.3 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.

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,

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. Здесь 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

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

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-

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.