Úkol měření 1. POLOVODČOVÉ EPLOMĚY 1. entfkujte neznámý perlčkový termstor. Navrhněte zapojení pro jeho lnearzac.. rčete teplotní závslost napětí na oě protékané konstantním prouem a charakterstku teplotního senzoru s PWM výstupem. Postup měření 1. ermstor 1.1. Změřte ve voní lázn závslost oporu termstoru na teplotě př měřcím prouu 5 µa v rozsahu teplot C až 35 C. Vypočítejte konstantu termstoru. Př osažení teploty 3 C nezapomeňte vypnout topení! eplota lázně osáhne 35 C íky setrvačnost topného tělesa. 1.. Změřte voltampérovou charakterstku perlčkového termstoru ve vzuchu pro rozsah prouů 5 µa až 5 ma. Do sére s termstorem je přpojen ochranný opor 1 Ω, pro regulac malých prouů použjte ekáu (schéma na obr. 1.1). Pro nejvyšší prou 5 ma změřte napětí na termstoru také ve voní lázn bez míchání a se zapnutým mícháním. rčete ohřev termstoru vlvem protékajícího prouu a spočítejte zatěžovací konstantu D pro všechny tř přípay (na vzuchu, ve voě bez míchání a ve voě s mícháním); zůvoněte rozíly. 1.3. V úzkém okolí teploty t 5 C považujte charakterstku f() za lneární pole vztahu (1 α ). Ovoďte vztah pro teplotní součntel oporu α opovíající tečně ke křvce f() a spočítejte jeho honotu pro teplotu t 5 C. rovnejte velkost součntele α s honotam obvyklým u oporových platnových teploměrů. 1.4. Vypočítejte velkost sérového lnearzačního oporu (schéma na obr. 1.) tak, aby pro teplotu t 45 C měla charakterstka f( ) nflexní bo. Opor nastavte pomocí ekáy, nezapomeňte oečíst opor etalonu pro měření prouu! 1.5. Proměřte lneartu zapojení (1.), tj. závslost f() o teploty t 55 C. Napájecí napětí nastavte tak, aby prou př počáteční teplotě byl 15 µa. Naměřenou charakterstku proložte přímkou ve tvaru α ι. rčete skutečnou teplotu nflexního bou, porovnejte teplotní součntel α ι lnearzovaného zapojení se součntelem α samotného termstoru. Obr. 1.1 Měření závslost () Obr. 1. Lnearzovaný obvo 5
. Doový teploměr rčete závslost napětí na teplotě u oy vytvořené z tranzstoru KC 37. Vyhonoťte lneartu měřené závslost. Jaký prou protéká oou? oučasně (př jenom ohřevu) změřte charakterstku senzoru s PWM výstupem M 16-3. Vypočítejte ctlvost a offset (konstanty K a O). eplota hlníkového bloku je zároveň měřena pomocí teploměru s polo-vočovým snímačem AD 59 (511). nímač se po přpojení na zroj napětí chová jako zroj prouu řízený teplotou. Ctlvost snímače je 1 µa/k. Vyhonocovací obvo potlačuje počátek stupnce. Pokyny pro měření Obr. 1.3 Zapojení obvou AD 59 a tranzstoru Do všech vztahů je třeba osazovat termoynamckou (absolutní) teplotu v K (v rovncích ). Platí 73,15 t, ke t je teplota ve C. K bou 1.: Vztah platný pro zatěžovací konstantu lze upravt na vztah: ke [K] teplota okolí, [K] konstanta termstoru, 1 [V] P D (1.1) 1 D (1.) ( ln1 ln1) napětí na termstoru př mnmálním měřcím prouu 1 5 µa, [V] napětí na termstoru př maxmálním měřcím prouu 5 ma. Ovoďte vztah (1.)! K bou 1.3: Př ovození součntele α nahraďte ervac / vztahu Ae / pro opor termstoru ferencí / pro. 6
K bou 1.4: Opor termstoru př teplotě 45 C potřebný o vztahu pro určete výpočtem ze zjštěné konstanty. Vztah pro výpočet lnearzačního oporu v závslost na zvolené teplotě nflexního bou je možno ovot z pomínky /. K bou 1.5: Prou termstoru v tomto měření určujeme z úbytku napětí na malém normálovém oporu. Použtí ampérmetru není vhoné, protože jeho vntřní opor by se přčítal k oporu. Ovození výpočtu zatěžovací charakterstky Pro opor NC termstoru platí vztah: A e (1.3) V katalozích se honota konstanty A neuváí, termstor bývá charakterzován materálovou konstantou a oporem př teplotě. ovnce termstoru se používá ve tvaru: 1 1 e (1.4) ke [Ω] je opor termstoru př teplotě [K], [Ω] je opor termstoru př teplotě [K]. Konstantu termstoru můžeme určt buď z katalogu, nebo měřením. K výpočtu zatěžovací konstanty D je třeba změřt napětí 1 na termstoru pro velm malý měřcí prou 1 (např. 5 µa), pro nějž lze zanebat vlastní ohřátí termstoru (termstor bue praktcky na teplotě okolí ), a napětí pro velký měřcí prou (např. 5 ma), který způsobí ohřátí termstoru o teplotu na teplotu okolí, tj. na teplotu. Pro zatěžovací konstantu D platí (př zanebání výkonu 1 1 pro malý měřcí prou) vztah: eplotu vypočteme ze vzorce (1.4): Po osazení ostaneme: a tey D ln P D (1.5) (1.6) ln ln ln 7
8 1 ln D (1.7) což je ekvvalentní se vztahem (1.). Ovození vztahu pro lnearzac termstoru Často používaným obvoovým způsobem lnearzace exponencálního průběhu oporu termstoru na teplotě je použtí sérového lnearzačního oporu. érovou kombnac napájíme ze zroje konstantního napětí, výstupní velčnou je pak prou. Velkost volíme tak, aby nflexní bo výslené závslost f() byl v požaované honotě teploty (obvykle v polovně rozsahu navrhovaného teploměru) a chyba lnearty se tak snížla v celém měřcím rozsahu po anou úroveň. Pro závslost () platí: ( ) ( ) ( ) 3 Pro nflexní bo musí platt: ( ), tey ( ) (1.8) Pro platí: A e 3 3
Po osazení o (1.8) ostaneme : 4 ( ) 4 3 (1.9) Obr. 1.4 Lnearzovaný obvo Příkla účnku sérového lnearzačního oporu je na obr. 1.5. Exponencální závslost oporu termstoru na teplotě (obr. 1.5a) způsobuje značnou chybu lnearty termstoru v režmu s konstantním napájecím napětím (obr. 1.5b). Použtím sérového lnearzačního oporu poklesne ctlvost, ale chyba nelnearty se výrazně potlačí (obr. 1.5c). [ Ω] 5 4 3 1 [ma] 5 4 3 1 [ma] 1 8 4 4 6 8 1 4 6 8 1 4 6 8 1 t [ C] t [ C] t [ C] a) b) c) Obr. 1.5 Polovočový snímač teploty typu AD 59 Polovočový snímač teploty AD 59 je ntegrovaný obvo chovající se po přpojení napájecího napětí jako voupól - zroj prouu. Jeho výstupní prou je úměrný absolutní teplotě s ctlvostí 1 µa K -1. Může pracovat v rozmezí teplot -55 C až 15 C. Prncp funkce Pro napětí E tranzstoru platí vztah E k E n ln 1 q E 9
ke E je emtorový prou, E je závěrný prou, k/q je teplotní napětí (k je oltzmanova konstanta, q náboj elektronu). Pro použté tranzstory platí: E >> 1 E a pro rozíl napětí obou tranzstorů lze psát: k E E1 E E E1 n ln ln (1.1) q E E1 Protože jsou oba tranzstory shoné, je shoná jejch teplotní závslost závěrných prouů a platí jenak jenak ( ) E 1 E f, ln E E1 Vztah (1.1) lze převést o tvaru k E n ln E q Zvolíme-l prou m 1, bue přblžně také E me1. Potom pro platí vztah Po osazení ostaneme ( m ) E1 1 E1, E1 E Obr. 1.6 Prncpální schéma AD 59 k E ( m 1) n ln konstanta q (1.11) E1 veené ovození platí pouze za eální shoy teplotních charakterstk obou tranzstorů. Ve skutečnost mohou být tyto tranzstory různě velké, čímž se zvýší teplotní ctlvost obvou. 1
[ ma ] 43 98 18 15 C 5 C -55 C 1 3 4 5 6 7 3 Obr. 1.7 Výstupní prou obvou AD 59 [ V ] eplotní senzor M-16 enzor M-16 s PWM výstupem pracuje jako převoník teplota/střía (uty cycle, DY). Jeho výstupem je L sgnál, jehož šířka pulsu je přímo úměrná teplotě (PWM pulse-wth moulaton pulsně-šířková moulace). Zpracování takového sgnálu bývá zpravla jenoušší než zpracování klascké analogové nformace (napětí, prou, opor). Př zpracování výsleků procesorem lze použít vlastní časovací obvoy procesoru, zatímco u klasckých převoníků je třeba použít alší obvoy (A/D převoník). Naopak, požaujeme-l analogový napěťový výstup, stačí za obvo zapojt olní propust. výst 5V t w t Obr. 1.8 Výstupní sgnál převoníku Měřenou teplotu získáme pomocí vztahu ke Θ je měřená teplota, t W a souvsí s obr. 1.8, K a O jsou konstanty. Θ t W K O [ C; s, s, C, C] K měření časů t w a použjte gtální oscloskop. Délka pulsu se u většny oscloskopů měří automatcky, k měření peroy použjte kurzory. Některé oscloskopy měří stříu. 11