Два

Когда им нужно добавить в проект контроль температуры, многие хакеры обращаются к термопаре типа K для своих высокотемпературных нужд или к встроенной микросхеме, чувствительной к температуре, когда она не так сильно нагревается. Термопара использует очень малые токи и чрезвычайно высокий коэффициент усиления, и для ее считывания вам понадобится специальная микросхема, которая может быть дорогой. Микросхемы не такие дорогие, но их использование в основном ограничивается кипящей водой. Что делать, если вы хотите управлять печью оплавления?

Есть более дешевый способ, который охватывает диапазон между антарктической зимой и расплавленным припоем, и детали, вероятно, уже есть у вас на полке. Даже если вы этого не сделаете, это будет стоить вам всего лишь лишних два цента, если предположить, что в вашем проекте уже есть микроконтроллер с АЦП. Спецификация: обычный диод и резистор.

За последний год я использовал диоды в качестве датчиков температуры в трех проектах: один — обжарочная машина для кофе, которая нагревает зерна до 220 °C в горячем воздухе, другой — конфорка для оплавления, максимальная температура которой достигает около 210 °C, а третий — утюг для переноса тонера, который очень стабильно держит температуру 130 °C. Во всех этих случаях меня не особо волнует фактическое числовое значение температуры — важна только воспроизводимость, поэтому я никогда не удосужился что-либо калибровать. Я подумал, что сделаю это правильно для Hackaday и попытаюсь довести скромный диод до предела для науки.

Результатом стал пожар печатной платы, отпайка тестовых схем при температуре выше 190 °C, отсоединение датчиков температуры и, наконец, сломанная формочка и арахисовое масло, нагретое до 200 °C, по всему моему столу. Веселые времена! С другой стороны, мне удалось получить достаточно данных для калибровки некоторых диодов, и результаты фантастические. Тестируемые схемы включали в себя как лучшие практики, так и самые простые вещи, которые могли работать, и результаты довольно близки. Это определенно тот метод, который вы захотите иметь под рукой для большинства температурных диапазонов. Дьявол, конечно же, кроется в деталях, так что читайте дальше!

Мы все знаем, каково прямое падение напряжения у обычного кремниевого диода, верно? 0,6 В или 0,7 В или около того, и этого достаточно для многих вычислений на салфетке. Но это падение напряжения зависит от двух основных факторов: тока, проходящего через диод, и температуры. Если вы удерживаете ток фиксированным и измеряете прямое напряжение, вы получаете датчик температуры. Хотя он может немного различаться в зависимости от диода, рассчитывайте на отклик -2 мВ/°C.

Поддерживать «фиксированный» ток можно так же просто, как использовать резистор: поскольку прямое напряжение диода не сильно меняется, ток через резистор почти постоянен. Все, что вам нужно сделать, это выбрать подходящее значение резистора. Следующим шагом является создание источника постоянного тока из двух транзисторов. Я тестирую оба эти метода здесь.

Хотя это не новость. Следующим шагом по сложности, используемым в большинстве микросхем измерения температуры, является «кремниевый датчик температуры запрещенной зоны». Вместо диода используются два транзистора, а синфазные недостатки компенсируются операционным усилителем. Это прекрасно работает в микросхемах, где два транзистора могут быть почти идентичными и иметь одинаковую температуру, но для целей «сделай сам» это добавляет больше сложности, чем пользы. Вот технический документ, если вы хотите углубиться в детали.

Однако вместо того, чтобы стремиться к точности, измеряемой долями градуса, меня интересует приблизительная оценка того, насколько точными могут быть самые простые самодельные хакерские решения. Что вы получите, добавив настоящий источник постоянного тока? Стоит ли оно того? Давай выясним.

Я взял семь диодов, шесть 1N4148 и 1N4002, и нагрел их вместе с термопарой К-типа и довольно хорошим мультиметром Fluke, который это считывает. 1N4148 — это стандартный слабосигнальный диод, который поставляется в корпусе из неплавкого стекла: он идеально подходит для наших целей. На три из 1N4148 ток подавался через резистор сопротивлением 10 кОм просто потому, что это хорошее среднее значение, и я хотел оценить разницу между диодами. Были выбраны два других номинала резисторов: 3,3 кОм и 100 кОм, что примерно соответствует разумному диапазону токов.