но подается измеряемое воздействие, а другой находится под воздействием температуры окружающей среды.

Можно привести много примеров термодатчиков, которые работают с двумя термисторами. Возьмем, например, прибор для измерения скорости ветра - анемометр. Один термистор находится под воздействием ветра, а другой - под воздействием температуры окружающей среды и помещен, например, в коробку, где воздух неподвижен. Еще один пример - газометр или парометр, в котором один термистор помещен в трубку, а другой, эталонный термистор - в ответвление трубки с глухим концом, где среда неподвижна. Практический пример такого тер-мисторного измерительного прибора, предназначенного для определения скорости потока, приведен в книге Кара Ор-Агар Circuit Design & Applications (ТАВ787).

Многие фирмы - изготовители термисторов продумывают вопросы применения этих приборов и поэтому предлагают большое количество интересной литературы по вопросам использования своей продукции.

Термопары

Термопара изображена на рис. 10.3. Простейшая термопара состоит из двух полосок различных металлов, в точке соединения которых имеется спай. Если к свободным концам проводников подключить милливольтметр, а спай нагреть, то появится напряжение, которое зафиксирует милливольтметр. Это напряжение обусловлено различной работой выхода металлов, образующих спай, оно зависит как от температуры, так и от типов используемых металлов.

В связи с тем что напряжение на спае термопары пропорционально температуре, термопару можно использовать для измерения температуры. Однако напряжение зависит от температуры нелинейно, и тем самым возможности применения термопары несколько ограничены. Следует принимать во внимание диапазон, в котором термопара работает по линейному закону, с тем чтобы предупредить чрезмерные ошибки. Можно выбрать другой путь и заняться линеаризацией термопары. Этот вопрос в более общем виде обсуждается в главе, посвященной вопросам построения аппаратуры.

Мсточник lf\ тепла (л , ]

Рис. 10.3. Термопара.

Для электронной аппаратуры, использующей термопары, характерно наличие двух чувствительных элементов, как и для приборов на термисторах. Однако в данном случае чувствительные элементы сами по себе являются источниками напряжения и подключаются к дифференциальным входам операционного усилителя. Благодаря этому мы можем замечать небольшие дифференциальные напряжения и формировать пригодные для работы выходные потенциалы. Схемы часто строят по принципу псевдомоста Уитстона.

Классическая биметаллическая термопара появилась лет 100 назад, и вот уже несколько десятилетий промышленность выпускает термопары, но сейчас они уступили место недавно появившимся термопарам на твердом теле. Многие из этих новых термопар недорого стоят и сохраняют линейность в широком диапазоне температур, от О до,100°С и выше.

Термочувствительные транзисторные элементы

Существует еще один тип термочувствительных элементов на твердом теле, но его не следует путать с тем типом, который мы обсудили выше. Элементы, о которых пойдет речь, фактически представляют собой транзисторы, и работа их зависит от обычной температурной чувствительности напряжения между базой и эмиттером транзистора. Оказывается, что даже в недорогих элементах это напряжение обладает высокой степенью линейности.

Термисторы и термопары обеспечивают линейную температурную характеристику, но для того, чтобы они сохраняли линейность в широком диапазоне температур, приходится прикладывать массу усилий. Есть, например, такие приборы на термопарах, в которых при переходе от одного диапазона к другому оператору приходится либо заменять саму термопару, либо переключатель линеаризации. Может быть, во многих случаях с этим можно примириться, но, если система охватывает широкий диапазон, такой метод определенно неудобен.

Если же в простую электронную схему включить пару хорошо согласованных транзисторов, то получим термодатчик с высокой степенью линейности, сохраняющий работоспособность в широком динамическом диапазоне. При использовании этого приема отпадает необходимость в калибровке, которая связана с использованием термисторов, термопар и простых термодатчиков на одном р-м-переходе.

Авторы работы [1] описали термоизмерительный прибор, основанный на использовании транзисторного перехода база - эмиттер. Это устройство использует высокую степень согласования, присущую серии сдвоенных транзисторов типа МАТ-01 фирмы РМ1.

Из элементарной теории транзисторов известно, что напряжение база - эмиттер (Убэ) определяется следующим выражением:

У5з = -1п(/к обр.нас) (10.12)

(при условии, что отношение /к обр.нас гораздо больше единицы), где К - постоянная Больцмана (1,38.10- Дж/К); Г - температура по Кельвину (К=°С-}-273,16); q - элементарный электрический заряд (1,6.10~ Кл); /к - ток коллектора транзистора; /обр.нас - обратный ток насыщсния (в большинстве случаев примерно 1,87-Ю""* А).

Если пара транзисторов подвергается одинаковому температурному воздействию окружающей среды (т. е. транзисторы находятся на одной и той же монолитной подложке, как в схеме типа МАТ-01), то мы можем переписать уравнение (10.12) в виде разности двух напряжений эмиттер - база:

Абэ = - 1п(/кЛбР.вас1)-71n(VWHac2). (10.13)

Вынесем общий член KT}q за скобки и перепишем уравнение (10.13) в следующем виде:

Аб, = - [In (/к, к,)-1п (/обР.нас1/обр.нас2)]. (Ю.И)

Но для хорошо согласованных транзисторов, подвергающихся одинаковому температурному воздействию, величина /обр.нас1 обрнас2 близка К бдинице. Нам известно также, что натуральный логарифм единицы равен нулю (In 1 = 0). Тогда член

1п(/обр.нас1/-обр.нас2). (10.15)

уничтожается и уравнение (10.14) можно переписать в более простой форме:

АПз = 1п(/к, к,). (10.16)

Уравнение (10.16) подтверждает наше утверждение о том, что измерение температуры возможно при использовании транзисторов, находящихся под одинаковым температурным воздействием.

Рассмотрим уравнение (10.16) с тем, чтобы определить, как токи /к j и у,, j поддерживаются постоянными, но разными по величине. Они не долл<ны быть равны между собой, иначе отношение /ki kj будет равно единице и натуральный логарифм обратится в нуль. Если отношение сделать равным, скажем 2:1, то логарифм отношения будет иметь постоянное значение, равное In 2. Уравнение (10.16) примет вид

ДУбз = с/(Т/</, (10.17)