پر بازدید ترین مطالب

روش استفاده از یک دیود به عنوان ترمومتر یا همان دماسنج


در این مقاله آموزش داده می شود که چگونه می توان دما را با استفاده از یک دیود و ترانزیستور BJT اندازه گرفت. ممکن است افرادی که وقت زیادی را صرف بررسی دیتاشیت دیودها کرده اند این نکته را دریافته باشند که  یک دیود سیلیکونی به شکل مناسبی رفتاری خطی را بین ولتاژ اعمال شده و میزان دما از خود نشان می دهد و به ذاته یک ترمومتر بسیار ارزان است. برای مثال، تصویر زیر مربوط به دیتاشیت یک دیود ۱N4148 را نشان می دهد :

دیود ها در واکنش به دما رفتار خطی دارند و می توان آن ها را به عنوان یک ترمومتر کارا در مدار استفاده کرد.

دیود ها در واکنش به دما رفتار خطی دارند و می توان آن ها را به عنوان یک ترمومتر کارا در مدار استفاده کرد.

همانطور که در تصویر مشخص است اگر جریان اعمال شده ثابت باشد، ولتاژ اعمالی به شکل خطی با افزایش دما افزایش می یابد. حتی اگر جریان اعمال شده به میزان بسیار کمی تغییر داشته باشد، هنوز می توان یک دماسنج مناسب را ایجاد کرد اما رفتار بین ولتاژ و دما به میزان کمتری خطی خواهد بود. نکته مهم دیگر این است که با کاهش جریان اعمالی، بزرگی شیب این خط افزایش پیدا می کند. به عبارت دیگر، ولتاژاعمالی در مقدار جریان کمتر به تغییرات دما حساس تر می شود.

فرض می شود که دیودی وجود دارد، که به شکلی متصل شده که جریان اعمالی به آن تغییرات بسیار کمی دارد. همچنین مدار دارای اجزای اکتیو است که می توانند تغییرات دمای القایی را حتی اگر بسیار کوچک باشد تقویت کنند. و نیز تصور می شود که این مدار به دستگاه هایی متصل شود که بتوانند این تغییرات کوچک تقویت شده ولتاژ را به شکلی تبدیل کنند که قابل دیدن و درک باشد ( مثلا اتصال به یک مولتی متر). اگر تمام این مراحل به درستی انجام شود، چیزی که در نهایت وجود دارد یک ترمومتر دیودی خواهد بود.

در ساختنی بخوانید :  کوکو-میک؛ با کمترین هزینه میکروفون USB استریو بسازید

طرح مدار ترمومتر

تصویر زیر طرح مربوط به مدار این پروژه را نشان می دهد که توسط نرم افزار LTspice طراحی و کشیده شده است.

اجزای موجود در عکس کمی پیچیده تر از انتظار است! اولین تغییر در مدار طراحی شده اضافه کردن مقاومت R4 بود که در قبل از آن بخش کاتد دیود مستقیما به زمین متصل شده بود. این مقاومت ولتاژ را در بخش آند دیود تا حدی افزایش می دهد که برای بایاس مستقیم قسمت پیوند بیس به امیتر در ترانزیستور BJT سودمند باشد. پس از آن دیود و ترانزیستور به بخش های مختلفی تقسیم شدند و در نهایت با تغییر شکل اتصال R2 مدار تکمیل شد. به طور خلاصه می توان گفت مداری که در بالا نشان داده شده است کاملا متفاوت ( و با عملکرد بهتر)  با نسخه ای است که در ابتدا طراحی شده بود.

برای اینکه این مقاله دقیق و کامل باشد لازم است تا نحوه انتخاب مقادیر مقاومت ها شرح داده شود اما متاسفانه این مقادیر بدون تحلیل و محاسبه و تنها با استفاده از شبیه سازی های متعدد و صرفا از روی تجربه بدست آمده است. در نهایت نکاتی که در انجام مکرر این آزمایش بدست آمده و ممکن است در انجام آزمایش سودمند باشد بیان می شود:

در شبیه سازی این مدار ترمومتر ، دمای تمام بخش های مدار تغییر می کند در حالی که تصور می شد تنها در پاسخ دیود به دما تغییرات وجود داشته باشد. وجود پیوند pn در ترانزیستور BJT بسیار مفید است، اگر دیود تحت تأثیر دما قرار بگیرد، پس آن ترانزیستور حتما BJT خواهد بود. هدف این مقاله این بود که مداری طراحی شود تا به عنوان یک سنسور دمایی استفاده شود نه چیزی که در آن دیود به تنهایی از بقیه مدار کار کند که به این معنی است که این شبیه سازی بر هدف مقاله استوار است.

در ساختنی بخوانید :  آموزش ساخت یک مدار الکترونیکی ساده نشان دهنده ی سطح آب

روش های شبیه سازی

بهتر است از روش هایی که برای طراحی و اجرای شبیه سازی دمایی در LTspic استفاده می شود تأکید نشود زیرا اطلاعات به راحتی از هر جایی قابل دست یابی هستند. به جای آن نکات مهمی به طور خلاصه بیان می شود:

  • استفاده از یک “.step temp…” در نرم افزار SPICE برای تغییرات دما که در این پروژه از عبارت “.step temp min max increment” استفاده شده است.
  • به نظر می رسد بهتر است در اینجا از شبیه سازی نقطه کار استفاده شود اما حتی اگر تنها اطلاعات در حالت پایدار مورد نظر باشد، لازم است تا حالت گذرا نیز شبیه سازی شود.
  • برای اینکه نمودار اندازه گیری های مربوطه به جای زمان، بر حسب دما کشیده شود،fi به طور مستقیم از یک “.meas” در نرم افزار SPICE استفاده شود تا اندازه گیری های مربوطه ( که در این آزمایش ولتاژ کلکتور در ترانزیستور BJT خواهد بود) ذخیره گردد. پس از آن نمودار اطلاعات مستقیما رسم می شود.

نتایج

واضح است که یک دیود تغییرات ولتاژ را در پاسخ به تغییرات دمای محیط ارائه می دهد. اگر این تغییرات کافی باشد هیچ نگرانی برای مدار BJT وجود ندارد. در این پروژه هدف ساخت مداری است که تغییرات ولتاژ دیود را تقویت کرده و در نتیجه آن یک سیگنال برای دماسنجی تولید کند که بیشتر بتواند به شکل مستقیم یک شاخص از یک نوع را ارائه کند. در تصویر زیر نمودار ولتاژ دیود بر حسب دما نشان داده شده است:

همانطور که دیده می شود یک رابطه خطی مناسبی بین ولتاژ و دما وجود دارد. با این حال، دامنه پاسخ ولتاژ بسیار کوچک است. در محدوده بالای ۶۰ درجه سانتی گراد، ولتاژ تنها به میزان ۷۰ میلی ولت تغییر می کند. تصویر دوم نشان دهنده ولتاژ خروجی بر حسب دما است:

در ساختنی بخوانید :  گرم کننده لنز های تلکسوپ برای رصد در روزهای سرد

ولتاز خروجی در همان محدوده در حدود ۱٫۷ ولت تغییر می کند که نشان دهنده بهبود بسیار مناسبی است. در صورتی که از عملکرد بهینه این مدار در هر شرایطی اطمینان حاصل شود می توان آن را یک موفقیت نامید. اگرچه تقویت سازی های بزرگ هزینه سنگینی برای مدار دارد و آن جریان مصرفی بالا خواهد بود. تصویر زیر نشان دهده جریان کلکتور در تزانزیستور Q1 بر حسب دما است:

متأسفانه امروزه جریان ۵۰ میلی آمپری در یک دستگاه را نمی توان در رده کم مصرفها به شمار آورد و نمی توان آن را با سنسور های دمایی IC که عملکرد بسیار مطلوبی را ارائه می دهند و در حال حاضر مصرف کمتری در میکرو آمپلی فایر ها دارند، مقایسه کرد.

نتیجه گیری

این مدار ترمومتر ، در ابتدا بیشتر شبیه به یک آزمایش ذهنی بود که پس از آن تبدیل به یک راه حل عملی برای بررسی دما شد. با وجود این ممکن است با آزمایشات بیشتر و بررسی دقیق تر راهی برای بهبود عملکرد همراه با مصرف انرژی مناسب و حتی برخی تغییرات برای سفارشی سازی را در این مدار اجرا کرد. برای این منظور شماتیک تهیه شده این مدار در نرم افزار LTspice در ادامه برای دانود قرار داده شده است. (گذرواژه : saakhtani.ir)

منبع

بیشتر بخوانید:

[ad_2]

لینک منبع

ممکن است به این موارد نیز علاقه مند باشید:

آخرین مطالب