如何使用二极管作为温度计

这篇文章是AAC模拟电路采集的一部分，提供了一个简单的电路，允许你用一个二极管和一个BJT来测量温度。

如果你曾经花了一个周六的下午浏览二极管数据表中的图表和性能曲线，你可能会注意到一个有趣的细节:一个标准的硅二极管在正向电压和温度之间有一个愉快的线性关系。例如，如下图所示从数据表Vishay制造的1N4148二极管:

从这数据表．

如果正向电流保持不变，正向电压随温度的升高而线性下降。即使正向电流略有变化，你仍然可以做出一个像样的温度计，但电压和温度之间的关系不是线性的。另一个值得注意的细节是，斜率的大小随着正向电流的减小而增加;换句话说，在正向电流较低时，正向电压对温度变化更敏感。

假设你有一个二极管，它的正向电流变化不大。我们也可以说，电路有一个有源组件，可以放大二极管的相当小的温度引起的正向电压变化。我们甚至可以说，然后你将这个电路连接到某个东西，它可以将这些放大的正向电压变化转换成某种可见的变化(想到了万用表)。如果这一切都成为现实，你会得到什么?温度计就是你会有的东西。一个二极管温度计。

电路

如果没有LTspice所提供的试错过程，我永远也不会找到一个像样的电路版本。这是原理图:

这件事比我想象的要复杂得多。我从一个直接取自我一本旧课本的电路开始。LTspice的原理图与书中的电路完全相同，甚至连二极管和BJT所用的部件编号都是一样的。据我所知，教科书版本几乎没有什么功能。它肯定不符合放大器输出与电路解释所附的温度图。

我做的第一个改变是添加R4(相比之下，教科书中的电路有二极管的阴极直接连接到地)。这个电阻增加了二极管阳极的电压，使之能够更有效地对BJT的基极到发射极结进行正向偏置。我还把BJT和二极管换到了不同的部分，最后我甚至改变了R2的连接安排。长话短说，上面显示的电路与教科书版本有很大的不同(但愿比教科书版本更好)。

我现在告诉你，这篇文章不会提供一个精确的，严格的解释，我如何选择电阻器的值。我总是不能彻底地分析或理解这个电路，上面所示的最终版本是通过迭代模拟和许多困惑得到的。

在我的实验接近尾声时，我意识到一些事情可能是造成我所经历的大部分困惑的原因:我的模拟改变了整个电路的温度，而我只考虑了二极管对温度变化的反应。BJT也有pn路口!如果二极管受到温度的影响，那么BJT也会受到温度的影响。然而，我的目标是设计一个可以用作独立温度传感器的电路，而不是二极管与电路的其余部分分离的电路，这意味着我的模拟与目标是一致的。

仿真技术

我不会详述在LTspice中执行和绘制温度模拟的过程，因为这些信息可以从其他地方获得(这个页面,例如)。相反，我将简要地提到关键点:

• 使用”。一步临时……”SPICE指令的温度变化;在我的原理图中，我使用“。“Step temp min Max increment”语法。
• 操作点模拟似乎是一个合乎逻辑的选择，但据我所知，你必须做一个瞬态模拟，即使你只对稳态数据感兴趣。
• 要根据温度而不是时间绘制相关测量图，使用“。是SPICE指令，用于存储相关测量的数据(在我的例子中，是BJT的集电极电压)。然后直接从错误日志中绘制数据(更多信息)在这里）．

结果

我们知道二极管会随着环境温度的变化而产生电压变化。如果这就足够了，我们就不会再为BJT电路费心了。这里的目标是一个电路，放大二极管的电压变化，从而产生一个更有能力直接驱动某种指示器的温度计信号。首先让我们看看二极管电压与温度的关系图。

如你所见，电压和温度之间有一个很好的线性关系。然而，电压响应的幅度是相当小的。在60°C范围内，电压仅变化~70 mV。将其与输出电压与温度的关系图进行比较。

在相同的范围内，输出电压变化约1.7 V，这是一个重大的改进。我愿意称之为成功，但我高度怀疑这个电路是任何接近优化。此外，大放大的代价相当大，即高电流消耗。下图显示了Q1的集电极电流与温度的关系:

不幸的是，如今50毫安并不完全符合低功耗的标准，它不能与集成电路温度传感器相比，后者可能提供更好的性能，但在低微安的电流消耗下。

结论

我将是第一个承认这个电路更多的是一个智力练习，而不是一个实际的温度传感解决方案。不过，有可能比我更精通的人能够提出一个优化的实现，提供足够的性能、合理的功耗和直接的定制技术。

如果您想使用我的努力作为您的实验和分析的起点，请随时下载我的LTspice单击橙色按钮，绘制原理图。

DiodeThermometer.zip