CN104713659A - 一种基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，包含：感测模块用于对外界温度进行实时检测，并将检测到的温度信号转换成电流信号；恒流模块用于控制和调节第二PNP型三极管的集电极电流，从而实现对第一NPN型三极管的集电极电流的控制；放大模块用于提供反馈，将补偿模块的补偿施加于NTC热敏电阻，以及提供恒压，保证NTC热敏电阻两端的电压恒定；补偿模块用于利用第一NPN型三极管输出特性曲线的非线性抵消NTC热敏电阻的非线性，从而实现线性化功能；以及接口模块。本发明通过对NTC热敏电阻施加合适的线性补偿电路，有效地克服了热敏电阻的电阻值与温度之间的非线性关系，实现热敏电阻温度测量过程中输出结果与温度之问的线性变化关系。

Description

一种基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路

技术领域

本发明属于光电技术领域与测量与自动控制领域的结合，特别涉及一种光伏发电***的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路。

背景技术

负温度系数(Negative Temperature Coefficient，NTC)热敏电阻具有输出信号大、灵敏度高、热容量小、响应速度快、体积小、价格低、高阻值等优点，被广泛用于：光电子技术领域(如，太阳能光伏***温度监控测量，半导体激光器的温度监控与测量，等)；测量和自动控制领域(如：家庭空调、汽车空调、冷柜、冰箱，等)；安全生产监测领域(如：火灾监控，灭火器，温度传感器，等)，等需要温度测量和控制的场合。

NTC热敏电阻的阻值与温度之间存在着严重的非线性关系。如果不经过线性化处理就对热敏电阻直接进行采样，会造成高温低温采样分辨率差的结果，因此在实际使用中，需要对NTC热敏电阻的非线性进行有效的线性补偿。常用的解决方法有电桥线性法、恒流源或恒压源测量法、放大器补偿法、定时电路法等。电桥平衡法线性化效果明显，电路简单，抗干扰能力强，但是测量精度不高，通常运用于温度测量精度要求不高的场合。恒流和恒压法能方便地实现电阻到电压信号的转换，但是它们需要额外增加单片机及其相关软件来解决其非线性问题，会使电路的复杂程度变高，同时也会对所用的恒流恒压源的稳定性提出了严格要求。

总之，传统的NTC线性化方法要么线性化程度较差，要么电路复杂而成本较高。因此，提出一种简单高效的NTC热敏电阻线性化技术变得十分必要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明主要目的是提供一种简单高效的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，以实现对热敏电阻的线性补偿。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，包含：

感测模块1，用于对外界温度进行实时检测，并将检测到的温度信号转换成电流信号；

恒流模块2，用于控制和调节第二PNP型三极管Q2的集电极电流I_CQ2，从而实现对第一NPN型三极管Q1的集电极电流I_BQ1的控制；

放大模块3，用于提供反馈，将补偿模块4的补偿施加于NTC热敏电阻R_T，以及提供恒压，保证NTC热敏电阻R_T两端的电压恒定；

补偿模块4，用于利用第一NPN型三极管Q1输出特性曲线的非线性抵消NTC热敏电阻R_T的非线性，从而实现线性化功能；

接口模块5，包括V_cc接口、V_SS接口、V_O输出接口和GNG接口，其中V_cc接口和V_SS接口为整个热敏电阻线性补偿电路提供供电电压；V_O输出接口和GND接口为外电路提供输出端口。

上述方案中，所述感测模块1包含一个NTC热敏电阻R_T；该NTC热敏电阻R_T的一端与接口模块5中V_SS接口相连接，该NTC热敏电阻R_T的另一端与放大模块3中OP运算放大器的反向输入端相连接。

上述方案中，所述NTC热敏电阻R_T两端的电压恒定为V_SS，流过NTC热敏电阻R_T电流的变化将起到感测温度T变化的作用。

上述方案中，所述恒流模块2包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一恒定电阻R1、第二恒定电阻R2和第二PNP型三极管Q2，其中：

第二恒定电阻R2的一端与接口模块5中GND相连接，第二恒定电阻R2的另一端与第二二级管D2的负极相连接；

第一二极管D1的负极一端与第二恒定电阻R2相连接，第一二极管D1的正极与第二二级管D2的负极相连接；

第二二级管D2的负极与第一二极管D1正极相连接，第二二级管D2的正极与接口模块5中的V_cc接口相连接。

上述方案中，第一二极管D1、第二二极管D2、第二PNP型三极管Q2、第二恒定电阻R2之间分压关系能够保证第一恒定电阻R1上的电压恒定在0.6V，因此通过调节第一恒定电阻R1的阻值能够达到调整和控制第二PNP型三极管Q2集电极电流I_CQ2大小的目的，而由热敏电阻线性补偿电路的结构知道I_CQ2等于I_BQ1，因此通过调节第一恒定电阻R1的阻值最终起到调节第一NPN型三极管Q1的基极电流I_BQ1的大小的目的。

上述方案中，所述放大模块3包括OP运算放大器和负载电阻R_O，其中：

OP运算放大器的正输入端与接口模块的GND接口相连，OP运算放大器的负输入端与补偿模块4中第一NPN型三极管Q1的发射极相连接，OP运算放大器的输出端与补偿模块4中第一NPN型三极管Q1的集电极相连接，OP运算放大器的正负供电端口分别与接口模块中V_cc接口和V_SS接口相连接；

负载电阻R_O的一端与OP运算放大器的输出端相连接，负载电阻R_O的另一端与接口模块4中GND相连接。

上述方案中，所述OP运算放大器能够保证流过NTC热敏电阻R_T的电流全部由第一NPN型三极管Q1集电极电流I_CQ1提供，从而保证补偿模块4的功能得以实现。

上述方案中，所述补偿模块4包含第一NPN型三极管Q1，是整个热敏电阻线性补偿电路的核心模块，用于实现对温敏电阻进行有效的线性补偿。

上述方案中，所述第一NPN型三极管Q1是NPN型双极晶体管，发射极与放大模块3中OP运算放大器的负输入端相连接，集电极与放大模块3中OP运算放大器的输出端相连接，基极与恒流模块2中第二PNP型三极管Q2的集电极相连接。

上述方案中，采用可调电阻替代第一恒定电阻R1、第二恒定电阻R2和负载电阻R_O，从而便于电路的调试和优化。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下特点：、

1、本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，电路的线性化效果非常好。模拟和实验表明在从-25℃到+125℃非常大的温度范围内，可以实现非常良好的线性化补偿效果。

2、本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，电路结构非常简单。由于不需要单片机就可以实现非线性到线性的直接转化，因此电路结构非常简单。

3、本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，电路转化灵敏度高。完全基于模拟元件实现，因此不需要模拟数字的繁琐转化，避免了大量的数据处理和线性拟合，因此电路的灵敏度非常高。

4、本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，电路有利于大规模生产，可以大大降低NTC温度感测电路的生产和维修成本，因此十分有利于大规模生产。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步洋细说明。

图1是本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路的示意图。

图2是本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路的模拟仿真效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，利用第一NPN型三极管Q1输出特性曲线的非线性与NTC热敏电阻R_T的电阻值与温度间的非线性相互抵消，即利用第一NPN型三极管Q1的非线性来补偿NTC热敏电阻R_T的非线性，最终达到输出电压V_O与温度T之间的线性关系。

NTC热敏电阻R_T的电阻值与温度之间存在着严重的非线性关系。随着温度的升高，NTC热敏电阻R_T的电阻值会下降，而且实际研究表明NTC热敏电阻R_T的电阻值与温度之间的非线性关系是e指数关系。常见BJT三极管，有放大、截止和饱和三种工作状态，通过调节集电极电流Ic、集电极与发射极电压V_cE和基极电流I_B三者间的大小关系，可以控制BJT三极管的工作状态。在基极电流I_B固定不变的情况下，和热敏电阻类似，BJT三极管集电极电流I_c与集电极与发射极之间的电压V_cE之间也具有非常严重的非线性，且这个非线性关系满足e指数，这个非线性关系还会受基极电流I_B的控制。

基于以上理论，本发明提出的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路如图1所示，其根本原理在于利用BJT输出特性曲线的e指数非线性关系与NTC热敏电阻R_T的e指数非线性关系相抵消而达到线性补偿的目的。

如图1所示，图1是本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路的示意图，该热敏电阻线性补偿电路包含NTC感测模块1、恒流模块2、放大模块3、补偿模块4和接口模块5，其中：

感测模块1用于对外界温度进行实时检测，并将检测到的温度信号转换成电流信号。图1中，感测模块1包含一个NTC热敏电阻R_T。NTC热敏电阻R_T的一端与接口模块5中V_SS接口相连接，NTC热敏电阻R_T的另一端与放大模块3中OP运算放大器的反向输入端相连接。NTC热敏电阻R_T两端的电压恒定为V_SS，流过NTC热敏电阻R_T电流的变化将起到感测温度T变化的作用。

恒流模块2用于控制和调节第二PNP型三极管Q2的集电极电流I_cQ2，从而实现对第一NPN型三极管Q1的集电极电流I_BQ1的控制。图1中，恒流模块2包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一恒定电阻R1、第二恒定电阻R2和第二PNP型三极管Q2。第二恒定电阻R2的一端与接口模块5中GND相连接，第二恒定电阻R2的另一端与第二二级管D2的负极相连接。第一二极管D1的负极一端与第二恒定电阻R2相连接，第一二极管D1的正极与第二二级管D2的负极相连接。第二二级管D2的负极与第一二极管D1正极相连接，第二二级管D2的正极与接口模块5中的V_cc接口相连接。第一二极管D1、第二二极管D2、第二PNP型三极管Q2、第二恒定电阻R2之间分压关系可以保证第一恒定电阻R1上的电压恒定在0.6V左右，因此通过调节第一恒定电阻R1的阻值能够达到调整和控制第二PNP型三极管Q2集电极电流I_CQ2大小的目的，而由电路的结构可以知道I_CQ2等于I_BQ1，因此通过调节第一恒定电阻R1的阻值最终起到调节第一NPN型三极管Q1的基极电流I_BQ1的大小的目的。通过调节可以找到一条合适的第一NPN型三极管Q1输出特性曲线与NTC热敏电阻R_T相互之间完美补偿，也就是说理想的补偿效果是通过不断调节第一恒定电阻R1电阻值最终得到的。

放大模块3，用于提供反馈，将补偿模块4的补偿施加于NTC热敏电阻R_T，以及提供恒压，保证NTC热敏电阻R_T两端的电压恒定。图1中，放大模块3包括OP运算放大器和负载电阻R_O，OP运算放大器的正输入端与接口模块的GND相连，OP运算放大器的负输入端与补偿模块4中第一NPN型三极管Q1的发射极相连接，OP运算放大器的输出端与补偿模块4中第一NPN型三极管Q1的集电极相连接，OP运算放大器的正负供电端口分别与接口模块中V_cc接口和V_SS接口相连接。负载电阻R_O的一端与OP运算放大器的输出端相连接，负载电阻R_O的另一端与接口模块4中GND相连接。OP运算放大器可以保证流过NTC热敏电阻RT的电流全部由第一NPN型三极管Q1集电极电流I_cQ1提供，从而保证补偿模块4的功能得以实现。

补偿模块4用于利用第一NPN型三极管Q1输出特性曲线的非线性抵消NTC热敏电阻R_T的非线性，从而实现线性化功能。图1中，补偿模块4包含第一NPN型三极管Q1，虽然补偿模块4只有一个电路元件构成，但是补偿模块4却是整个热敏电阻线性补偿电路的核心模块，用于实现对温敏电阻进行有效的线性补偿。第一NPN型三极管Q1是NPN型双极晶体管，发射极与放大模块3中OP运算放大器的负输入端相连接，集电极与放大模块3中OP运算放大器的输出端相连接，基极与恒流模块2中第二PNP型三极管Q2的集电极相连接。

接口模块5，包括V_cc接口、V_SS接口、V_O输出接口和GNG接口，其中V_cc接口和V_SS接口为整个热敏电阻线性补偿电路提供供电电压；V_O输出接口和GND接口为外电路提供输出端口。接口模块5中的各个接口的连接方式，如图1所示。

此外，本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路的输出电压V_O就是第一NPN型三极管Q1的集电极发射极电压V_CE。

本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，电路正常工作的情况下，感测温度T变化将改变热敏电阻的阻值R_T，因而输出电压V_O也将发生变化。但不管怎样变化，电路始终能够保证输出电压V_O与NTC热敏电阻感测的温度T之间保持非常良好的线性关系，线性补偿效果如图2中三角曲线所示。为了进一步从反面验证电路有效性，用第三恒定电阻R3替代补偿模块4中的第一NPN型三极管Q1，电路将失去线性化效果，如图2中圆点曲线所示。

本发明提供的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，通过对NTC热敏电阻施加合适的线性补偿电路，有效地克服了热敏电阻的电阻值与温度之间的非线性关系，实现热敏电阻温度测量过程中输出结果与温度之间的线性变化关系。在实际应用中，第一恒定电阻R1、第二恒定电阻R2和负载电阻R_O，都可以用可调电阻替代，从而便于电路的调试和优化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，包含：

感测模块(1)，用于对外界温度进行实时检测，并将检测到的温度信号转换成电流信号；

恒流模块(2)，用于控制和调节第二PNP型三极管(Q2)的集电极电流(I_CQ2)，从而实现对第一NPN型三极管(Q1)的集电极电流(I_BQ1)的控制；

放大模块(3)，用于提供反馈，将补偿模块(4)的补偿施加于NTC热敏电阻(R_T)，以及提供恒压，保证NTC热敏电阻(R_T)两端的电压恒定；

补偿模块(4)，用于利用第一NPN型三极管(Q1)输出特性曲线的非线性抵消NTC热敏电阻(R_T)的非线性，从而实现线性化功能；

接口模块(5)，包括V_CC接口、V_SS接口、V_O输出接口和GNG接口，其中V_CC接口和V_SS接口为整个热敏电阻线性补偿电路提供供电电压；V_O输出接口和GND接口为外电路提供输出端口。

2.根据权利要求1所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述感测模块(1)包含一个NTC热敏电阻(R_T)；该NTC热敏电阻(R_T)的一端与接口模块(5)中V_SS接口相连接，该NTC热敏电阻(R_T)的另一端与放大模块(3)中OP运算放大器的反向输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述NTC热敏电阻(R_T)两端的电压恒定为V_SS，流过NTC热敏电阻(R_T)电流的变化将起到感测温度T变化的作用。

4.根据权利要求1所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述恒流模块(2)包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一恒定电阻(R1)、第二恒定电阻(R2)和第二PNP型三极管(Q2)，其中：

第二恒定电阻(R2)的一端与接口模块(5)中GND相连接，第二恒定电阻(R2)的另一端与第二二级管(D2)的负极相连接；

第一二极管(D1)的负极一端与第二恒定电阻(R2)相连接，第一二极管(D1)的正极与第二二级管(D2)的负极相连接；

第二二级管(D2)的负极与第一二极管(D1)正极相连接，第二二级管(D2)的正极与接口模块(5)中的V_CC接口相连接。

5.根据权利要求4所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第二PNP型三极管(Q2)、第二恒定电阻(R2)之间分压关系能够保证第一恒定电阻(R1)上的电压恒定在0.6V，因此通过调节第一恒定电阻(R1)的阻值能够达到调整和控制第二PNP型三极管(Q2)集电极电流(I_CQ2)大小的目的，而由热敏电阻线性补偿电路的结构知道I_CQ2等于I_BQ1，因此通过调节第一恒定电阻(R1)的阻值最终起到调节第一NPN型三极管(Q1)的基极电流(I_BQ1)的大小的目的。

6.根据权利要求1所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述放大模块(3)包括OP运算放大器和负载电阻(R_O)，其中：

OP运算放大器的正输入端与接口模块的GND接口相连，OP运算放大器的负输入端与补偿模块(4)中第一NPN型三极管(Q1)的发射极相连接，OP运算放大器的输出端与补偿模块(4)中第一NPN型三极管(Q1)的集电极相连接，OP运算放大器的正负供电端口分别与接口模块中V_CC接口和V_SS接口相连接；

负载电阻(R_O)的一端与OP运算放大器的输出端相连接，负载电阻(R_O)的另一端与接口模块(4)中GND相连接。

7.根据权利要求6所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述OP运算放大器能够保证流过NTC热敏电阻(R_T)的电流全部由第一NPN型三极管(Q1)集电极电流(I_CQ1)提供，从而保证补偿模块(4)的功能得以实现。

8.根据权利要求1所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述补偿模块(4)包含第一NPN型三极管(Q1)，是整个热敏电阻线性补偿电路的核心模块，用于实现对温敏电阻进行有效的线性补偿。

9.根据权利要求8所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，所述第一NPN型三极管(Q1)是NPN型双极晶体管，发射极与放大模块(3)中OP运算放大器的负输入端相连接，集电极与放大模块(3)中OP运算放大器的输出端相连接，基极与恒流模块(2)中第二PNP型三极管(Q2)的集电极相连接。

10.根据权利要求1所述的基于三极管输出特性的热敏电阻线性补偿电路，其特征在于，采用可调电阻替代第一恒定电阻(R1)、第二恒定电阻(R2)和负载电阻(R_O)，从而便于电路的调试和优化。