датчик температуры

Формула изобретения

Датчик температуры, содержащий термочувствительный элемент в виде полупроводникового диода, компаратор, ключевой элемент с сигнальным и управляющим входами и сигнальным выходом, четыре входных шины и выходную шину, причем полупроводниковый диод подключен одним выводом к первой входной шине, а другим выводом к первому входу компаратора и сигнальному выходу ключевого элемента, сигнальный вход которого подключен к второй входной шине, второй вход компаратора подключен к третьей входной шине, его выход соединен с выходной шиной, а управляющий вход ключевого элемента подключен к четвертой входной шине, отличающийся том, что в него введен конденсатор, один из выводов которого подключен к первой входной шине, а второй вывод к сигнальному выходу ключевого элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике, в частности к интегральным датчикам температуры.

Известно качество датчиков температуры, среди которых максимальную чувствительность имеют те, в которых в качестве термочувствительного элемента используются полупроводниковые диоды или термисторы, например, UAA3274 фирмы "Omega Eng." [1]

Именно такие датчики получили наиболее широкое распространение. Однако при их использовании точность, диапазон измеряемой температуры и другие параметры зависят от применяемой аппаратуры, изменяющей их сопротивление.

Стремление создать датчик, не зависящий от измерительной аппаратуры, а следовательно, дешевый и простой при использовании, и в максимальной степени использующий возможности термочувствительного элемента привело к созданию датчиков, которые соединяют в себе термочувствительный элемент и схему преобразования термозависимого параметра.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик температуры [2] в котором термочувствительный элемент-полупроводниковый диод соединен последовательно с источником постоянного тока, анод диода и подключен к положительному выходу стабилизированного источника питания, катод диода соединен с положительным выводом источника тока и с одним из двух входов компаратора, отрицательный вывод источника тока соединен с отрицательным выходом стабилизированного источника питания.

Управляющий вход источника питания подключен к формирователю опорного напряжения. Второй вход компаратора подключен к выходу магазина сопротивления, включенного между положительным выходом стабилизированного источника питания и выходом еще одного источника опорного напряжения. Выход ключевых элементов магазина сопротивлений подключен к выходу компаратора. При прохождении через диод тока заданного источником, больше определенного порогового значения, на диоде возникает падение напряжения V_D, зависящее от температуры диода. Компаратор и магазин сопротивлений образуют АЦП, который преобразует зависящий от температуры аналоговый сигнал V_D в числовой код.

Однако такой датчик имеет ряд недостатков, ограничивающих точность измерения температуры:

1. Наличие магазина сопротивлений АЦП вносит погрешность в результаты измерения температуры, связанную с дискретностью измерения термочувствительного параметра, минимальное значение которого определяется количеством сопротивлений в АЦП. Обычно именно возможности АЦП определяют достижимую точность.

2. Наличие прямосмещенного p-n перехода в термочувствительном элементе приводит к необходимости пропускания значительного тока через диод /его нельзя уменьшить до нуля, т.к. в этом случае падает до нуля чувствительность датчика/, а это приводит к выделению мощности в термочувствительном элементе, что снижает точность измерений.

3. Кроме этого имеются сложности в реализации стабильного источника тока, особенно в интегральном исполнении датчика, а нестабильность источника тока снижает точность измерения температуры.

Технический результат изобретения увеличение точности измерения и снижение потребляемой мощности.

Результат достигается тем, что датчик температуры, содержащий полупроводниковый диод в качестве термочувствительного элемента, компаратор, ключевой элемент, имеющий сигнальный вход, сигнальный выход, управляющий вход, четыре входных шины и одну выходную шину, причем полупроводниковый диод подключен одним выводом к первой входной шине, а другим выводом к первому входу компаратора и сигнальному выходу ключевого элемента, сигнальный вход которого подключен ко второй входной шине, третья входная шина подключен к второму входу компаратора, четвертая входная шина подключена к управляющему входу ключевого элемента, а выход компаратора подключен к выходной шине, введен конденсатор, один из выводов которого подключен к первой входной шине, а второй вывод с сигнальному выходу ключевого элемента.

На чертеже представлена принципиальная схема датчика температуры при напряжении (на входной шине 1 больше, чем на входной шине 2).

Датчик температуры содержит четыре входных шины 1-4, выходную шину 5, ключевой элемент 6, конденсатор 7, параллельно которому подсоединен термочувствительный диод 8, компаратор 9.

Конденсатор 7 и диод 8 подключен одним выводом к входной шине 1, а другим к одному из входов компаратора 9 и к сигнальному выходу ключевого элемента 6. Сигнальный вход ключевого элемента 6 подключен к входной шине 2, а управляющий вход ключевого элемента 6 подключен к входной шине 4. Входная шина 3 подключена к второму входу компаратора 9, а выход компаратора 9 к выходной шине 5.

Датчик работает следующим образом.

В исходном состоянии на входную шину 4 подается сигнал такого уровня, что ключевой элемент 6 открыт. На входную шину 1 и входную шину 2 подаются напряжения, смещающие p-n-переход диода 8 в обратном направлении. Конденсатор при этом заряжается до величины разности этих напряжений. На входную шину 3 подается напряжение, имеющее значение между напряжением на входной шине 1 и напряжением на входной шине 2. На выходе компаратора 9 устанавливается некоторый определенный (высокий или низкий) уровень напряжения, затем на входную шину 4 подается управляющий сигнал, закрывающий ключевой элемент 6. С этого момента напряжение на конденсаторе начинает уменьшаться за счет обратного тока p-n-перехода диода 8, а напряжение на первом входе компаратора 9 стремится к напряжению на входной шине 1, проходя значение, равное напряжению на входной шине 3. В этот момент выход компаратора изменяет ранее установившийся уровень.

Временный интервал между изменением уровня сигнала на входной шине 4, который закрывает ключевой элемент 6, и изменением уровня выхода зависит от величины обратного тока p-n перехода диода 8, зависящего, в свою очередь, от температуры. Таким образом, датчик преобразует температуры во временной интервал между входным и выходным сигналами.

Благодаря реализуемому датчиком преобразованию температуры во временной интервал в значительной степени устраняются погрешности измерений, связанные с дискретностью измеряемой величины. Даже простейшим таймером промежуток времени измеряется значительно точнее, чем напряжение достаточно сложным АЦП (как в прототипе).

По сравнению с прототипом ток, протекающий через термочувствительный элемент, меньше на несколько порядков, что исключает погрешности, связанные с выделением мощности в датчике, и уменьшает потребляемую мощность.

По сравнению с прототипом устраняются и погрешности, связанные с нестабильностью источника тока, так как предлагаемый датчик не требует стабилизации тока через термочувствительный элемент.

Кроме того, построение схемы без точных резистивных элементов, использование только слаботочных элементов упрощают реализацию датчика температуры в интегральном исполнении.

Благодаря своим свойствам высокой точности, малой мощности потребления и простоте реализации в виде интегральной микросхемы, предлагаемый датчик температуры целесообразно применять в бытовых и медицинских (в том числе, многоканальных) термометрах.

Опытные образцы предлагаемого датчика были изготовлены в виде микросхем с кристаллами, выполненными по КМОП-технологии.

В процессе испытания на шину 4 подавалось напряжение 5 В, на шину 2 2 В, на шину 3 3 В. При напряжении на шине 4 меньше 0,4 В ключ 6 был открыт, больше 2,4 В закрыт.

Через промежуток времени, соответствующий измеряемой температуре, отсчитываемый от момента перехода напряжения на шине 4 на высокий уровень, выход 5 переходит на высокий уровень.

Испытания показали следующее:

ток потребления не превышает 3 мкА, при напряжении питания 5 В,

чувствительность датчика не менее 0,01 с/град. что позволило легко различать температуры, отличающиеся на 0,01^oC.

датчик работоспособен при температурах от +20^oC до +150^oC.