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教你如何用三极管测量温度

01/26 08:45
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刚毕业的时候,一提到的温度传感器,想到的就是DS18B20,很多开发板也都以这个传感器为范例,原因更多的应该是基于他的单线通信模式,这种通信模式使得 DS18B20 的应用非常的简单,可以将所有的传感器串联读取。

另外,这种数字温度传感器,测量的温度范围是—55~125℃,测温误差0.5℃。可编程分辨率9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃,0.25℃,0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。然后很多时候,我们的应用并不是需要高精度的测量温度,而是需要更低成本的温度传感器,这是脑袋里首先想到的 就是热电偶了,也就是我们常说的 NTC。类似一个小蝌蚪的东西。

但是这个东西并不是成本最低的,今天我来初步介绍一个使用三极管来测量大致温度的方法。虽然测量精度相对差一些,但是成本可以达到1 毛钱了。

我们先来了解一下组成三极管的PN 节的特性

半导体PN结的正向导通电压具有负向的温度特性,这种特性在一定的温度范围内呈现良好的线性度,具体来说,在-15~+120°C范围内,硅PN 结的正向导通电压可近似满足以下公式:

其中,Ube为 PN 结正向导通电压;T为温度。即,温度每上升1°C,PN 结正向导通电压约下降△V。我曾经见过利用三极管 PN 结测量温度的电路被应用在轮毂电机的内部,用来检测电机的温度。

具体实现电路如上所示,此部分电路可装在电机内部。电源正极可以用电机霍尔的5V 供电电源,电源负极可以使用电机霍尔的地线,对外仅需引出一个 ADC 采样端。图纸中的虚线右侧为温度采样电路,左侧为信号差分放大电路(放大部分也可以省略)。由电路图所示,温度采样电路由3个三极管组成。采样点 PT 的电压为:

其中,Vbc(Q1)、Vbc(Q2)、Vbc(Q3)分别为 Q1、Q2、Q3的基极到集电极的电压。由 PN 结导通电压和温度关系的公式为基础,上公式可转换为:

其中,V0(Q1)、V0(Q2)、V0(Q3)分别是Q1、Q2、Q3的起始电压值;△V 是单位温度的电压变化量,△TQ1 ,△TQ2 , △TQ3分别是Q1、Q2、Q3的温度变化量。当我们假设Q1、Q2、Q3的起始电压值(Vo)和温度变化量(△T)保持一致,公式可等效于:

其中,V0是Q1、Q2、Q3的起始电压值;△V是单位温度的电压变化量;△T是Q1、Q2、Q3的温度变化量。最后我们使用单片机的 ADC 接口进行采样就可以了,这个方案比较麻烦的是针对某一个型号的 PNP三极管进行标定和曲线拟合,但是没办法,很多消费场景我们只能考虑成本,毕竟Code 本身就不"值钱",而且还是一次性投入。

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