Термодиод что это: Диод как датчик температуры- функция полупроводника – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Термодиоды и термотранзисторы

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от— 80 до +150 °С. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем р-n-перехода и для отдельных типов германиевых датчиков достигает 200 °С, а для кремниевых датчиков — даже 500 °С. Нижняя граница температурного диапазона термодиодов и термотранзисторов определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для германиевых датчиков — (240 — 260) °С, для кремниевых —200 °С.

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.

Связь между током I через р-n-переход (диода или транзистора) и падением напряжения V на нем определяется определенным уравнением. Это уравнение определяет ток через переход как при прямом так и при обратном  смещении перехода. Из известных уравнений и формул можно увидеть что, и прямой и обратный токи р-n-перехода являются функциями температуры. Для измерения температуры в основном используются открытые p-л-переходы. Теория показывает, что падение напряжения на открытом р-n-переходе при токе I через переход определяется приближенной формулой, из которой видно, что падение напряжения линейно зависит от температуры и уменьшается с увеличением температуры. Температурная чувствительность р-п-перехола по напряжению составляет Sθ ≈ 1,5 мВ/К. Сравнивая между собой коэффициенты температурной чувствительности для падения напряжения на р-л-переходе и термо-ЭДС термопар, работающих в этом же температурном диапазоне (например, хромель — копель), можно сказать, что чувствительность р-л-перехода примерно в 100 раз выше чувствительности термопар.

На рис.1 представлена схема преобразователя температуры в частоту с диодом ТД типа Д9 в качестве термочувствительного элемента. Диод ТД подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выполняюшему функцию интегратора.

На инвертирующий вход этого усилителя подается напряжение с делителя. Делитель и термодиод питаются стабильным током (Iтд = 1 мА) от источника опорного напряжения, задаваемого диодом Д1. Интегратор сбрасывается через транзистор Т1, когда конденсатор С1 заряжается до напряжения 10 В. Время заряда конденсатора и, следовательно, частота импульсов на выходе интегратора зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается напряжение на диоде ТД и увеличивается разность напряжении на входах усилителя. Регулировка чувствительности (S = 10 Гц/К) осуществляется изменением сопротивления R2, регулировка нуля — изменением сопротивления R1. Диапазон измерений преобразователя 0—100 °С, погрешность не превышает ±0,3 °С.

Диод как датчик температуры- функция полупроводника

Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.

Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).

Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.

Именно поэтому рабочая температура полупроводников имеет определённые ограничения

Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.

В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.

Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.

В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.

Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.

 Диод как датчик температуры

Данные по падению напряжения на диодах

При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется).  Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.

Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).

Диод как датчик температуры

Схема термометра на диоде.

Датчики температуры для микроконтроллера

На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.

Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.

Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.

Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.

Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.

 

Прочие сферы применения

Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах,  электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.

Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:

— относительная дешевизна;

— скромные габариты;

— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;

— превосходная чувствительность и точность.

Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Термодиод

Cтраница 1

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от — 80 до 150 С. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем p — n — перехода и для отдельных типов германиевых датчиков достигает 200 С, а для кремниевых датчиков — даже 500 С. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для германиевых датчиков — ( 240 — — 260) С, для кремниевых — 200 С.  [1]

Достоинствами

термодиодов и термотранзисторов являются высокая чувствительность, малые размеры и малая инерционность, высокая надежность и дешевизна; недостатками — узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразования. Влияние последнего недостатка уменьшают применением специальных цепей.  [2]

Основными преимуществами термодиодов и термотранзисторов являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости и, главное, дешевизна, позволяющая применять их в датчиках одноразового употребления.  [3]

Диоды, используемые в качестве термочувствительных элементов, называют термодиодами. Промышленность не выпускает специально предназначенных для этой цели диодов, и разработчики средств автоматики применяют серийные приборы. Если при разработке возникают требования к инерционности чувствительного элемента, которым серийный диод не соответствует, пользуются бескорпусными приборами, на базе которых создают специальную конструкцию чувствительного элемента.  [5]

Для измерения температуры от — 80 до 150 С применяют термодиоды и термотранзисторы, у которых под действием температуры изменяется сопротивление р — n — перехода и падение напряжения на этом переходе. Эти преобразователи обычно включают в мостовые цепи и цепи в виде делителей напряжения.  [6]

В датчиках электрических психрометров используются термопары, термометры сопротивления и полупроводниковые термисторы и термодиоды.  [7]

А; Д2 — от 0 3 до 10 А; ДЗ — магнито — и термодиоды; Д4 — диоды импульсные с временем восстановления более 500 не; Д5 — от 500 до 150 не; Д6 — от 150 до 30 не; Д7 — от 30 до 5 не; Д8 — от 5 до 1 не; Д9 — менее 1 не; И1 — диоды туннельные усилительные; И2 — диоды генераторные; ИЗ — диоды переключательные; И4 — диоды обращенные; С1 — стабилитроны и стабисторы с рассеиваемой мощностью не более 0 3 Вт и напряжением стабилизации менее 10 В; С2 — от 10 до 100 В; СЗ — более 100 В; С4 — от 0 3 до 5 Вт и менее 10 В; С5 — от 10 до 100 В; С6 — более 100 В; С7 — от 5 до 10 Вт и менее 10 В; С8 — от 10 до 100 В; С9 — более 100 В.  [8]

При включении термотранзистора в качестве двухполюсника в схемах рис. 5.19, а и б используется только один из р-п переходов и свойства прибора не отличаются от свойств термодиода. При включении термотранзистора по схеме со свободной базой ( рис. 5.19, в) обратный ток коллекторного перехода оказывается значительно больше обратного тока коллектора при той же температуре и включении по схеме со свободным эмиттером. Зависимость обратного тока в схеме со свободной базой от температуры описывается тем же выражением, что и температурная характеристика диода.  [10]

Электронно-дырочный переход ( р-п переход) обладает свойством односторонней проводимости, и простейшим прибором, основанным на использовании свойств р-п перехода, является диод. Сочетание двух и более р-п переходов в одном кристалле при определен

Тепловое диод — Thermal diode

Термин « термодиод » иногда используются для (возможно неэлектрического) устройства , которое позволяет теплу проходить преимущественно в одном направлении. Или же , этот термин может быть использован для описания электрического ( полупроводниковый ) диода в качестве ссылки на тепловой эффект или функцию. Или этот термин может быть использован для описания оба ситуаций, в которых электрический диод используются в качестве теплового насоса или термоэлектрического охладителя.

Односторонний поток тепла

Тепловой диод в этом смысле представляет собой устройство , чье тепловое сопротивление отличается для теплового потока в одном направлении , чем для теплового потока в другом направлении. Т.е., когда первый терминал термодиода является более горячим , чем второй, тепло будет легко протекать от первого ко второму, но когда второй терминал горячее , чем первый, мало тепла будет течь от второго к первому.

Такой эффект был впервые обнаружен в меди — меднозакисным интерфейс с Chauncey Starr в 1930 году . Начиная с 2002 года, были предложены теоретические модели для объяснения этого эффекта. В 2006 году были построены первые микроскопические термические диоды твердотельные. В апреле 2015 года итальянские исследователи CNR объявили о разработке рабочего термодиода, публикации результатов в Nature Nanotechnology .

Тепловые сифоны могут выступать в качестве теплового потока в одном направлении. Тепловые трубы , работающие в гравитации могут также иметь этот эффект.

Электрический диод тепловой эффект или функция

Сенсорное устройство встроен на микропроцессорах, используемых для контроля температуры пресс-формы процессора также известен как «термодиода».

Это приложение теплового диода основано на свойстве электрических диодов для изменения напряжения на нем линейно в зависимости от температуры. При повышении температуры, прямого напряжения диодов уменьшается. Микропроцессоры, имеющие высокую частоту сталкиваются высокие тепловые нагрузки. Для того, чтобы контролировать температурные пределы используются тепловые диоды. Они, как правило, помещают в той части ядра процессора, где встречается высокая температура. Напряжение, развиваемое на ней изменяется в зависимости от температуры диода. Все современные процессоры Intel имеют на кристалле тепловых диодов. Поскольку они прямо в середине обеспечивает наиболее подходящие значения температуры процессора. Кремниевые диоды имеют температурную зависимость -2mV на градус Цельсия. Таким образом, мы можем определить температуру перехода путем пропускания тока через диод, а затем измерение напряжения, разработанное через нее. В дополнение к процессорам, та же самая технология широко используется в специальный датчик температуры ИС.

Термоэлектрический тепловой насос или охладитель

Есть два типа. Один использует полупроводник , или менее эффективный металл, т.е. термоэлементы , работающий на принципах эффекта Пельтье-Зеебек . Полагается на другой вакуумных трубках и принципах термоэлектронной эмиссии .

устройства Пельтье

Достижения

Команда на MIT работает для строительства тепловых диодов, которые преобразуют тепло в электричество при более низких температурах, чем раньше. Это может быть использовано в строительстве двигателей или в производстве электроэнергии. Эффективность нынешних тепловых диодов составляет около 18% от диапазона температур 200-300 градусов Цельсия.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

<img src=»//en.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Что такое диод ГП и каково его назначение

Диод ГП — это термодиод на графическом процессоре компьютера (GPU). Он отвечает за контроль температуры процессора. GPU занимается графическим рендерингом, то есть обрабатывает данные и отображает их в виде компьютерной графики. В современных видеокартах графические процессоры используются и в качестве ускорителя трехмерной графики.

Как и обычные процессоры, GPU греются во время своей работы. Чтобы контролировать их температуру, применяются термодиоды. Эти устройства способны работать в диапазоне температур от 80 до 150 градусов. Верхний предел рабочей температуры термодиода ограничивается температурой теплового пробоя электронно-дырочного перехода. В случае германиевых диодов он может достигать 200 градусов, а в случае кремниевых — 500 градусов.

Широкое применение термодиодов в качестве датчиков температуры определяется дешевизной их производства, малыми размерами и высокой надежностью. В основе работы термодиода лежит явление электронно-дырочного перехода. Если в одном кристалле диода сочетаются два и более электронно-дырочных перехода, его вольт-амперные характеристики могут изменяться в зависимости от внешних условий. Так, в термодиодах с изменением температуры меняется сопротивление перехода, что приводит к изменению напряжения.

С диодами ГП связана одна распространенная проблема — когда графический процессор испытывает большую нагрузку, термодиод быстро перегревается, что приводит к зависанию компьютера. Из такого состояния компьютер выводит только перезагрузка. Особенно часто такие случаи происходят летом, когда воздух в помещении прогревается до 27-30 градусов.

Если температура диода ГП без нагрузки составляет 70 градусов — это уже является признаком его перегрева. Когда на компьютере запускаются «тяжелые» игры, температура термодиода может доходить до 100-120 градусов, что и приводит к зависанию комьпютера. Конечно, сжечь что-нибудь в этом случае сложно — ведь компьютер оборудован системой защиты от перегрева. Но постоянный перегрев графического процессора сказывается на работе компьютера и может привести к уменьшению ресурса его электронных компонентов.

Чтобы избавиться от проблемы перегрева термодиода, в большинстве случаев достаточно почистить видеокарту от пыли, поменять термопасту на графическом процессоре и проверить исправность работы кулера.

Я задействовал термодиод на AthlonXP!


(кликните по картинке для увеличения)

ОУ взял LM358, там их два, я задействовал один, второй можно использовать для мониторинга системной температуры, используя в качестве датчика обычный дискретный диод или транзистор. Схема подключается к 5VSB. На вход схемы ( IN ) подается сигнал с диода ( около 0.7В ), с выхода ( около 1.8В при +25 град. ) подается на вход микросхемы мониторинга. Подстроечным многооборотным резистором выставляется начальное выходное напряжение. Резисторы R1 и R2 выбираются такими, чтобы коэффициент усиления был 8. 8 потому, что при изменении температуры на 1 градус надо получить изменение напряжения в 16 мВ, а диод может только 2. В данной схеме коэффициент усиления будет 1 + (R1 / R2 ). То есть если R2 взять 1кОм, то R1 можно 7.5 кОм. ( не 7 потому, что на самом деле у диода не –2мв/град, а несколько меньше, 1.9 с чем то, или около того ). Подстроечный резистор номиналом 15 кОм. Собственно, про схему все, объяснять тут больше нечего.

Теперь о том, как тарировать показания. Лично я сделал так. Взял обычный термометр, который висит за окном и на улице температуру меряет ( он, кажется, спиртовой ). Взял термопару, прилагающуюся к мультиметру Mastech M890G. Посмотрел на их показания комнатной температуры. Спиртовой показал 23, а термопара – 21. Поскольку ( уж не знаю почему ) я больше доверяю спиртовому термометру, то ориентировался я на его показания. Никаких более точных термометров у меня нет, а извращаться с тающим льдом ( который ровно 0 градусов) что-то не очень хочется пока. Запустил комп, вошел в биос. Температура процессора в таких условиях растет весьма медленно, поэтому я мерял температуру подошвы радиатора ( там, где он горячее всего ). Прикинул, что само ядро горячее подошвы на 3 градуса. Плюс 2 градуса, которые «недомеряет» термопара. В итоге, при показаниях термопары мультиметра в +40 градусов, в биосе выставил +45 градусов при помощи подстроечного резистора. На этом тарировка, как я полагаю, закончена.

Теперь об испытаниях. Процессор у меня работает на 1759 МГц при напряжении 1.6 В. В таком режиме температура при запуске Prime95 росла медленно. Поэтому я увеличил напряжение до 1.8 В, чтобы изменения температуры были более заметными. В винде при простое температура была +43. При запуске Prime95 температура мгновенно прыгает до отметки +46, а далее в течение нескольких минут – до +51. Далее в течение получаса она не меняется. При закрытии Prime95 температура не менее мгновенно падает с +51 до +47, далее в течение нескольких минут – до +43. При запуске компа температура – около +36. Все измерения температур в винде проводились с помощью МВМ 5.3.7.0. Значения достаточно правдоподобные, изменяются оперативно, так что есть все основания полагать, что эксперимент по включению термодиода на Athlon прошел успешно. Сейчас, когда я пишу эти строчки, температура меняется +40-+41.

Теперь пару слов о линейности. Я писал уже в первой части, что зависимость подаваемого сигнала на вход микросхемы от температуры, индицируемой в биосе заметно нелинейна. Но пораскинув мозгами, выяснил, что погрешность нелинейности невелика, максимум – 2-3 градуса. С учетом погрешности тарирования на это можно не обращать внимания.

Теперь можно подвести некоторые итоги.
1. Микросхема мониторинга температур W83697HF ( или W83627HF ) разрабатывалась изначально для терморезистора, поэтому чувствительность у нее маленькая – 16 мВ/градус в отличие от диода с его 2мВ/градус.
2. Те люди, которые утверждают, что можно снимать показания температуры по диоду, напрямую подсоединив его вместо терморезистора – явно плохо изучили этот вопрос. Без дополнительной схемы усиления это сделать нельзя.

Собственно, это все. Обсуждение здесь:

https://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?t=62664

Температура процессора

В тексте будет использоваться термин ‘измерение’, но все знают, что для измерения чего-либо требуются калиброванные и поверенные приборы, а найти такие в домашних условиях представляет некоторые сложности. Для некалиброванных приборов (точность 5 и выше) надо использовать термин ‘индикатор’ … но не все сразу поймут, о чем речь. Программные способы не имеют точность априори.

  1. пальцем по радиатору
  2. по запаху и наличию дыма
  3. программно с термодатчика на материнской плате
  4. программно с термодиода на материнской плате
  5. программно с диода в процессоре
  6. программно с внутреннего измерителя температуры процессора (DTS)
Ну, второй вариант мы опустим, хоть и он имеет право на жизнь — иногда специально применяются компоненты с низкой температурой плавления. Типичный пример – датчик пожарной сигнализации.

Первый вариант, при кажущейся глупости, дает весьма неплохую точность и достоверность. В самом деле, любой человек легко отождествит температуру порядка 36 градусов. 40-45 градусов ощущается как ‘горячо’, 50-55 как ‘очень горячо’, а 60 градусов и выше — просто нельзя удержать палец. Интересно, что 30-60 градусов как раз соответствует нормальному диапазону температур радиатора процессора.

Третий вариант кажется надежным, но вот как раз он и может дать даже худшую достоверность, чем первый способ. Дело в том, что в качестве измерительного датчика используется элемент с нелинейной зависимостью его характеристик от температуры. Собственно, не представляет трудности весьма точно пересчитать сопротивление в температуру, только никто так не делает. В микросхемах мониторинга применяют принцип табличной аппроксимации, при которой сопротивлению терморезистора (точнее напряжению на входе) ставится в соответствие температура. Таблица не на все значения, гораздо меньше, между табличными значениями делается линейная аппроксимация. Просто, наглядно и совершенно неточно. Т.к. есть сопряжение линейных и нелинейных параметров, то этот метод может давать эффект пропуска и удвоения значений. Точнее не ‘может’, а дает. При монотонном повышении температуры достаточно часто наблюдал проскакивание некоторых чисел, что-то типа 45-45.5-46-47-47.5. Наверно, были последовательности и -47.5-47.5-, но их сложно ‘на взгляд’ отличить от 47-47.5-48. К ошибкам преобразования надо добавить разброс параметров и временную нестабильность терморезистора. Мониторинг настраивается на некоторый тип датчика, но в процессе выпуска материнской платы терморезистор может заменяться на аналогичный других производителей, что дополнительно внесет искажения в измеряемые величины. Уж сколько раз было, что при выходе новой версии BIOS съезжали показания температур.

Четвертый вариант свободен от недостатка третьего, датчик на диоде (p-n переходе) в диапазоне температур 0…70(до 100, зависит от упаковки) градусов имеет линейные характеристики. При постоянном токе изменение напряжения на нем равно ‘-2mV’, умноженному на температуру. Число ‘-2mV’ константа для кремниевого полупроводника, знак ‘-‘ говорит о том, что при нагреве напряжение на p-n переходе уменьшается. Перевести напряжение в температуру не сложно, достаточно вычесть некоторое смещение Vo и умножить на коэффициент пересчета. Вычитание и умножение делается на обычном усилителе. Т.о. имеется средство измерения температуры, которое имеет крайне высокую точность и повторяемость (по сравнению с терморезистором), но, увы, не лишенную недостатка — при измерении температуры надо вычитать Vo, а вот оно-то очень сильно зависит от множества параметров! Наиболее значимые — размеры p-n перехода и ток через него. Чем более мощный полупроводниковый элемент, тем меньше на нем падает напряжение при том же токе. Это означает, что в одной и той же схеме можно использовать различные полупроводниковые элементы, важно лишь подобрать ток для сохранения прежнего Vo. Обычно Vo задано в микросхеме мониторинга, и при замене датчика лучше не менять это смещение (хотя его можно корректирова

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о