什么是PN结型温度传感器及其原理是什么?

温度传感器的典型应用
集成温度传感具有体积小,热惰性小,反应快,测量精度高,稳定性好,校准方
便,价格低等特点,因而获得广泛的应用.目前IC温度传感器应用较多的有AD590,AD592,AN6701,LM35,LM3911,
μPC616C和μPC3911C等.
AD590和AD592是电流输出,二端子IC温度传感器,测温范围为-55℃~+150℃,
灵敏度为1μA/K,Vcc为+4v~+30v.
AD590是利用温度系数很小的电阻把PTAT电压变换成PTAT电流.利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出,从而可串接阻抗很大的负载把信号放大,使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系,而与其制造工艺无关.
(一)单片双端集成温度传感器AD590
T1,T2, T3,T4的发射极连在一起接到R1上,T6的发射极则接到R2上. R1 = R2 /4,这使流过T1~T4的总电流与流过T6的电流之比更好地符合4:1,克服了因T6集电极电位与其它NPN管集电极电位不同而
引起的误差. 在T7的集电极回路
中增加了一个二极管接法的PNP
管T5,它的作用除了与T6对称以
平衡T7和T8的集电极电压,以减
小T7和T8基区调制效应引起的误
差之外,还对器件提供了很好的
保护作用.如果没有T5 ,在万一
电源极性接反时,就会有大电流
流过把器件烧坏.
T12是一个结型场效应管,实际上是一个高值电阻.它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动.流过T12的电流最后也流过T10,因此不会产生附加的误差电流.
电容C和电阻R3,R4是为了防止寄生振荡.
T8,T11是产生基-射电压正比于绝对温度的晶体管, R5,R6将电压转换电流.T10的集电极电流跟踪T9和T11集电极电流,它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流,从而迫使总电流正比于绝对温度.
电路中电流I1决定于T9和T11的发射极面积比和电阻R5 ,R6的值.
原因①T9的发射区面积是T10或T11的8倍.
② T10或T11的集电极电流与T9的相同,故R5的电流为2I1.
R5,R6温度系数极小,在片子上用激光研修.在+25℃校准器件.
右图为其伏-安特性.U为作用于AD590两端的电压,I为其中电流,由图:在4~30v时,该器件为一个温控电流源,且其电流值与Tk成正比,即I=kTTk,kT为标度因子,在器件制造时已作标定,是每度lμA,其标定精度因器件的档次而异(常分为I,J,K,L,M五档).
因此,AD590在电
路中以理想恒流源
的电路符号出现.
右图为其温度特性,它在-55~+150℃温域中有较好线性度,其非线性误差因档次而异.若略去非线性项,则有
I=kTTc+273.2(μA)
第四节 PN结型温度传感器
下图为非线性曲线.AD590的I档ΔT<± 3℃,M档ΔT<±0.3℃,其余档次在二者之间.从图中可见,在-55~+100℃范围内, ΔT递增,容易补偿,在+100~+I 50℃为递减,可进行分段补偿.
第四节 PN结型温度传感器
AD590的主要特征是:
(1)线性电流输出:1μA/K,正比于绝对温度;
(2)宽温度范围:-55~+150℃;
(3)精度高:激光校准精度到± 0.5℃(AD590M)
(4)线性好:满量程范围± 0.3t(AD590M);
(5)电源范围宽:+4~+30V.
第四节 PN结型温度传感器
AD590的典型应用
1.测量温度
AD590是一个两端器件,只需要一个直流电压源,功率的需求比较低(1.5mw,5V).其输出是高阻抗(710MΩ)电流,因而长线上的电阻对器件工作影响不大.适合长线传输,但要采用屏蔽线,防止干扰.
第四节 PN结型温度传感器
①摄氏和华氏数字温度计
摄氏和华氏数字温度计主要由电流温度传感器AD590,ICL7106和显示器组成.如图所示.
ICL7106包括模/数转换器,时钟发生器,参考电压源,BCD的七段译码和显示驱动器等,它与AD590和几个电阻及液晶显示器构成了一个数字温度计,而且能实现两种定标制的温度测量和显示.对摄氏和华氏两种温度均采用同一参考电压(500mV).摄氏温度最大读数为199.9℃ ,但AD590只能测到150 ℃ ,华氏温度最大读数为199.9oF(93.3℃)受显示数位的限制.
对于两种温度,各电阻取值如下:
②下图为用AD590组成的XSW-1型效字式温度计.
AD590上接入一个大于+4V的电压后,其输出电流将正比于绝对温度.0℃温度时,输出电流为273.2μA,温度每变化1℃ ,输出电流变化1μA,AD590的输出电流通过10kΩ电阻变为电压信号,其单位为10mV/℃,因0℃时10kΩ电阻上已有2.732v的电压输出.所以必须设置一偏置电压(由w1上取出)使0℃时输出电压为零.
这样当AD590的环境温度大于0℃时,显示正的温度数值,环境温度小于0℃时,显示负的温度数值.测量系统的精度取决于AD590的精度,采用AD590I,经零点和满量程点校淮后,精度优于0.5级.调校方法是使显示对应满度值.整个仪表结构简单,可靠性高,体积小,重量轻,功耗低,测量精度高,维护使用方便.
第四节 PN结型温度传感器
2.测量温差
利用两块AD590,按图组成温差测量电路.两块AD590分别处于两个被检点,其温度为Tk1,Tk2,由图得:
I=ITk1-ITk2=kt(Tk1-Tk2)
第四节 PN结型温度传感器
这里假设两AD590有相同的标度因子kT0.运放的输出电压U0为
U0=IR3=ktR3 (Tk1-Tk2)
可见,整个电路的标度因子F=ktR3的值取决于R3.R3=F/kt 尽管电路要求感温器件具有相同的k,但总有差异,电路中引人电位器RW,通过隔离电阻R1注入一个校正电流 I,以获得平稳的零位误差.如右图的曲线所示.可见,只在某一个温度Tk时U0=0.此点常常设在量程中间的某处.
第四节 PN结型温度传感器
3.将几块AD590串联使用.显示的总是几个被测温度中的最低温度;
4.将几块AD590并联就可获得被测温度的平均值;如图所示.

AD590的用途是相当广泛的,除温度测量外,还可用于分立元件的补偿和校准;正比于绝对温度的偏置;流速测量;流体液位测量及风速测量.
第四节 PN结型温度传感器
(二)使用IC温度传感器的温度控制系统
参照图由于A1的同相端接地,所以AD590工作电压为5V这是由稳压管确定的.对于A1有:
调整可调电阻R3,设置预置温度.当达到预置温度时停止加热V02=V010.7v.
按照给定的数据,由上式:
V03=-(22.2 V02+13.0)>-0.7v
于是: V02<-0.554v
这就是前边讲的预置值,可由调整可调电阻R3实现.
当温度达到或高于预置温度时,V01=V02-0.7v,T1截止, T2,T3也截止,停止加热.当温度低于预置温度时, V02 -0.554v , V03 -0.7v, T1导通, T2,T3也导通,开始加热.
第四节 PN结型温度传感器
(二)AN6701集成温度传感器
AN670l是四端子电压输出型传感器.其灵敏度高,线性度好,精度高,响应快.它的测温范围为-l0℃~+80℃.它输出电压为零时的温度,可以通过外接电阻调整来任意设定,而且其灵敏度比一般集成温度传感器高十倍.例如,调整外电阻,可使在25℃时输出为5.0V,而在80℃时输出为11.0V,其灵敏度为109mV/℃.
AN6701内部电路框图
Rc为外接校正电阻.用校正电阻Rc可以改变灵敏度和工作范围.Rc在1~100k范围变化时,灵敏度在105~114mv/℃变化,偏置温度(即输出为0V时的温度)为-30~-10℃.
Rc变化3%,可以改变偏置温度±1℃.若要求在25℃时输出为5v, Rc在3~30kΩ范围内,此时灵敏度为109~111mv/℃.校正后,灵敏度的分散性为±1%,其非线性为0.5%.在-10~+ 85℃范围内, 对于110mv/℃灵敏度的传感器,可获±1℃的精度.
Vcc为+5v~+15v
第四节 PN结型温度传感器
AN6701的应用电路如图,除校正电阻Rc外,无需其它外接元件并且正负电源都可以工作.
第四节 PN结型温度传感器
(三)LMl34集成温废传感器
M134是一种特殊的可调恒流源电路,它与一般恒流源不同之处是输出电流与外界温度变化相应的作线性变化,其变化率为1mA/℃,利用这个特性作为温度传感器.
LMl34是一种三端器件,Rse1可使电流从lμA调到10mA.最大的工作电压为40V.一般工作电压为几伏(大于lV即能工作),工作电流约为300μA,功耗不大于2mV.
其特性如下图:
第四节 PN结型温度传感器
第四节 PN结型温度传感器
LMl34应用电路如图. 调整Rse1 (=227Ω) ,使灵敏度为1μA/℃,则RL上的灵敏度为5mV/℃.调整W1,使0℃时, V0输出为0V;在100℃时,调整Rf使输出为1.0v(输出灵敏度为10mv/℃) .

第四节 PN结型温度传感器
为保证精度,运算放大器要采用高精度的,基准电压可采用1403稳压集成电路.
测温范围0~+125℃,其输出灵敏度为10mV/℃.由于输出为电流,其传输线长达200米也不会影响测量精度.
第四节 PN结型温度传感器
(四)LM35
为电压输出三端子IC温度传感器,测温范围为-55℃~+150℃,灵敏度为
10mV/℃ , Vcc为+4v~+30v .
第四节 PN结型温度传感器
(五)LM3911
为电压输出型.
其中LM3911H46为四端子IC传感器,灵敏度为10mV/K,测温范围为
-25℃~+150℃;
LM3911N为八端子IC传感器,基准电压为6.55V~7.25V.
(六) μPC616C和μPC3911C
基本上与LM3911相同.
第四节 PN结型温度传感器
各种集成温度传感器
第四节 PN结型温度传感器
几种PN结型温度传感器的外形
五,应用举例——热电阻测量真空度
把铂电阻丝装入与介质相通的玻璃管内,铂电阻丝由较大的恒定电流加热.当环境温度与玻璃管内介质导热而散失的热量相平衡时,铂丝就有一定的平衡温度,即对应一定的平衡电阻值.当被测介质的真空度升高时,玻璃管内的气体变得稀少,气体分子间碰撞进行热传递的能力降低,即导热系数减小,铂丝的平衡温度和电阻值随即增大,其大小反映了被测介质真空度的高低.
例:PN结温度传感器的数字式温度计:
图中R1,R2,D,W1组成测量电桥,其输出信号接差动放大器A1,经放大后的信号输入0~ 2V数字式电压表(DVM)显示.放大后的灵敏度为10mv/℃.
A2接成电压
跟随器,与
W2配合可调
节放大器A1
的增益.
将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中,等温度平衡后,调整W1,使DVM显示为0v;再插入沸水中(设沸水为100℃),调整W2,使DVM显示为100v.若沸水温度不是100℃时,可按照水银温度计的读数调整W2,使DVW显示值与水银温度计的数值相等.再将传成器插入0℃环境中,等平衡后看显示是否仍为0v,必要时再调整W1使之为0v;然后再插人沸水.看是否与水银温度计读数相符,经几次反复调整即可.
二,温敏三极管
1.基本原理
温敏二极管的温度特性只对扩散电流成立,但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流.这两种电流与温度的关系不同于扩散电流.故实际二极管的电压--温度特性是偏离理想情况的.
第四节 PN结型温度传感器
ADC
BD
+15V
铂电阻测温电路
-15V
+15V
+4.3V
+0.7V
2DW7C
3k
3k
3k
3k
1k
100k
R12=3.3k
5.1k
1k
2CK11
2CK11
2
3
1
4
10
a
b
100Ω
0.1μ
当温度变化时,电桥处于不平衡状态,在a,b两端产生与温度对应的电位差.该电桥为直流电桥,其输出电压Uab为0.73mv/°C. Uab经比例放大器放大,其增益为A/D转换器所需的0~5V直流电压.D3,D4是放大器的输入保护二极管;R12用于调整放大倍数.放大后的信号经A/D转换成相应的数字信号,可与微机接口.
D3
D4
RT为Tl的偏置电阻.当温度改变, RT变化,引起Tl集电极电流变化,通过二极管D使C充电电流变化,从而使双基极二极管输出发生相移,改变可控硅导角,即改变控温器加热丝电压,达到控温目的,调节w值可把温度控制在不同的数值内.