Обычные биполярные транзисторы иногда могут быть прецизионными датчиками.
Когда речь заходит о прецизионных компонентах, обычно не вспоминают (и, вероятно, не должны вспоминать) о биполярных транзисторах общего назначения. Дешевы ли и универсальны биполярные транзисторы общего назначения? Безусловно, да. Но можно ли сказать, что их характеристики, коэффициент передачи тока, напряжение смещения и т. д. предсказуемы и точны до долей процента? К сожалению (и, возможно, это даже смешно), нет. Но не совсем так. Ярким исключением является эффект ΔVBE, при котором обычные малосигнальные биполярные транзисторы могут функционировать в простых схемах как датчики абсолютной температуры с точностью до 0.1%, как показано в более ранней статье [1].
Эффект ΔVBE зависит исключительно от отношения приложенных токов, независимо от их абсолютных величин. Его величина составляет 1/5050 вольт на градус Кельвина и 1/9090 вольт на градус Ранкина на каждое десятикратное изменение тока. На Рисунке 1 показано, как с помощью этой простой математики можно превратить практически любой 3¾-разрядный цифровой мультиметр с диапазоном 300 мВ в универсальный и точный термометр с разрешением 0.1°, который можно переключать между шкалами Цельсия и Фаренгейта.
 | |
| Рисунок 1. | Переключатель U1a и токовое зеркало Q2Q3 подают на цепочку из 9 транзисторов чередующиеся токи возбуждения с соотношением 10.23:1. Цепочка транзисторов имеет отводы 5 × 200 мкВ/°C = 1 мВ/°C и 9 × 111 мкВ/°F = 1 мВ/°F. |
Вот как это работает. Мультивибратор U1b и коммутатор U1a подают на токовое зеркало Q2Q3 прямоугольные импульсы тока. Отношение токов в двух состояниях импульсов составляет 101.01 = 10.23:1. С токового зеркала этот сигнал поступает на цепочку из 9 транзисторов-датчиков температуры. Эффект ΔVBE приводит к тому, что напряжение на каждом транзисторе изменяется на 200 мкВ на градус Кельвина и на 111 мкВ на градус Ранкина, что в сумме дает 1 мВ/°K на отводе от 5-го транзистора и 1 мВ/°R на отводе от 9-го транзистора.
Секция S1a двухполюсного переключателя S1 позволяет выбрать соответствующий отвод для желаемой температурной шкалы. В то же время, секция S1b служит для выбора соответствующего смещения 0° опорного напряжения регулятора Z1: 273 мВ для градусов Цельсия и 460 мВ для градусов Фаренгейта. Фиктивная нагрузка D1R6 уравновешивает токи, проходящие через два канала переключателя U1a, выравнивая потери напряжения на сопротивлениях открытых каналов. Любители токовых зеркал, несомненно, заметят, что зеркало на основе Q2 и Q3, состоящее из несогласованных транзисторов без вырождения эмиттера, вероятно, не может обеспечить точное отношение усилений токов. Но это не страшно. Оно ему и не нужно.
Помните, что эффект ΔVBE зависит исключительно от отношения приложенных токов, независимо от их абсолютных величин. Это значит, что усиление зеркала может изменяться в широком диапазоне без существенного влияния на точность измерения температуры. Напряжение V+ также может безвредно колебаться от 7 до 20 вольт. Поэтому схема будет хорошо работать от простой 9-вольтовой батареи, поскольку общий потребляемый ток, составляющий менее 2 мА, обеспечит сотни часов непрерывной работы.
Мультивибратор U1b обеспечивает переключение с частотой порядка 7 кГц для синхронного возбуждения и выпрямления сигнала датчика коммутатором U1c. Для сохранения точности резисторы, отмеченные звездочкой, должны иметь допуск ±0.1%.
Да. Эти обычные копеечные биполярные транзисторы общего назначения хороши.