RU2080570C1

RU2080570C1 - Temperature-sensitive element

Info

Publication number: RU2080570C1
Application number: RU93034880A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Иванов; И.П. Лазаренко; В.Б. Лопатин; П.Р. Машевич; В.Д. Мещанов; В.Н. Шулепов
Original assignee: Лазаренко Иван Петрович
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: instrument engineering. SUBSTANCE: temperature-sensitive element uses n-n diode 8 connected in parallel with which is a capacitor, with one lead the capacitor and diode are connected to the first input line, and with the other - to the input of comparator 9, and via switching element 6 - to the second input line. The third input line is connected to the second input of the comparator, the fourth input line - to the switching element control input, and the comparator output is connected to the output line. The comparator changes the state of its output, when the capacitor, discharging due to the reverse current of diode 8, changes the relationship of voltages across the comparator inputs. The temperature-sensitive element turns the temperature to a time interval between the leading edge of the signal pulse at the fourth input line that changes over the switching element to the OFF state and the leading edge of the comparator output signal pulse. EFFECT: reduced power consumption, easy realization in integrated-circuit version. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронике, в частности к интегральным датчикам температуры. The invention relates to electronics, in particular to integrated temperature sensors.

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.The quality of temperature sensors is known, among which the maximum sensitivity are those in which semiconductor diodes or thermistors are used as a thermosensitive element, for example, UAA3274 by Omega Eng. [one]
These are the most widely used sensors. However, when using them, the accuracy, the range of the measured temperature and other parameters depend on the equipment used, which changes their resistance.

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. The desire to create a sensor that is independent of the measuring equipment, and therefore cheap and easy to use, and to the maximum extent using the capabilities of the thermosensitive element, has led to the creation of sensors that combine the thermosensitive element and the conversion circuit of the thermally dependent parameter.

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. Closest to the invention in technical essence is a temperature sensor [2] in which a thermosensitive element-semiconductor diode is connected in series with a constant current source, an anode of the diode and connected to the positive output of a stabilized power source, the cathode of the diode is connected to the positive terminal of the current source and with one of two inputs of the comparator, the negative output of the current source is connected to the negative output of the stabilized power source.

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.The control input of the power source is connected to a voltage driver. The second input of the comparator is connected to the output of the resistance store, connected between the positive output of the stabilized power source and the output of another reference voltage source. The output of the key elements of the resistance store is connected to the output of the comparator. When passing through the diode the current specified by the source is greater than a certain threshold value, a voltage drop V _D arises on the diode, depending on the diode temperature. The comparator and the resistance store form an ADC, which converts the temperature-dependent analog signal V _D into a numerical code.

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.However, such a sensor has several disadvantages that limit the accuracy of temperature measurement:
1. The presence of an ADC resistance store introduces an error in the results of temperature measurement associated with the discreteness of measurement of a heat-sensitive parameter, the minimum value of which is determined by the number of resistances in the ADC. Usually it is the capabilities of the ADC that determine the achievable accuracy.

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. 2. The presence of a forward biased pn junction in the thermosensitive element necessitates the passage of a significant current through the diode / cannot be reduced to zero, because in this case, the sensitivity of the sensor / drops to zero, and this leads to the release of power in the heat-sensitive element, which reduces the accuracy of the measurements.

3. Кроме этого имеются сложности в реализации стабильного источника тока, особенно в интегральном исполнении датчика, а нестабильность источника тока снижает точность измерения температуры. 3. In addition, there are difficulties in implementing a stable current source, especially in the integrated version of the sensor, and instability of the current source reduces the accuracy of temperature measurement.

Технический результат изобретения увеличение точности измерения и снижение потребляемой мощности. The technical result of the invention is an increase in measurement accuracy and a decrease in power consumption.

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. The result is achieved by the fact that the temperature sensor containing a semiconductor diode as a heat-sensitive element, a comparator, a key element having a signal input, a signal output, a control input, four input buses and one output bus, the semiconductor diode connected to the first input bus by one output, and another output to the first input of the comparator and the signal output of the key element, the signal input of which is connected to the second input bus, the third input bus is connected to the second input of the comparator, the fourth input bus is connected to the control input of the key element, and the output of the comparator is connected to the output bus, a capacitor is introduced, one of the terminals of which is connected to the first input bus, and the second output from the signal output of the key element.

На чертеже представлена принципиальная схема датчика температуры при напряжении (на входной шине 1 больше, чем на входной шине 2). The drawing shows a schematic diagram of a temperature sensor at voltage (on the input bus 1 more than on the input bus 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. The temperature sensor contains four input buses 1-4, an output bus 5, a key element 6, a capacitor 7, in parallel with which a heat-sensitive diode 8, a comparator 9 are connected.

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. The capacitor 7 and diode 8 are connected by one output to the input bus 1, and the other to one of the inputs of the comparator 9 and to the signal output of the key element 6. The signal input of the key element 6 is connected to the input bus 2, and the control input of the key element 6 is connected to the input bus 4. The input bus 3 is connected to the second input of the comparator 9, and the output of the comparator 9 to the output bus 5.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

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. In the initial state, a signal is supplied to the input bus 4 such that the key element 6 is open. Voltage is applied to the input bus 1 and the input bus 2, which biases the p-n junction of the diode 8 in the opposite direction. The capacitor is charged to the difference between these voltages. A voltage having a value between the voltage at the input bus 1 and the voltage at the input bus 2 is supplied to the input bus 3. At the output of the comparator 9, a certain certain (high or low) voltage level is set, then a control signal is supplied to the input bus 4 that covers the key element 6 From this moment, the voltage across the capacitor begins to decrease due to the reverse current of the pn junction of the diode 8, and the voltage at the first input of the comparator 9 tends to the voltage at the input bus 1, passing a value equal to the input voltage hydrochloric bus 3. At this point the comparator output changes the previously established level.

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. The time interval between the change in the signal level on the input bus 4, which closes the key element 6, and the change in the output level depends on the value of the reverse current p-n junction of the diode 8, which, in turn, depends on the temperature. Thus, the sensor converts the temperatures into the time interval between the input and output signals.

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). Thanks to the conversion of the temperature into the time interval implemented by the sensor, the measurement errors associated with the discreteness of the measured value are largely eliminated. Even with the simplest timer, the time interval is measured much more accurately than the voltage of a sufficiently complex ADC (as in the prototype).

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. Compared with the prototype, the current flowing through the heat-sensitive element is several orders of magnitude lower, which eliminates the errors associated with the allocation of power in the sensor and reduces power consumption.

По сравнению с прототипом устраняются и погрешности, связанные с нестабильностью источника тока, так как предлагаемый датчик не требует стабилизации тока через термочувствительный элемент. Compared with the prototype, errors associated with the instability of the current source are eliminated, since the proposed sensor does not require stabilization of the current through the heat-sensitive element.

Кроме того, построение схемы без точных резистивных элементов, использование только слаботочных элементов упрощают реализацию датчика температуры в интегральном исполнении. In addition, the construction of a circuit without accurate resistive elements, the use of only low-current elements simplify the implementation of the temperature sensor in an integrated version.

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. Due to its properties of high accuracy, low power consumption and ease of implementation in the form of an integrated circuit, the proposed temperature sensor is suitable for use in domestic and medical (including multi-channel) thermometers.

Опытные образцы предлагаемого датчика были изготовлены в виде микросхем с кристаллами, выполненными по КМОП-технологии. Prototypes of the proposed sensor were made in the form of microcircuits with crystals made by CMOS technology.

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. During the test, a voltage of 5 V was applied to bus 4, to 2 2 V bus, to 3 3 V bus. When the voltage on bus 4 was less than 0.4 V, switch 6 was open, more than 2.4 V was closed.

Через промежуток времени, соответствующий измеряемой температуре, отсчитываемый от момента перехода напряжения на шине 4 на высокий уровень, выход 5 переходит на высокий уровень. After a period of time corresponding to the measured temperature, measured from the moment the voltage on bus 4 goes to a high level, output 5 goes to a high level.

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.Tests showed the following:
current consumption does not exceed 3 μA, with a supply voltage of 5 V,
the sensitivity of the sensor is not less than 0.01 s / deg. which made it easy to distinguish between temperatures different by 0.01 ^o C.

датчик работоспособен при температурах от +20^oC до +150^oC.the sensor is operable at temperatures from +20 ^o C to +150 ^o C.

Claims

A temperature sensor comprising a temperature-sensitive element in the form of a semiconductor diode, a comparator, a key element with a signal and control inputs and a signal output, four input buses and an output bus, the semiconductor diode connected with one output to the first input bus and the other output to the first input of the comparator and the signal output of the key element, the signal input of which is connected to the second input bus, the second input of the comparator is connected to the third input bus, its output is connected to the output bus, and key input conductive member is connected to the fourth input bus, characterized in that it introduced a capacitor, one of terminals is connected to the input of the first bus and the second output signal output to the key element.