溫度傳感器的典型應用
集成溫度傳感具有體積小,熱惰性小,反應快,測量精度高,穩定性好,校準方
便,價格低等特點,因而獲得廣泛的應用.目前IC溫度傳感器應用較多的有AD590,AD592,AN6701,LM35,LM3911,
μPC616C和μPC3911C等.
AD590和AD592是電流輸出,二端子IC溫度傳感器,測溫范圍為-55℃~+150℃,
靈敏度為1μA/K,Vcc為+4v~+30v.
AD590是利用溫度系數很小的電阻把PTAT電壓變換成PTAT電流.利用晶體管的阻抗變換特性使集電極獲取高阻抗電流輸出,從而可串接阻抗很大的負載把信號放大,使電路的總電流與溫度系數很小的電阻中的電流成固定比例關系,而與其制造工藝無關.
(一)單片雙端集成溫度傳感器AD590
T1,T2, T3,T4的發射極連在一起接到R1上,T6的發射極則接到R2上. R1 = R2 /4,這使流過T1~T4的總電流與流過T6的電流之比更好地符合4:1,克服了因T6集電極電位與其它NPN管集電極電位不同而
引起的誤差. 在T7的集電極回路
中增加了一個二極管接法的PNP
管T5,它的作用除了與T6對稱以
平衡T7和T8的集電極電壓,以減
小T7和T8基區調制效應引起的誤
差之外,還對器件提供了很好的
保護作用.如果沒有T5 ,在萬一
電源極性接反時,就會有大電流
流過把器件燒壞.
T12是一個結型場效應管,實際上是一個高值電阻.它的作用是保證電路在接上電源時能可靠地啟動.流過T12的電流最后也流過T10,因此不會產生附加的誤差電流.
電容C和電阻R3,R4是為了防止寄生振蕩.
T8,T11是產生基-射電壓正比于絕對溫度的晶體管, R5,R6將電壓轉換電流.T10的集電極電流跟蹤T9和T11集電極電流,它提供所有的偏置及電路其余部分基底漏電流,從而迫使總電流正比于絕對溫度.
電路中電流I1決定于T9和T11的發射極面積比和電阻R5 ,R6的值.
原因①T9的發射區面積是T10或T11的8倍.
② T10或T11的集電極電流與T9的相同,故R5的電流為2I1.
R5,R6溫度系數極小,在片子上用激光研修.在+25℃校準器件.
右圖為其伏-安特性.U為作用于AD590兩端的電壓,I為其中電流,由圖:在4~30v時,該器件為一個溫控電流源,且其電流值與Tk成正比,即I=kTTk,kT為標度因子,在器件制造時已作標定,是每度lμA,其標定精度因器件的檔次而異(常分為I,J,K,L,M五檔).
因此,AD590在電
路中以理想恒流源
的電路符號出現.
右圖為其溫度特性,它在-55~+150℃溫域中有較好線性度,其非線性誤差因檔次而異.若略去非線性項,則有
I=kTTc+273.2(μA)
第四節 PN結型溫度傳感器
下圖為非線性曲線.AD590的I檔ΔT<± 3℃,M檔ΔT<±0.3℃,其余檔次在二者之間.從圖中可見,在-55~+100℃范圍內, ΔT遞增,容易補償,在+100~+I 50℃為遞減,可進行分段補償.
第四節 PN結型溫度傳感器
AD590的主要特征是:
(1)線性電流輸出:1μA/K,正比于絕對溫度;
(2)寬溫度范圍:-55~+150℃;
(3)精度高:激光校準精度到± 0.5℃(AD590M)
(4)線性好:滿量程范圍± 0.3t(AD590M);
(5)電源范圍寬:+4~+30V.
第四節 PN結型溫度傳感器
AD590的典型應用
1.測量溫度
AD590是一個兩端器件,只需要一個直流電壓源,功率的需求比較低(1.5mw,5V).其輸出是高阻抗(710MΩ)電流,因而長線上的電阻對器件工作影響不大.適合長線傳輸,但要采用屏蔽線,防止干擾.
第四節 PN結型溫度傳感器
①攝氏和華氏數字溫度計
攝氏和華氏數字溫度計主要由電流溫度傳感器AD590,ICL7106和顯示器組成.如圖所示.
ICL7106包括模/數轉換器,時鐘發生器,參考電壓源,BCD的七段譯碼和顯示驅動器等,它與AD590和幾個電阻及液晶顯示器構成了一個數字溫度計,而且能實現兩種定標制的溫度測量和顯示.對攝氏和華氏兩種溫度均采用同一參考電壓(500mV).攝氏溫度最大讀數為199.9℃ ,但AD590只能測到150 ℃ ,華氏溫度最大讀數為199.9oF(93.3℃)受顯示數位的限制.
對于兩種溫度,各電阻取值如下:
②下圖為用AD590組成的XSW-1型效字式溫度計.
AD590上接入一個大于+4V的電壓后,其輸出電流將正比于絕對溫度.0℃溫度時,輸出電流為273.2μA,溫度每變化1℃ ,輸出電流變化1μA,AD590的輸出電流通過10kΩ電阻變為電壓信號,其單位為10mV/℃,因0℃時10kΩ電阻上已有2.732v的電壓輸出.所以必須設置一偏置電壓(由w1上取出)使0℃時輸出電壓為零.
這樣當AD590的環境溫度大于0℃時,顯示正的溫度數值,環境溫度小于0℃時,顯示負的溫度數值.測量系統的精度取決于AD590的精度,采用AD590I,經零點和滿量程點校淮后,精度優于0.5級.調校方法是使顯示對應滿度值.整個儀表結構簡單,可靠性高,體積小,重量輕,功耗低,測量精度高,維護使用方便.
第四節 PN結型溫度傳感器
2.測量溫差
利用兩塊AD590,按圖組成溫差測量電路.兩塊AD590分別處于兩個被檢點,其溫度為Tk1,Tk2,由圖得:
I=ITk1-ITk2=kt(Tk1-Tk2)
第四節 PN結型溫度傳感器
這里假設兩AD590有相同的標度因子kT0.運放的輸出電壓U0為
U0=IR3=ktR3 (Tk1-Tk2)
可見,整個電路的標度因子F=ktR3的值取決于R3.R3=F/kt 盡管電路要求感溫器件具有相同的k,但總有差異,電路中引人電位器RW,通過隔離電阻R1注入一個校正電流 I,以獲得平穩的零位誤差.如右圖的曲線所示.可見,只在某一個溫度Tk時U0=0.此點常常設在量程中間的某處.
第四節 PN結型溫度傳感器
3.將幾塊AD590串聯使用.顯示的總是幾個被測溫度中的最低溫度;
4.將幾塊AD590并聯就可獲得被測溫度的平均值;如圖所示.

AD590的用途是相當廣泛的,除溫度測量外,還可用于分立元件的補償和校準;正比于絕對溫度的偏置;流速測量;流體液位測量及風速測量.
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(二)使用IC溫度傳感器的溫度控制系統
參照圖由于A1的同相端接地,所以AD590工作電壓為5V這是由穩壓管確定的.對于A1有:
調整可調電阻R3,設置預置溫度.當達到預置溫度時停止加熱V02=V010.7v.
按照給定的數據,由上式:
V03=-(22.2 V02+13.0)>-0.7v
于是: V02<-0.554v
這就是前邊講的預置值,可由調整可調電阻R3實現.
當溫度達到或高于預置溫度時,V01=V02-0.7v,T1截止, T2,T3也截止,停止加熱.當溫度低于預置溫度時, V02 -0.554v , V03 -0.7v, T1導通, T2,T3也導通,開始加熱.
第四節 PN結型溫度傳感器
(二)AN6701集成溫度傳感器
AN670l是四端子電壓輸出型傳感器.其靈敏度高,線性度好,精度高,響應快.它的測溫范圍為-l0℃~+80℃.它輸出電壓為零時的溫度,可以通過外接電阻調整來任意設定,而且其靈敏度比一般集成溫度傳感器高十倍.例如,調整外電阻,可使在25℃時輸出為5.0V,而在80℃時輸出為11.0V,其靈敏度為109mV/℃.
AN6701內部電路框圖
Rc為外接校正電阻.用校正電阻Rc可以改變靈敏度和工作范圍.Rc在1~100k范圍變化時,靈敏度在105~114mv/℃變化,偏置溫度(即輸出為0V時的溫度)為-30~-10℃.
Rc變化3%,可以改變偏置溫度±1℃.若要求在25℃時輸出為5v, Rc在3~30kΩ范圍內,此時靈敏度為109~111mv/℃.校正后,靈敏度的分散性為±1%,其非線性為0.5%.在-10~+ 85℃范圍內, 對于110mv/℃靈敏度的傳感器,可獲±1℃的精度.
Vcc為+5v~+15v
第四節 PN結型溫度傳感器
AN6701的應用電路如圖,除校正電阻Rc外,無需其它外接元件并且正負電源都可以工作.
第四節 PN結型溫度傳感器
(三)LMl34集成溫廢傳感器
M134是一種特殊的可調恒流源電路,它與一般恒流源不同之處是輸出電流與外界溫度變化相應的作線性變化,其變化率為1mA/℃,利用這個特性作為溫度傳感器.
LMl34是一種三端器件,Rse1可使電流從lμA調到10mA.最大的工作電壓為40V.一般工作電壓為幾伏(大于lV即能工作),工作電流約為300μA,功耗不大于2mV.
其特性如下圖:
第四節 PN結型溫度傳感器
第四節 PN結型溫度傳感器
LMl34應用電路如圖. 調整Rse1 (=227Ω) ,使靈敏度為1μA/℃,則RL上的靈敏度為5mV/℃.調整W1,使0℃時, V0輸出為0V;在100℃時,調整Rf使輸出為1.0v(輸出靈敏度為10mv/℃) .

第四節 PN結型溫度傳感器
為保證精度,運算放大器要采用高精度的,基準電壓可采用1403穩壓集成電路.
測溫范圍0~+125℃,其輸出靈敏度為10mV/℃.由于輸出為電流,其傳輸線長達200米也不會影響測量精度.
第四節 PN結型溫度傳感器
(四)LM35
為電壓輸出三端子IC溫度傳感器,測溫范圍為-55℃~+150℃,靈敏度為
10mV/℃ , Vcc為+4v~+30v .
第四節 PN結型溫度傳感器
(五)LM3911
為電壓輸出型.
其中LM3911H46為四端子IC傳感器,靈敏度為10mV/K,測溫范圍為
-25℃~+150℃;
LM3911N為八端子IC傳感器,基準電壓為6.55V~7.25V.
(六) μPC616C和μPC3911C
基本上與LM3911相同.
第四節 PN結型溫度傳感器
各種集成溫度傳感器
第四節 PN結型溫度傳感器
幾種PN結型溫度傳感器的外形
五,應用舉例——熱電阻測量真空度
把鉑電阻絲裝入與介質相通的玻璃管內,鉑電阻絲由較大的恒定電流加熱.當環境溫度與玻璃管內介質導熱而散失的熱量相平衡時,鉑絲就有一定的平衡溫度,即對應一定的平衡電阻值.當被測介質的真空度升高時,玻璃管內的氣體變得稀少,氣體分子間碰撞進行熱傳遞的能力降低,即導熱系數減小,鉑絲的平衡溫度和電阻值隨即增大,其大小反映了被測介質真空度的高低.
例:PN結溫度傳感器的數字式溫度計:
圖中R1,R2,D,W1組成測量電橋,其輸出信號接差動放大器A1,經放大后的信號輸入0~ 2V數字式電壓表(DVM)顯示.放大后的靈敏度為10mv/℃.
A2接成電壓
跟隨器,與
W2配合可調
節放大器A1
的增益.
將PN結傳感器插入碎冰渣廣口瓶中,等溫度平衡后,調整W1,使DVM顯示為0v;再插入沸水中(設沸水為100℃),調整W2,使DVM顯示為100v.若沸水溫度不是100℃時,可按照水銀溫度計的讀數調整W2,使DVW顯示值與水銀溫度計的數值相等.再將傳成器插入0℃環境中,等平衡后看顯示是否仍為0v,必要時再調整W1使之為0v;然后再插人沸水.看是否與水銀溫度計讀數相符,經幾次反復調整即可.
二,溫敏三極管
1.基本原理
溫敏二極管的溫度特性只對擴散電流成立,但實際二極管的正向電流還包括空間電荷區中的復合電流和表面復合電流.這兩種電流與溫度的關系不同于擴散電流.故實際二極管的電壓--溫度特性是偏離理想情況的.
第四節 PN結型溫度傳感器
ADC
BD
+15V
鉑電阻測溫電路
-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
當溫度變化時,電橋處于不平衡狀態,在a,b兩端產生與溫度對應的電位差.該電橋為直流電橋,其輸出電壓Uab為0.73mv/°C. Uab經比例放大器放大,其增益為A/D轉換器所需的0~5V直流電壓.D3,D4是放大器的輸入保護二極管;R12用于調整放大倍數.放大后的信號經A/D轉換成相應的數字信號,可與微機接口.
D3
D4
RT為Tl的偏置電阻.當溫度改變, RT變化,引起Tl集電極電流變化,通過二極管D使C充電電流變化,從而使雙基極二極管輸出發生相移,改變可控硅導角,即改變控溫器加熱絲電壓,達到控溫目的,調節w值可把溫度控制在不同的數值內.