Archiwum. Linearyzacja Tranzystora jako dokladnego sensora temperatury. Optymalizacja interface. Patent 31

 Archiwum. Linearyzacja Tranzystora jako dokladnego sensora temperatury. Optymalizacja interface. Patent 31

 Zakres mierzonych temperatur ogranicza rodzaj mozliwych do uzycia sensorow.  Termopary sa na przyklad niezastapione w piecach i do cieklych metali czyli generalnie w procesach wysokotemperaturowych. 
Z teorii fizyki tranzystora wynika  ze w ograniczonym przedziale temperatur  -40...150 C tranzystor bipolarny jako sensor temperatury  jest tylko troche nieliniowy a czulosc zalezy od gestosc pradu. Diody i tranzystory od ponad 10 lat sa stosowane jako sensory temperatury. Jest mnóstwo zastosowan przemyslowych, laboratoryjnych, medycznych, komunalnych i domowych dla sensorow z takim zakresem temperatur. Metalowa obudowa ( wkrecana jak sruba lub z kolnierzem) sensora do tranzystora z pinami do wtyku kabla moze byc w produkcji masowej bardzo tania. Sa tez plastikowe obudowy mniejsze od TO92. Malutkie sa tranzystory serii SC... produkcji NRD.
Tranzystor NPN lub PNP w polaczeniu diodowym B z C  jest bardziej liniowym sensorem niz dioda. Dawane w katalogach tranzystorow wykresy nie pozwalaja sie nawet zorientowac jaka jest nieliniowosc takiego sensora.
Czulosc tranzystora jako sensora przy malej gestosci pradu wynosi -2.3mV/C, przy srednio-malej gestosci -2 mV/C a przy duzej gestosci spada do -1mV/C.
W ogolnosci sensory z sygnalem stalopradowym wymagaja tym drozszego wspolpracujacego  interface / kondycjonera im mniejszy jest sygnal  ( co rzutuje na wymogi wzmacniacza operacyjnego )  jak z termopara i im mniejszy jest uzyteczny sygnal na tle offsetu co rzutuje glownie na wymagana dokladnosc rezystorow. W przypadku RTD PTD offset na tle sygnalu jest tym wiekszy im nizsza jest maksymalna mierzona temperatura. W zakresie temperatur pokrywanych sensorem - tranzytorem wymagania od interface sa mniejsze niz dla PT100 co ma spore znaczenie. Duzo mniejszy jest tez pobor mocy co jest wazne przy zasilaniu bateryjnym urzadzenia.  

Model Ebersa Molla i kolejne modele tranzystora bipolarnego sa zgodne z eksponencjalna charakterystyka Ube - Ic przejsciowa tranzystora dla niezbyt duzych pradow. Argumentem funkcji wykladniczej jest Vbe q/ kT, gdzie q to ladunek elektronu, k - stala Boltzmana a T to temperatura w skali Kelwina. Dla temperatury pokojowej 25 C i Vbe=600 mV wykladnik wynosi az okolo 23 z czego wniosek taki ze prad  Is musi byc bardzo maly. Jednak z tego bez uwzglednienia zaleznosci Is od temperatury  wynikaloby ze czulosc sensora  Tc=dUbe/dT  jest dodatnia gdy tymczasem jest ona ujemna. Wynika to ze tego ze bardzo silnie z temperature rosnie wsteczny prad nasycenia Is. W temperaturze pokojowej dla tranzytora sygnalowego jest on rzedu femptoamperow. Nie nalezy go mylic z pradem wstecznym uplywu.
Ze wzrostem temperatury generowanych jest coraz wiecej par elektron - dziura w materiale tranzystora i prad Is bardzo szybko rosnie z temperatura pokonujac wspomniany wyzej "dodatni" efekt. Odpowiada za to kilka zjawisk fizycznych co komplikuje sprawe. Cel niniejszego opracowania wyklucza wejscie w rozwazania fizyczne.  Zwykle nie jest potrzebny dokladny model pradu nasycenia  Is. Ale w przypadku tranzystora jako sensora temperatury niestety jest potrzebny. Jesli uzyjemy wzoru na prad nasycenia Is stosowanego w programach symulacyjnych Spice 2 i NAP 2 to rozwazania nad liniowoscia tranzystora jako sensora temperatury sa niestety niezgodne z dokladnie obserwowanymi wlasnosciami i pomiarami tranzytora - sensora. Natomiast zgrubsza modele sa dobre.

W przypadku ukladu monolitycznego roznice napiec  Vbe pary roznicowej z identycznymi pradami obu tranzystorow wynikaja glownie z roznic ich "powierzchni". A roznice miedzy napieciami Ube miedzy roznymi partiami produkcyjnymi "wafli" wynikaja glownie z roznic pradu Is czyli wlasnosci materialu i cech procesu produkcji.  Napiecie niezrownowazenia pary roznicowej we wzmacnciaczu operacyjnym moze sie zmieniac o ca 0.5 uV na miesiac co pozwala sadzic ze pasywacja powierzchni struktury i izolacja od oddzialywania srodowiska sa bardzo dobre, przynajmiej w wyrobach od renomowanych producentow. Zatem stabilnosc dlugoczasowa tranzystora jako sensora powinna byc conajmniej dobra.  

Ojcem nowoczesnego wzmacniacza operacyjnego oraz  innych ukladow analogowych monolitycznych  jest Robert J. Widlar. Pracujac nad Bandgap Reference i uzyciem bardzo mocno niezrownowazonej pary roznicowej tranzystorow , miedzy innymi do  sensora temperatury zglebil temat [1] zmiany napiecia Ube w funkcji temperatury. Ale nielatwy temat dalej jest eksplorowany jak przykladowo w [2]. Zaleta monolitycznych sensorow temperatury w wyjsciem napieciowym lub pradowym  jest latwosc ich zastosowania z racji duzego sygnalu. Ich wada jest na tle tranzystorow bardzo wysoka cena. Zakres temperatury pracy zalezy od obudowy ( plastikowa - metalowa ) i jest taki sam dla ukladu monolitycznego jak i tranzystora. Monolityczny sensor i tranzystor wymagaja dopiero obudowania aby taki sensor moc zastosowac - montowac  na obiekcie.     

Pracownicy poteznego koncernu Motorola, która produkuje tranzystory - sensory temperatury oznaczone jako  MTS102-105 ( MTS - Motorola Temperature Sensor ) w zwyklej obudowie TO92,  w "Electronics" [3] omawiaja temat. Roznica napiec Vbe  dla MTS102 jest mniejsza od +-3mV , dla MTS103 4 mV a dla najgorszych TS105 jest mniejsza od  7 mV. Nic nie pozwala sadzic ze nie sa to normalne tranzystory a tylko poselekcjonowane na napiecia Vbe przy podanej temperaturze.   
Pracownik Hewlett-Packard z Loveland Instrument Division, daje przyklad [4] zastosowania sensorow MTS102-105 co sugeruje ze sa niezle bowiem HP produkuje jedne z najlepszych przyrzadow pomiarowych i skomputeryzowane systemy pomiarowe swiata. Podano tez ze uklad dobrzez pracuje z "masowym" tranzystorem 2N3904.

W rozwazaniach tranzystora jako m.in. sensora temperatury dobrze ma sie sprawdzac ponizsze rownanie [6]. Wyliczenie pochodnej Tc ( Temperature coefficent czyli wspolczynnik temperaturowy ) po T temperaturze przy stalym pradzie kolektora czyli czulosci sensora jest mozliwe.

Gdzie Vgo to "bandgap voltage"  ( przerwa energetyczna, pasmo zabronione,  teoretycznie (!) dla krzemu 1.205 V a praktycznie 1.2 - 1.22 V - 1.24 V z rekomendowanym 1.22 V ) , To - temperatura odniesienia z pradem odniesienia Io, Vbeo napiecie B-E w temperaturze odniesienia To z pradem Io. A n to bezwymiarowa "niedoskonalosc" najczesciej okolo 1.014.

Motorola dla swoich MTS... podaje unikalne dane. Dla  Io=100 uA, Vbeo=595 mV, To=Ta=25 C, czulosc Tc  ma wynosic nominalnie 2.265 mV/C z granicznymi wartosciami 2.28 i 2.26.  Tc wyliczona dla Vgo=1.22 V ze wzoru wynosi Tc=2.19 mV/c. Roznica nie jest duza ale skoro wzor ma bardzo dobrze odzwierciedlac rzeczywistosc to powinna byc mniejsza. Niemniej Vgo nie ma sztywnej wartosci i zalezy od technologii. Podana zaleznosc dTc/dUbeo zgadza sie natomiast idealnie. Oczywiscie im mniejszy prad kolektora  tym troche wieksza czulosc sensora.

Sprawami normalizacji zajmuja sie bardzo dobrze wyposazone narodowe laboratoria. Chociaz dla sensora RTD PT100 obowiazuje standard ITS-27 to prace normalizacyjne  trwaja dalej i raczej bedzie on troche zmieniony. Nie dysponujac unikalnymi i bardzo drogimi przyrzadami badanie nieliniowosci sensorow nade wszystko wymaga pomyslowosci i determinacji. Wyniki powtarzanych pomiarow trzeba jeszcze opracowac programem komputerowym. Z wykonanych pomiarow sprzezonymi cieplnie, zlinearyzowanym sensorem PT100 i tranzystorem wynika ze nieliniowosc tranzystora jest kwadratowa z maksimum bledu przy okolo 70C. 
Z wykresu z dokumentacji MTS.. wynika ze bliski kwadratowemu blad nieliniowosci MTS.. w przedziale temperatur -40...160C ( maksymalna dopuszczalna wynosi jednak 150C ) wynosi -2...1.2 mV.

Blad wyliczony ze wzoru ma dokladnie taki sam ksztalt i maksimum przy temperaturze 69 C ( czyli tak samo jak dla MTS...) ale jest circa dwukrotnie mniejszy ! Nie wiadomo wiec czy Motorola sie pomylila w pomiarach o co wcale nie jest trudno ( w katalogach sa bledy ! ) czy wzor nie jest doskonaly.
Cytat: "Higher temperature accuracies can be achieved if the collector current, Ic is controlled to react in accordance with and to compensate for the linearity error.
Using this concept, practical circuits have been built in which allow these sensors to yield accuracies within +- 0.1 °C and +- 0.01 °C."
Od razu sugeruje to rozwiazanie podobne co do samej idei, do linearyzacji PT100 gdzie slabiutkie dodatnie sprzezenie zwrotne wytwarza ujemna opornosc linearyzujaca. Nie wiemy jednak czy opornosc ma byc dodatnia czy ujemna i jaka ?

NB. Gdy gorny zakres temperatury sensora  jest ponizej 50 C lub dolny zakres jest powyzej 70C linearyzacja jest praktycznie zbedna. Im szerszy jest zakres pomiaru tym linearyzacja  jest coraz bardziej potrzebna i konieczna.

Przy stalym pradzie kolektora sensora nieliniowosc we wzorze wnosi trzeci czlon rownania na Ube (T ). Przyjmijmy dla uproszczenia ze wspolczynnik nieidealnosci tranzystora wynosi 1 a nie typowo 1.014. Wowczas sume logarytmow z trzeciego i czwartego wyrazenia mozna zastapic jednym logarytmem z iloczynem argumentow. Jesli Ic bedzie proporcjonane do T to nieliniowosc znika !
Uzyskamy to zasilajac sensor opornikiem z napiecia ...  Vgo czyli wprost z Gandgap Reference !  To wcale nie jest dziwne bo caly czas krecimy sie wokol wlasnosci fizycznych samego i domieszkowanego krzemu. W temperaturze zera absolutnego przez opornik plynie zerowy prad ! W pierwszym najprostszym ukladzie GandGap Reference R.Widlara  jest sumowane napiecie Ube z niezrownowazeniem ekstremalnie niezrownowazonej pseudo pary tranzytorow o powierzchniach roznych przynajmniej z 10 x razy. Mimo iz sa juz lepsze rozwiazania to w regulatorach rodziny 78XX i innych nadal jest stosowana wariacja tego rozwiazania. 
Nieidealnosc n mozna przedstawic jako 1.014 = 1 + 0.014 i niskompensowana jest tylko nieliniowosc od 0.014 ale i ja mozna aproksymacyjnie do-kompensowac.
Czyli zasilajac tranzystor jako sensor temperatury zrodlem pradowym nieliniowosc sensora jest maksymalna i spada przy zasilaniu rezystorem ze zrodla napiecia az do napiecia Bandgap Reference gdy jest wyeliminowana.
Idee ta zastosowano w termometrze w [5]: "Figure 8 illustrates an electronic thermometer using an inexpensive silicon transistor as the temperature sensor. It can provide better than 1 C accuracy over a 100 C range. The emitter-base turn-on voltage of silicon transistors is linear with temperature. If the operating current of the sensing transistor is made proportional to absolute temperature the nonlinearily of emitter-base voltage can be minimized. Over a 55 C to 125 C temperature range the nonlinearily is less than 2 mV or the equivalent of 1 C temperature change."

Wejscie ujemne odwracajacego wzmacniacza operacyjnego to Virtal Ground. Uklad LM113 to wlasnie odniesienie BandGap Reference 1.21 V. Tranzystor jest wiec zasilany tym napieciem poprzez rezystor R2=3 K czyli w temperaturze pokojowej pradem około 200 uA. Niedogodnoscia tego niepraktycznego i nieoptymalnego rozwiazania  jest:
-Uzycie dwoch nie tanich referencji LM113 
-Ujemny wspolczynnik Tc napiecia wyjsciowego
-Koniecznosc stosowania ujemnego napiecia zasilania nawet gdy w systemie nie jest ono nigdzie poza tym potrzebne
-Niepolacznie zyl ekranowanego przewodu do sensora z GND co wyklucza uzycie  taniego jednozyłowego kabla ekranowanego.
-W rezultacie pomiaru jest dryft dwoch referencji i niezredukowane ( analiza wrazliwosci ) dryfty rezystancji

 Gdy w systemie nie mamy napiecia BandGap Reference a tak z reguly jest, jednym opornikiem zasilamy uziemiony - GND sensor dzielnikiem ( drugi rezystor dzielnika jest  rownolegly do senora ) o jalowym napieciu BandGap Reference.
Czulosc Tc sensora ma znak ujemny i gdy napiecie z sensora wzmocnimy typowo bez odwrocenia fazy taki tez niepraktyczny znak ma wzmocniony mocno niestandardowy sygnal wyjsciowy.
Przy zasilaniu sensora rezystorem z napiecia wiekszego od BandGap Reference PROPONOWANY wspolpracujacy wzmacniacz odwracajacy ( na wejscie dodatnie podane jest napiecie kasujace offset U+  ) ma podparta napieciem U+ opornosc taka jak opornik wejsciowy. Mozemy opornik z zasilania i opornik wejsciowy wzmacniacza dac takie aby daly w miejscu sensora jalowe ( bez obecnosci sensora ) napiecie Band Gap.  Uzyskujemy pelna liniowosc i wlasciwy znak sygnalu ! Upieklismy dwie pieczenie na jednym ogniu ! Wydaje sie ze uklad ma najmniejsza z mozliwych wrazliwosc na rezystory. Tranzystor jako sensor nie jest ratiometryczny ale i tak w circa 1/20 dryt napiecia zasilajacego sensor i dzielnik usuwajacy offset jest zredukowany a nie powiekszony.
Dolaczenie sensora do ujemnego wejscia wzmacniacza poprzez rezystor chroni tez delikatny wzmacniacz przed zniszczeniem przepieciami. Z uwagi na mozliwosc detekcji zaklocen radiowych na wyjsciu kabla sensora ( czyli w systemie ) najlepiej jest dac kondensatorek elektrolityczny ! Jego stratnosc i opadanie pojemnosci w funkcji czestotliwosci sa tu zaleta. Jest to osobny temat. Aktywnosc radiotelefonu nie ma zadnego wplywu na prace ukladu.

Tam gdzie temperatura jest mierzona lokalne czyli bez dlugiego przewodu do sensora z malymi wymaganiami, uklad wzmacniacza operacyjnego moze byc za drogi lub za klopotliwy ( koniecznosc ukladu zasilania ), lokalny na PCB tranzystor sam moze byc swoim wzmacniaczem. Niestety trzeba wziac pod uwage  takie efekty jak efekt Earlyego, zmiennosc wzmocnienia pradowego w funkcji temperatury, zmiennosc pradu kolektora, zmiana opornosci wejsciowej tranzystora. Optymalizacja takiego ukladu jest trudna.  Niemniej uklad taki w produkcji masowej jest jak najbardziej uzyteczny.
Lokalny tranzystor - sensor moze byc elementem komparatora ( w ukladzie nie ma oczywiscie komparatora ! )  do zadawanej ( pokretlo, mikrokontroler wyjsciami binarnymi ) dwupolozeniowej regulacji temperatury w pralce, lodowce, zmywarce (!), boilerze, podgrzewaczu... Uklad taki z dwoma tranzytorami ( w tym jeden jest sensorem ! ) steruje przekaznik zalaczajacy odbiornik sieciowy 220 V i jest calkiem dokladny w przeciwienstwie do bimetalu.

Zwrocmy uwage ze tranzystor - sensor uzyty jest w zlozonym elektrotermicznym ukladzie regulacji pradu spoczynkowego tranzystorow mocy akustycznego wzmacniacza mocy. Problem stabilizacji pomyslowo rozwiazali dopiero producenci japonscy w swoich wyrobach o szokujaco wysokich parametrach. Prad spoczynkowy u konkurencji mocno sie zmienia pod obciazeniem  i niektorzy, moze maja ciut racji, twierdza ze wzmacniacz gra jak trzeba dopiero gdy sie troche nagrzeje !

Co do pozornie ogromnej ilosci typow tranzystorow. W amerykanskiej standardowej serii tranzystorow 2NXXXX, liczba w oznaczeniu w pierwszych latach siedemdziesiatych przekroczyla 6000. Tranzystor bipolarny dynamiczny rozwoj ma juz za soba ale w miare wzrostu rozdzielczosci Ft z obecnych 10 siegnie dziesiatkow GHz. Teraz gwiazda jest tranzystor Mosfet.
Niektorzy producenci z USA i Japonii oferuje tez hurtowo same wstepnie przetestowane na "waflu"  chipy tranzystorow i ukladow scalonych. Chipy ( podano na hermetycznym opakowaniu oznaczenie procesu  nie rynkowy typ ) kupuje tez po cichu nieudolny CEMI. Chip popularnej diody prostowniczej rodziny 1N400X jednego z producentow wazy 97 mikrogramow. Struktura po umieszczeniu w obudowie jest juz testowana ( operacja montazu moze rzadko uszkodzic chip lub moze byc wadliwa ) jako tranzystor ( uklad scalony ) i po  selekcjonowaniu oznaczany na obudowie. W katalogu podano ze jedna ze struktur tranzystora po selekcjonowaniu ma 32 wymienionych oznaczen w ramach rynkowych serii 2N i BD. Kryteria selekcji sa proste, na przyklad Uceo. W przypadku tranzystorow mocy spadek wzmocnienia pradowego przy najwiekszym pradzie wyznacza prad maksymalny typu tranzystora. Porzadni producenci silnym impulsem inicjuja II przebicie obudowanego tranzystora mocy ( jest momentalnie przerwane i struktura w ogole tego nie odczuwa ) i znaja faktyczne granice bezpiecznej pracy SOA i na tej podstawie tez jest selekcja i eliminacja (!) za delikatnych egzemplarzy. Dbajac o marke byle czego sie nie sprzedaje.  To wyjasnia dlaczego tranzystory porzadnych producentow sa nieomalze pancerne i trwale a innych sa strasznie delikatne.
Chipy wspolczesnie produkowanych tranzystorow BC109,8,9 - 14.., 23.., 41.., BC54... i wielu innych pochodza z tego samego wafla z oznaczonego procesu, ktorych duzi producenci o pelnym asortymencie maja kilkadziesiat.  Wspolczesnie wyprodukowany  tranzystor BC107 jest  lepszy niz ten sprzed lat.
 

LITERATURA.
1.An Exact Expression for the Thermal Variation of the Emitter Base Voltage of Bipolar Transistors, Robert J. Widlar, IEEE Proceedings, January, 1967, pp 96,97
2.Accurate Analysis of Temperature Effects in Ic-Vbe Characteristics with Application to Bandgap Reference Sources, Yannis P. Tsividis, IEEE Journal of Solid State Circuits,  December 1981, pp 1076-1084
3.Transistors-A Hot Tip for Accurate Temperature Sensing, Pat O'Neil and Carl Derrington, Electronics 1979, pp 137-141
4.Semiconductor thermometer is accurate over wide range, Electronics Designer's Casebook 4, Larry G. Smeins, Hewlett-Packard Co., Loveland Instrument Division, Loveland, Colo., Electronics Magazine 1980, pp 135-136
5.Application Note 56. 1.2 V Reference. National Semiconductor, December 1971.
6.Silicon Transistor Biasing for Linear Collector Current Temperature Dependence, J.S. Brugler,  IEEE Journal of Solid State Circuits, June 1967, pp 57-58