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Come posso utilizzare un transistor 2N2222 come sensore di temperatura?

Ciao, abbiamo la soluzione alla tua domanda, scorri e la troverai un po 'più in basso.

Soluzione:

TMP36 è specificamente un sensore di temperatura, non un transistor NPN come il 2N2222. Potresti averli confusi perché entrambi possono essere forniti nel pacchetto TO-92. È possibile esaminare le varie proprietà del transistor 2N2222 e correlarlo alla temperatura (vedere le altre risposte in questa pagina), ma ciò non sembra pratico per la propria applicazione.

Dovrai trovare un'alternativa adatta termometro che "forniscono un'uscita di tensione che è linearmente proporzionale alla temperatura Celsius" con un'uscita simile al TMP36 o provano un approccio diverso.

Se colleghi il transistor come un diodo e lo polarizzi con una corrente ragionevole, forse un paio di centinaia di uA, puoi leggere la tensione. Richiederà la calibrazione (diciamo a temperatura ambiente e 0°C in una sospensione di acqua ghiacciata.

La sensibilità sarà di circa -2 mV/K, quindi con un ADC con risoluzione di 5 mV avrai una risoluzione di 2,5 gradi C, non eccezionale.

Se lo colleghi come un moltiplicatore Vbe, diciamo con 5:1, e fai la media di molte misurazioni potresti essere in grado di ottenere una risoluzione utilizzabile di circa 0,5°C. O semplicemente usa un amplificatore operazionale.

Modifica: ecco un risultato della simulazione utilizzato come semplice moltiplicatore Vbe.

inserire la descrizione dell'immagine qui

0°C 3.591V

25°C 3.328V

50°C 3.057V

75°C 2.781V

100°C 2.500V

La corrente diminuisce all'aumentare della tensione (a causa dell'uso di un semplice resistore come sorgente di corrente) quindi la linearità non è eccezionale = 11,2 mV/K in media a 0..25°C e 10,5 mV/K in media a 75. .100°C, ma per escursioni ristrette intorno alla temperatura ambiente dovrebbe andare bene, oppure può essere corretto digitalmente. Con un ADC a 10 bit e 5V Vref la risoluzione è di circa 0,5°C, che è adeguata per molti scopi.

Ci sono tanto modi migliori per misurare la temperatura con un transistor, tuttavia la complessità è aumentata. L'utilizzo di transistor abbinati o correnti multiple (2 o 3) con un singolo transistor consente la cancellazione di molti dei parametri del transistor che variano da unità a unità, così come la resistenza di connessione. Sfortunatamente, la sensibilità è ridotta di almeno un ordine di grandezza, quindi è necessario un circuito analogico migliore.

Modifica/Epilogo:-

Ho provato questo con un singolo BJT collegato a diodo (base collegata al collettore) con un resistore da 10K al binario da 3,3 V regolato (e altrimenti inutilizzato) su un Arduino Nano. Riferimento impostato su 1,1 V nominale come suggerito da @EdgarBonet, sommato 100 letture sequenziali.

  1. Calibrato il voltaggio aggiungendo un moltiplicatore in modo che la lettura fosse accurata in mV rispetto a un DMM palmare a 3,5 cifre.

  2. Ha scritto l'equazione per la temperatura in base alla temperatura ambiente corrente e ai mV, con una stima di -2,0 mV/K per il coefficiente di temperatura Vbe.

  3. Testato a 0°C e 45°C rispetto a una termocoppia a sfera di tipo K.

  4. Regolato da 2,0 a 2,2 per ridurre l'errore alle temperature estreme.

adc *= 1.0532319391 * 0.01;  // calibrated voltage in millivolts, 100 summed
temp = -(adc - 556)/2.2 + 24.0;

Funziona abbastanza bene con una sola cosa inaspettata: la costante INTERNAL1V1 non è stata definita anche se l'ambiente Arduino sa che è un ATMega328p (usando un Arduino Nano). Ho aggiunto una riga per codificare la definizione:

#define INTERNAL1V1 2
analogReference(INTERNAL1V1);

Domanda

Come posso usare un 2N2222 transistor come sensore di temperatura?

Dovrei usare un TMP36 transistor per una classe per leggere la temperatura dell'ambiente, ma ho solo un transistor 2N2222; il Arduino ne avrà una lettura analogica, ma i numeri non cambieranno anche se lo riscaldo. Sono fregato o posso risolvere questo problema?

Sono al liceo studiare per la matematica.


Risposta

Aggiornamento 2020ott08hkt2248

Quindi ho fatto il test preliminare e ho misurato i tre valori, Ib (Nota 1), Ic e Vc rispetto alla temperatura da circa 3°C a oltre 50°C (Nota 2). Uso anche Excel per calcolare β. Di seguito è riportato un riepilogo.

risultati della prova 1


Nota 1 - La colonna Ib è pressoché costante, così come Vbe. Quindi Vcc e Rb sono un'approssimazione dell'applicazione di una sorgente di corrente a un diodo (giunzione BE 2N2222) e misurano Vbc, come consigliato da @Tony Stewart Sunnyskyguy EE75.

Nota 2 - Il mio termometro digitale economico per uso domestico trabocca da qualche parte sopra i 50°C. Il requisito dell'OP è comunque quello di misurare l '"ambiente" che penso sia approssimativamente un intervallo da 0°C a 50°C. Quindi per ora non mi preoccuperò di trovare un termometro per temperature più elevate.

In realtà il mio piano di calibrazione prevede l'utilizzo del sensore di temperatura DS18B20 per sostituire il mio economico termometro per uso domestico.


Aggiornamento 2020ott08hkt1413

Ora 2N2222 si sta godendo un tuffo freddo

tuffo freddo


Aggiornamento 2020ott08hkt1111

Uno schema più adatto agli studenti delle scuole superiori del sensore di temperatura 2N2222.


Sensore di temperatura 2n2222


Aggiornamento 2020ott07hkt1549

Risultati del test della sauna - stackOverflow!

Il bagno di acqua calda trabocca dal mio termometro digitale!

sauna 1

sauna 2


Aggiornamento - 2020ott07hkt1151

Riordinare il cablaggio disordinato, prepararsi per Tuffo freddo nella sauna calda


test del sensore di temperatura


stazione termale del gatto


Aggiornamento 2020ott06hkt2141

Quindi aggiusto i valori di Rb e Rc per spostare la regione operativa dalla saturazione all'amplificazione, dove il guadagno di corrente è di circa 250, simile al valore misurato dal multimetro, come illustrato di seguito.

Prova 2n2222

Ho quindi usato una pistola calda per soffiare aria calda nel circuito 2N2222. Immagino che la temperatura intorno al circuito dovrebbe essere superiore a 50 gradi C, perché la mia mano non potrebbe sopportarla per più di uno o due secondi.

Sono lieto di vedere che Vc, Ic e Ib sono aumentati, come riassunto di seguito.

-------------------------------------------------------
  Temp      Ib (mA)     Ic (mA)      Vc (V)         β
-------------------------------------------------------          
  28°C       0.0230         5.6        0.18       243     
Hot air      0.0244         6.6        1.30       270 
-------------------------------------------------------

Naturalmente la temperatura misurata manualmente è molto approssimativa, ma i cambiamenti di Ic, Vc e β sono significativi.

Non mi preoccupo che Ic, Vc e β rispetto alla temperatura non siano lineari, perché possiamo usare il software per calibrare, in qualche modo appiattire/raddrizzare la curva non lineare in una linea retta.

Il passaggio successivo consiste nell'utilizzare acqua ghiacciata intorno a 0°C e acqua calda a 90°C per misurare e rappresentare graficamente Ic, Ib, Vc e β rispetto alla temperatura in C°.


Aggiornamento 2020ott06hkt1534

Ora sto aggiornando il mio vecchio progetto con un opAmp.

inserire la descrizione dell'immagine qui


Aggiornamento 2020ott0601

Come ho scoperto che i miei vecchi test non danno i risultati attesi, a causa dei valori dei componenti scelti in modo errato. Quindi sto spostando il vecchio design e i risultati dei test negativi nella pagina GiHub.

Penso che la risposta di @csabahu sia molto buona. Quindi sto studiando il suo design e usando i suoi parametri di test per fare i miei prossimi test. Inizialmente pensavo che avrei dovuto utilizzare il guadagno di corrente del 2N2222 per amplificare i valori di uscita molto piccoli per una facile misurazione. Ora penso che l'uso dell'opAmp da parte di @csabahu sia un approccio molto migliore, perché l'opAmp non dovrebbe caricare i segnali di uscita e può anche regolare facilmente i fattori di guadagno.

Ma ho poca esperienza nell'uso di opAmp per la strumentazione. Quindi ho bisogno di cercare su Google altri tutorial prima di iniziare il mio nuovo circuito.

Il mio vecchio progetto con Ic dell'ordine di 1mA ha già saturato il 2N2222. Ora sto pensando di spostare l'intervallo del test Ic da 1 mA a 10 mA e persino fino a 100 mA. Anche la mia vecchia selezione di Ib dell'ordine di 1uA è troppo piccola per essere misurata dal mio multimetro economico.

/ continuare, ...


Riferimenti

(1) P2N2222A Amplificatore Transistor NPN Silicio - Su semiconduttore

Aggiornamento 2020ott06

Il vecchio elenco di riferimenti stava diventando troppo lungo e disordinato, quindi ho spostato quei vecchi riferimenti non troppo rilevanti (16 in totale) nella pagina GiHub.


(17) Misurazione della temperatura di precisione utilizzando transistor PNP a substrato CMOS - M Pertijs, G Meijer, J Huijsing et al, IEEE Sensor Journal 2004.

(18) Misurazione della temperatura basata su diodi - TI, rapporto applicativo SBOA277A–marzo 2018–rivisto maggio 2019

(19) Che cos'è tutta questa roba Vbe, comunque? - Bob Pease, Supplemento per applicazioni analogiche di Electronic Design, 2000jun26

(20) Come si ottiene un sensore di temperatura da un transistor? - Randy Frank, Sensor Tips, 2017oct27

(21) Utilizzo di diodi o transistor come sensori di temperatura - elettronicaNmore, 400.000 abbonati, 11.037 visualizzazioni 2014nov01

Sorgenti di corrente regolabili a 3 terminali AliExpress LM134/LM234/LM334 - TI, US $ 2/5 pezzi

(23) DS18B20 Scheda tecnica termometro digitale a 1 filo con risoluzione programmabile (precisione ±0,5°C {da 9 bit a 12 bit}, da -10°C a +85°C) - Maxim

(24) Sensore di temperatura DS18B20 - Driver Rpi 3/4, cablaggio, rilevamento e programmazione Python - Rpi SE 2019jul02


Appendici

Aggiornamento 2020ott06hkt1434

La mia prima idea del piano di test è sbagliata, perché non capisco le proprietà del piccolo segnale di 2N2222. La mia conoscenza ed esperienza è solo sull'uso di 2N2222 come interruttore. Quindi sto studiando la scheda tecnica e pensando di progettare un nuovo piano di test. Una cosa che sto facendo è spostare l'intervallo di test Ib e Ic, quindi è più facile usare i miei multimetri per effettuare misurazioni. Il nuovo riepilogo della scheda tecnica è incollato di seguito.


2n2222 1

2n2222 2

Sto anche usando il nuovo datasheet MMBT2222 invece del vecchio 2N2222.


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