二极管传感器在电路设计的应用 本文关键词：传感器，电路设计，二极管
二极管传感器在电路设计的应用 本文简介：【摘要】二极管具有典型的温度特性，基于这一特性可以利用二极管来制作温度传感器，在本文当中以温度测控为先导，结合相关的研究成果，采取文献分析法，综合分析法等方法，突出二极管的温度特性，并着重讨论了二极管传感器在温度测量前端电路设计当中的问题，仅供参考。【关键词】二极管传感器；二极管温度特性；温度测量；
二极管传感器在电路设计的应用 本文内容：
【摘要】二极管具有典型的温度特性，基于这一特性可以利用二极管来制作温度传感器，在本文当中以温度测控为先导，结合相关的研究成果，采取文献分析法，综合分析法等方法，突出二极管的温度特性，并着重讨论了二极管传感器在温度测量前端电路设计当中的问题，仅供参考。
【关键词】二极管传感器；二极管温度特性；温度测量；前端电路
1引言
在自动化控制领域，温度是非常重要的一个控制参数，针对温度进行测量的应用也非常广泛。二极管是当前应用最广泛的一种晶体管之一，由于其特殊的物理结构使得其在当今工业生产当中扮演着不可替代的角色，而二极管具有典型的温度特性，将其作为温度传感器则是一种可行的思路。
2二极管与温度测控
2.1温度测控
温度是一个与人们生活环境、生产活动密切相关的一个重要物理量。但温度与温标温度是不能直接加以测量的，只能用冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质，如随温度变化而变化的特性来进行间接的测量，而为了定量描述温度的情况，必须要有温标，它是温度的定量数值表示[1]。测量温度一般就是用温度传感器，而温度传感器一般由现场的感温元器件和控制室的显示装置两个部分组成。要进行一个具体的测量工作，首先要考虑的就是采用何种原理的传感器，对于温度测量来说，也是有很多种原理的传感器可以选用，哪一种传感器更为合适，是需要根据被测量物理量的特点以及传感器的使用条件来考虑的，同时还需要考虑量程、被测位置对传感器体积的要求，测量方式是接触式还是非接触式，信号的输出方法是有线还是无线等等，考虑好这些问题再去思考适合的传感器的性能指标，包括灵敏度、频率响应、线性范围、稳定性、精度等几个性能指标。像二极管传感器这种传感器，是利用二极管的温度特性制成，结构相对简单，工作可靠、稳定性比较好、价格也不高，可实现更为广泛的应用。
2.2二极管温度特性
二极管的温度特性源自于二极管的PN结，当施加给PN结正向偏置电流时，电压会随着温度而变化，并且在很大的温度范围上近乎以线性的形式表现这种变化，而且这种变化在宏观上是实时的，利用这样的特性可以制作出比较理想的温度传感器，在二极管的适合温度范围内去获得较为理想的测温效果。具体来说，温度对二极管的性能有比较大的影响，这种影响力的变化近似线性变化，当温度升高时，反向电流将呈现指数规律的增加，以硅二极管来说，温度每增加8℃，反向电流将增加约一倍[2]。但正向压降会减小，在相关的实验当中已经论证了，当温度每升高1℃，正向压降大约降低2mV，依据这样的特性就可以用二极管作为感温元件制作温度传感器。假设二极管传感器是用来做低温测温的，那么考虑用硅二极管，可以在78～300k范围内保持相当好的PN结电压/温度线性关系，可通过在测温点附近实测出电位对温度的梯度作为线性定标的依据，并可以进行较为准确的温度测量。
3二极管传感器应用电路
3.1二极管传感器应用电路的总体思路
对于温度测试而言，将二极管作为传感器来测量温度，考虑将二极管因为温度变化而出现的不同电流值通过转换电路转换成电压值。再通过差动放大器，将电路分为两路，一路通过同相比较器，当电压值超出预定的温度值时，那么绿色的指示灯亮，并且通过驱动电路时制冷继电器带动电器元件工作来降温[3]。另一路则通过反相比较器，当电压值不足温度设定值，那么红色指示灯亮，并且通过驱动电路来控制另一个继电器工作，使制热电气设备工作。这样就可以做出一个相对比较完整的温控系统。使用1N4148二极管来制作成温度传感器和集成运放设计温度测量与控制电路，测量温度的范围要求是-65～200℃，工作电路二值输出，并且控制继电器工作实现加热与制冷的转换控制，将温度控制在40～60℃内，并且要求电路具备加热与制冷指示功能。
3.2二极管传感器应用电路设计流程
传感器的测控电路设计一般会经过选定设计方案、设计工作原理、计算并且选择相应的参数，并进行误差分析，然后进行结构设计，进一步绘制出机械结构图与电气原理图，形成具体的设计方案。根据设计任务给出的被测参数包括测量的种类、使用条件、精度要求等，选择能够完成设计任务的传感器，要求确定敏感元件的类型（此处为二极管）、传感元件的种类，测量、控制电路的类型与要求。测控电路电源类型、辅助电源类型，当然上述需要确定的内容在设计中可能不会全部用到，但有备无患。根据传感器的性质来设计传感器的数学模型，用数学建模的方法来确定传感器工作原理分析、参数计算与选择、误差分析的计算方法。建立好数学模型后，计算模型中结构系数与相关系数，并且进行线性化处理得到线性数学模型，再进行误差分析，实际相关教材当中有具体的方法可以用。根据误差分析的结果，确定电路需要采用何种结构形式，包括差动式、闭环式以及补偿式又或者是考虑电路补偿或软件处理等方式来消除误差影响因素，最终确定好测控电路的结构形式。并且注意考虑温度的影响，针对电路结构的稳定性进行分析，得到电路中各个元件的温度系数值，然后根据这一个结论来确定元件。
3.3二极管传感器应用电路实验设计
1N4148二极管电压值随温度变化转换，设计反向输入型转换电路，加入运算放大器，其输出电压与二极管电流呈正比，实现电流与电压的转换。为了保证转换精度和适应的测温范围，在电路当中加入适当的输入阻抗和输出阻抗，保证转换的电压值与输入电流值成线性关系。差动放大电路方面输入电压设置在运放的反相端，+12V的电源则设置在同相端。而为了保证运放输入的平衡性，则在电路中加入相等输入电阻（可用滑动变阻器）在实际操作中调节滑动变阻器的电阻值，来使两个电源之间的电阻保持平衡（相等），然后在电路中再使用一个滑动变阻器，这个可调节的变阻器用来调整电路的放大倍数。此时电路的输出以及两个输入电压的差值成正比，可以实现差分运算，差分输入电路能够有效地防治共模干扰电压。比较器电路方面有两个部分，包括同相比较器电路和反相比较器电路。在电路中均设置可调节电阻值的电阻元件。在同相比较器电路中用可调节电阻来调节所设定的检测门限电平，该电阻接在比较器的反相输入端，用来与同相输入端的输入电压比较。当输入电压大，输出的就是正电压。对于反相比较器电路中的可调节电阻是用来调节所设定检测门限电平的，接入的是比较器的同相输入端，用来比较反相输入电压，当输入电压小，输出的也是正电压。驱动电路部分，当输入电压是定值（为正值）发光二极管发光，电路中接入的三极管导通，继电器得电闭合使加热或制冷设备工作。设计中所用到仪器仪表包括焊接电路板一个，运算放大器1片，三极管2个，二极管3个，继电器2个，发光二极管两个（红、绿各一个），电阻若干，导线若干，直流稳压电源5V和12V，电洛铁，万用表，水银温度计，电水壶。
4结语
综上所述，二极管的特性有很多，而温度特性可以用来做温度传感器，在本文当中简单地进行了讨论，并且结合了运放技术实验设计了二极管传感器在温度测试前端电路，当然作为实验设计方案，本文所设计的电路可作为类似电路设计的参考。
【参考文献】
[1]牛卫丛，衣文索，王家宁，等.分布式光纤测温系统中APD探测电路设计[N].吉林大学学报（信息科学版），2017，35(6):597-602.
[2]苏震，梁小龙.光敏二极管传感器在几个特定条件下的响应状态分析[N].中国传媒大学学报：自然科学版，2012，19(1):19-23.
[3]李兴和，曹家斌.利用二极管温度特性的简易温度传感器设计与实现[J].电子测试，2019，407(02):43-44.
作者：杨春玲 单位：临汾职业技术学院
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