电路输出电压的“零点”不准确。


[修改于 10天11时前 - 2024/12/20 13:43:16]

来自:电子信息 / 电子技术仪器与装备 / 仪器仪表动手实践:实验报导严肃内容:专业科普
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~~空空如也
研究黑魔法的生菜
10个月23天前 IP:安徽
929408

非常赞的设计。👍

有个小问题,我觉得运放那边可以再放宽一点要求。LTC1150的失调电压是10uV,保证0.05uV/℃的温漂;OP07C的失调电压是60uV,保证0.5uV/℃的温漂。按照100mV/℃的标定值来看,这些运放完全不构成影响,说不定uA741都可以。这在技术上没啥用,但在成本上应该会有点改善。

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BG5JFV作者
10个月23天前 IP:江西
929409
引用研究黑魔法的生菜发表于1楼的内容
非常赞的设计。👍有个小问题,我觉得运放那边可以再放宽一点要求。LTC1150的失调电压是10uV,...

如果说按最差情况计算:

1707666842286.png

貌似失调电压与温漂的影响还是挺可观的

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XZGSW1
9个月22天前 IP:江苏
930228

这个具体有什么实际用途?

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BG5JFV作者
9个月22天前 IP:江西
930241
引用XZGSW1发表于3楼的内容
这个具体有什么实际用途?

测温

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BG5JFV作者
6个月2天前 IP:江西
933710
引用研究黑魔法的生菜发表于1楼的内容
非常赞的设计。👍有个小问题,我觉得运放那边可以再放宽一点要求。LTC1150的失调电压是10uV,...

确实,后面想起来,其实只用把三极管当做温度探头测温,电路的其余部分置于室温下,就可以不考虑温漂,我又犯傻了😂

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BG5JFV作者
10天11时前 IP:江西
940547

第三次进行改进,新增精密电位器对运算放大器反相端的电压进行微调,用于调节零点,新增LDO用于降低电源噪声。

图 1 三极管温度计.jpg

接下来对电路的输出特性进行测量。为了测得电路在较大温度区间内的输出特性,我使用DS18B20温度探头、AIR001开发板对数据进行自动记录并且发送到电脑串口。电路输出电压经过分压后由AIR001片上的12位ADC测量。最后通过串口助手将串口数据保存在TXT文档中并且由MATLAB读取、作图、拟合。

图 7 对电路进行测试.jpg

向烧杯中加入热水,将DS18B20探头与电路一同放入自封袋后置于热水中,待DS18B20监测到温度开始下降时,将此后获得的数据作为有效数据记录,这样确保了DS18B20测得的温度与测温三极管的温度相同。静置,直至水温与室温相等时结束测量。

这里使用MATLAB将其绘制成U-T散点图,图像与拟合结果如下

图9 电路特性散点图.jpg

U = 0.1033T-0.4177 R 方: 0.9998

该电路在30℃至80℃的温度范围内线性度高,斜率也较为准确,但是零点出现了错误(偏移了约-0.4V,等价于该测得温度比实际低了4摄氏度),推测是电路的零点误差和DS18B20本身存在的零点误差叠加导致。


项目时间:2023.3-2024.7

全篇完


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