一种基于集成运放的温度报警电路的设计
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【摘要】利用负温度系数（ NTC ） 型热敏电阻进行温度测量，将温度信号转化为电压信号，输送到由集成运放工作于非线性区构成的电压比较器中，与阈值电压比较。如果高于阈值电压，电压比较器将正向输出，三极管即导通， 使输出驱动音响装置发声，即可实现音响报警功能。是热敏电阻和集成运放结合的具体应用实例。
【关键词】热敏电阻;集成运放;电压比较器;报警电路
引言
作为一种模拟集成电路，集成运算放大器结构简单、用途宽广，具有高灵敏度和功能灵活等多种优势。负温度系数（NTC）型热敏电阻的阻值随温度升高而减小，二者组合可组成温度报警电路。温度的检测与控制电路在实际应用中比较广泛，一般用晶体管制作而成的电路，测量误差大，且电路比较复杂。用热敏电阻和集成运放组成的温度报警电路可实现温度的检测及报警功能，可以克服此类问题。
此电路实验在教学中已经应用，由于电路简单，所用的元件较少，操作容易，实验效果直观、显著，学生很感兴趣，加深了学生对集成运放的理解，提高了实验动手能力。
1.NTC热敏电阻的介绍
NTC（Negative Temperature Coefficient） 的中文意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。而NTC热敏电阻器就是指负温度系数热敏电阻器，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺加工制造而成的。此类金属氧化物材料都具有半导体的性质，因为它们的导电方式完全类似锗、硅等半导体材料。在温度低时，此类氧化物材料的载流子（电子或空穴）数目较少，导致其电阻值较高;当温度升高时，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围一般在100～1000 000，温度系数在-2%～-6.5%[1]。可将NTC热敏电阻器广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。NTC热敏电阻RT的温度特性如图1所示。虽然它的电阻与温度变化曲线的线性度并不太好，但由于它是单值函数（即温度一定时，其阻值也是一定的单值。）如果设定100℃时电路自动报警，则这100℃即为阈值温度TTH，在特性曲线上可找到100℃对应的RT的电阻值。
图1 热敏电阻RT的温度特性曲线
2.集成运放组成的单限电压比较器
在自动化系统中，信号幅度的比较、信号幅度的选择、信号的采样和保持、信号的滤波等都是在信号处理方面经常遇到的问题。本设计需要应用由集成运放组成的比较信号幅度电路――电压比较器，集成运算放大器是电压比较器的核心器件[3]。电压比较器是集成运放在非线性工作状态下的一种具体应用。而电压比较器，是一种用来比较输入信号电压大小的电子电路。它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个高、低状态的矩形波。集成运放工作在非线性区时，若，则运放输出正向电压;若，则运放输出负向电压。这是电压比较器的理论基础。图2为最基本的电压比较器和其电压传输特性图。两个输入端中的一个端子为参考端，参考电压为UR，另一个端子（比如同相端）作为信号输入端，比较信号电压与参考电压，当信号电压小于参考电压时，输出则为高电平，反之输出则为低电平。由此可得到电压传输特性曲线[4]。电压比较器通常用于越限报警、模数转换和波形变换等场合。
图2 基本电压比较器及电压传输特性曲线
3.电路原理图及其工作原理
3.1 电路原理图
电路原理图如图3所示。
3.2 电路工作原理
负温度系数热敏电阻RT用来检测功率器件温度（可将其粘在散热片上）或待测环境温度（如置于恒温箱），UCC为直流稳压电源，RT和R1串联，A点电位VA为电阻R1两端所分得的电压。电阻R1阻值近似不变。R2和组成分压器，调节RP可改变VB（电位器中心头的电压值）的电压。
VB值为比较器设定的阈值电压，称为VTH。若希望100℃时电路自动报警，则VTH的值应等于100℃时的VA值。当，比较器输出低电平，二极管导通，三极管截止，电路不报警，为正常状态。当，比较器输出高电平，二极管截止，三极管导通，指示灯亮，同时扬声器发出尖锐的报警声。
3.3 电路的保护措施
3.3.1 输入保护
一般情况下，集成运放工作在开环（即未引反馈）状态时，易因差模电压过大而损坏;在闭环状态时，易因共模电压超出极限而损坏。本文设计的电路原理图中所加的二极管限幅电路就是为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，以免损坏运放。此外，该电路只要改变VTH值，就可以很方便地改变阈值温度，适合不同的工作要求。
3.3.2 输出保护
电路原理图中，在集成运放输出端，由限流电阻R和稳压管DZ组成输出端保护电路。限流电阻R和稳压管DZ构成限幅电路，它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。
4.结束语
热敏电阻的电阻率随温度变化而变化，本文以负温度系数（NTC）型热敏电阻来进行温度测量，将温度信号转化为电压信号，输送到由集成运放工作于非线性区构成的电压比较器中，与阈值电压进行比较。若高于阈值电压，则电压比较器输出为高电平，此时三极管导通，报警电路工作。该电路是热敏电阻和集成运放结合的具体应用实例，有助于加深学生对相关知识的理解和应用。
参考文献
[1]钱小君.温度报警器的设计与制作[J].物理通报，2010， 6：89.
[2]方佩敏.电压比较器工作原理及应用（中）[J].无线电， 2005，1：63.
[3]张小梅.集成运放在烟雾报警器电路中的应用[J].信息通信，2013，2.
[4]乜国荃.集成运放和电压比较器[J].青海师范大学学报（自然科学版），2006，2：48.
基金项目：沈阳医学院2012年教学研究重点项目（项目编号：201205）。
作者简介：苗丽华（1979―），女，硕士，在读博士研究生，讲师，主要从事电路设计及宽带隙半导体材料研究。