Разработка монокристального монофункционального регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля (стр. 6 из 10)
3.6 Датчик температуры
Датчик температуры, или блок, задающий температурный коэффициент напряжения настройки (uнастр) служит для реализации температурной зависимости регулируемого напряжения в бортовой сети автомобиля, что необходимо для комфортной и надежной работы аккумуляторной батареи.
В используемом в регуляторе напряжения полупроводниковом датчике температуры реализуется принцип температурной зависимости разности напряжений база-эмиттер.
Принципиальная электрическая схема датчика температуры отображена на рис. 3.6.1.
Данный датчик температуры работает на следующем принципе.
Как видно из рисунка 3.6.1. токи, протекающие через транзисторы VT53 BVT54, будут определяться следующим образом.
I53 = IS53 
(3.6.1.)
I54 = IS54 
(3.6.2.)
где IS53 и IS54 – токи насыщения эмиттерных переходов транзисторов VT53 и VT54, соответственно, Vбэ53 и Vбэ54 – падения напряжений на эмиттерных переходах транзисторов VT53 и VT54, соответственно.
Из (3.6.1.) и (3.6.2.) следует, что
VT =Vбэ53 - Vбэ54 = ΔVбэ =
(3.6.3.)I53 = Iэ53 *α53 (3.6.4.)
I54 = Iэ54 *α54 (3.6.5.)
где α53 и α54 – коэффициенты передачи по току в схеме с ОБ.
Подставив (3.6.4.) и (3.6.5.) в (3.6.3.), получим
VT =Vбэ53 - Vбэ54 = ΔVбэ =
(3.6.6.)То есть из (3.6.6.) видно, что разность напряжений на эмиттерных переходах двух транзисторов прямопропорциональна абсолютной температуре (VT – температурно-зависимое напряжение).
Рис. 3.6.1. Принципиальная электрическая схема датчика температуры
В интегральном исполнении транзисторы VT53 и VT54 получаются идентичными, поэтому α53 = α54 и IS53 = IS54, что приводит к следующему выражению
VT =Vбэ53 - Vбэ54 = ΔVбэ =
(3.6.7.)В данном регуляторе напряжения температурный коэффициент напряжения обеспечивается разной площадью элементов транзисторов VT53 и VT54, обеспечивая тем самым различие эмиттерных токов IЭ53 и IЭ54. Топологически транзисторы VT53 и VT54 выполнены в виде вертикальных n-p-n-транзисторов с прямоугольными геометрическими размерами. Разность площадей эмиттеров обеспечивается параллельным включением нескольких эмиттеров. Суммарная площадь эмиттера транзистора VT54 в 4 раза больше площади эмиттера транзистора VT53. Так как площадь транзистора VT54 больше площади транзистора VT53, то IЭ54 = 4 IЭ53, то есть IЭ53/ IЭ54 =1/4.
Тогда
VT =Vбэ53 - Vбэ54 = ΔVбэ = -
= - 1,386 
, (3.6.8.)Что обеспечивает отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН) данного блока. Этот принцип построения датчика температуры построен на транзисторах VT47, VT48, VT51 – VT56, резисторах R67 – R72. Транзисторы VT47 и VT48 p-n-p-типа задают режим работы транзисторов VT53 и VT54. Остальные транзисторы данного блока VT44 –VT46, VT49 и VT50 и резисторы R63 – R66 предназначены для формирования определенного уровня напряжений на выходе датчика температуры. Конструкцией этого узла предусмотрено переключение с одного значения на другое путем включения в работу резистора К72 с помощью пережига током порядка 1 А металлизированной перемычки, закорачивающей резистор R72 на "землю".
Для анализа работы рассматриваемого датчика температуры проведем расчет зависимостей температурного коэффициента напряжения от параметров транзисторов n-p-n-типа и отклонений номиналов резисторов (пропорциональных) как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения от номинальных значений. В таблице 3.6.1. приведена зависимость ТКН от сквозного тока насыщения n-p-n- транзисторов. В таблице 3.6.2. приведена зависимость ТКН от прямого коэффициента усиления n-p-n- транзисторов.
Результаты изменения номиналов резисторов занесены в таблицу 3.6.3.
Также проведем расчет температурного коэффициента напряжения при изменении номиналов резисторов и при отсутствии перемычки на резисторе R72 (рис.3.6.1.).
Результаты данного расчета приведены в таблице 3.6.4.
Как видно из снятых зависимостей наибольшую зависимость ТКН имеет от тока насыщения n-p-n- транзисторов, от пропорционального изменения номиналов резисторов. От параметров p-n-p- транзисторов ТКН зависит очень слабо. Включение резистора R72 в работу схемы ведет к уменьшению температурного коэффициента напряжения.
Таблица 3.6.1
| Ток наcыще-ния IS, A | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС | Ток наcыще-ния IS, A | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС |
| 10-18 10-17 10-16 10-15 10-14 10-13 | 2,260 2,145 2,029 1,913 1,797 1,681 | 2,227 2,138 2,000 1,861 1,723 1,584 | +0,283 -0,117 -0,483 -0,867 -1,233 -1,617 | 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 | 1,565 1,449 1,333 1,217 1,101 | 1,4461,1,308 1,174 1,087 1,899 | -1,983 -2,35 -2,65 -2,167 +13,3 |
Примечание. В таблице 3.6.1. указаны токи насыщения транзисторов VT44 – VT46, VT49 – VT50. Токи насыщения транзисторов VT53, VT55 – VT56 равны указанным умноженным на 2, что обеспечивается при моделировании на ПЭВМ параллельным включением 2-х одинаковых n-p-n-транзисторов, а транзистора VT54 равны указанным умноженным на 8 (8 параллельно включенных n-p-n-транзисторов).
Таблица 3.6.2
| Коэф. усиления, BF | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС | Коэф. усиления, BF | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС |
| 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 | 1,332 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 | 1,202 1,196 1,192 1,189 1,186 1,183 1,181 1,179 1,177 1,175 1,174 | -2,167 -2,283 -2,35 -2,4 -2,45 -2,5 -2,533 -2,567 -2,6 -2,633 -2,65 | 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 | 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 1,333 | 1,173 1,172 1,171 1,170 1,169 1,168 1,167 1,166 1,166 1,165 | -2,667 -2,683 -2,7 -2,717 -2,733 -2,75 -2,767 -2,783 -2,783 -2,8 |
Таблица 3.6.3
| Коэф. изменения | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС | Коэф. изменения | U(T=25оС), В | U(T=85оС), В | ТКН, мВ/оС |
| 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 | 1,369 1,359 1,351 1,345 1,339 1,333 1,328 | 1,243 1,223 1,207 1,194 1,183 1,174 1,166 | -2,1 -2,267 -2,400 -2,517 -2,6 -2,65 -2,7 | 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 | 1,324 1,320 1,316 1,313 1,310 1,307 1,304 | 1,159 1,153 1,148 1,142 1,138 1,134 1,130 | -2,75 -2,783 -2,8 -2,85 -2,867 -2,883 -2,9 |
Таблица 3.6.4