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如何使用二极管作为温度计?

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本文是AAC模拟电路系列的一部分,它提供了一个简单的电路,使您可以用一个二极管和一个BJT来测量温度。

如果您曾经浏览过二极管数据表中的曲线和性能曲线,您可能会注意到一个有趣的细节:标准硅二极管在正向电压和温度之间具有线性关系。例如,下面的图表取自Vishay制造的1N4148二极管的数据表:

 

 

如果正向电流保持恒定,则正向电压随温度升高而线性降低。即使正向电流略有变化,您仍然可以制作一个不错的温度计,但电压和温度之间的关系线性较小。另一个值得注意的细节是,随着正向电流的减小,斜率的大小会增加; 换句话说,正向电压对较低正向电流的温度变化更敏感。

假设你的二极管连接方式使其正向电流变化不大。我们还要说电路有一个有源元件可以放大二极管相当小的温度引起的正向电压变化。我们甚至可以说你将这个电路连接到可以将这些放大的正向电压变化转换成某种可见变化的东西(万用表浮现在脑海中)。如果这一切都成真了,你会有什么?温度计就是你所拥有的。二极管温度计。

 

电路

如果没有LTspice提供的试错法,我就永远不会选择这个电路的合适版本。这是原理图:

 

 

事情变得比我想象的要复杂得多。我开始使用直接从我的旧教科书中获取的电路。LTspice原理图与本书中的电路相同,甚至低至用于二极管IC和BJT的器件。据我所知,教科书版本几乎没有功能。它肯定不会根据电路说明附带的放大器输出与温度曲线一致执行。

我做的第一个改变是添加R4(相反,教科书电路的二极管的阴极直接连接到地)。该电阻将二极管阳极的电压增加到对BJT的基极 - 发射极结正向偏置更有效的水平。我还将BJT和二极管改为不同的部件,最后我甚至改变了R2的连接方式。总而言之,上面显示的电路与教科书版本完全不同(并且希望更好)。

我现在告诉你,本文不会对我如何选择电阻值提供精确,严格的解释。我一直未能彻底分析或理解这个电路,上面显示的最终版本是通过迭代模拟和许多困惑来实现的。

在我的实验结束时,我意识到可能是我所经历的大部分混乱的原因:我的模拟改变了整个电路的温度,而我只考虑二极管对温度变化的响应。BJT中也有pn结!如果二极管受温度影响,BJT也是如此。然而,我的目标是设计一个可以用作独立温度传感器的电路,而不是二极管与电路其余部分分开的电路,这意味着我的模拟与目标一致。

 

仿真技术

我将不再详述LTspice中用于执行和绘制温度模拟的程序,因为该信息可在其他地方获得。相反,我将简要提及关键点:

  • 对温度变化使用“.step temp ...”SPICE指令; 在我的原理图中,我使用“.step temp min max increment”语法。

  • 操作点仿真似乎是这里的逻辑选择,但据我所知,即使您只对稳态数据感兴趣,也必须进行瞬态仿真。

  • 要绘制相对于温度而不是时间的相关测量值,请使用“.meas”SPICE指令来存储相关测量的数据(BJT的集电极电压)。然后直接从错误日志中绘制数据。

 

结果

我们知道二极管会产生电压变化以响应环境温度的变化。如果这还不够,我们就不会打扰BJT电路了。这里的目标是放大二极管电压变化的电路,从而产生更能直接驱动某种指示器的温度计信号。首先让我们看一下二极管电压与温度的关系图。

 

 

如您所见,我们在电压和温度之间存在良好的线性关系。但是,电压响应的幅度非常小。在60°C的范围内,电压仅变化约70 mV。将其与输出电压与温度的关系曲线进行比较。

 

 

输出电压在相同范围内变化约1.7 V,这是一项重大改进。我愿意称之为成功,但我非常怀疑这条电路是否接近优化。而且,大放大器的价格相当高,即高电流消耗。下图显示了Q1的集电极电流与温度的关系:

 

 

不幸的是,50毫安现在并不完全符合低功耗的要求,并且它与IC温度传感器相比毫不逊色,IC温度传感器可能提供更好的性能并且在低微安的电流消耗下降。

 

结论

我将是第一个承认这个电路更像是一种智力练习而不是温度传感实用解决方案的人。但是,有可能比我更熟练的人能够提出一个优化的实现,提供足够的性能以及合理的功耗和简单的定制技术。