Терморезистор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Терморезистор

Введение

Терморезистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Изменение сопротивления Rт полупроводника при изменении температуры характеризуется зависимостью:

Rт= Аехр (В/Т).

Где: А - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника, размеров и формы терморезистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т - температура терморезистора, °С. Температурный коэффициент б полупроводникового терморезистора отрицательный.

Он достигает значений от 2,5 до 4% °С, что в 6-10 раз больше температурного коэффициента металлов, и зависит от температуры:

б = В/Т^2.

На рис. 1 показано устройство терморезисторов серий ММТ и КМТ. Терморезисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 (рис. 1, а) представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти выводы терморезисторов могут быть использованы только в сухих помещениях. Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1, б) смонтированы в металлический корпус 6 и герметизированы. Они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной по отношению к корпусу. Герметизация осуществляется стеклом 8 и оловом 9. Стержень 5 в терморезисторе типа ММТ-4 обернут металлической фольгой 4. Токоотвод 7 выполнен из никелевой проволоки. Эти терморезисторы выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1 до 200 кОм (при 20 °С) и могут быть использованы для работы в диапазоне температур от -100 до 129°С.

Общие основы работы измерительных преобразователей температуры - полупроводниковых терморезисторов.

1. Описаны физические основы работы терморезистора. Полупроводниковый терморезистор, методика градуировки

Терморезистором называют устройство, состоящее из проводника, электрическое сопротивление которого зависит от температуры и до которого подсоединены электрические выводы. Широкое применение находят полупроводниковые терморезисторы. В этом случае в качестве проводника электрического тока служит полупроводник в виде пленки на изолирующей подложке или в объемном исполнении. Чаще всего применяют такие полупроводники: Ge, GaAs, Si. Общие размеры терморезисторов могут быть менее 1 мм^3, электрическое сопротивление от нескольких Ом до 100 кОм, токи питания, как правило, 10 - 100мкА, чувствительность от 5 %/К в области комнатной температуры до 100 %/К в области криогенных температур, инерционность может достигать нескольких десятков миллисекунд.

Полупроводниковые терморезисторы широко применяются для измерения и контроля температуры в широком диапазоне, но, как правило, не выше 200 °С, так как при высокой температуре наступает собственная проводимость и температурная зависимость сопротивления резко падает, становится не монотонной, не стабильной. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры R(T) имеет сложный характер и зависит от типа легирующей примеси и уровня легирования. Поэтому невозможно выразить зависимость R(T) простой формулой, которая бы позволила выполнить градуирование с высокой точностью. Как правило, весь интервал температуры разбивают на отдельные участки, на которых зависимость R(T) описывается своей интерполяционной формулой.

Методику градуировки можно рассмотреть на следующем примере. В области комнатной температуры зависимость R(T) для полупроводниковых терморезисторов можно выразить:

R=Ro * e ^ B/T ( 1 )

Для градуирования терморезистора (получения таблиц зависимости электрического сопротивления от температуры) преобразуем формулу (1):

lnR = lnRo + B(1 /T ) ( 2 )

Полученное выражение (2) является уравнением прямой в координатах 1/T и LnR.

LnRо - величина логарифма сопротивления когда Т стремится к бесконечности. Коэффициент В равен тангенсу угла б наклона прямой к оси 1/Т. Если при двух фиксированных температурах Т1 и Т2 измерять сопротивления терморезистора R1 и R2 соответственно, то можно построить зависимость LnR(1/T) по двум точкам:

Используя формулу (2) и полученный график можно находить для любого значения R из интервала от R1 до R2 соответствующее ему значение температуры (составить градуировочные таблицы).

Для точных измерений температуры градуировку терморезистора проводят в специализированных лабораториях с применением соответствующих аппроксимирующих формул для нужного диапазона температур, компьютерной обработки данных и др. В широком диапазоне температур температурная зависимость сопротивления полупроводникового терморезистора имеет достаточно сложный характер.

1.2 Принцип действия

Терморезисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменении температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Наиболее подходящим и распространенным материалом для изготовления терморезисторов являются полупроводники, обладающие более высоким температурным коэффициентом сопротивления.

Рис. 2 Основная классификация терморезисторов

Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого падает с ростом температуры, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает (рис.2).

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора вследствие изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Термисторы же косвенного подогрева имеют дополнительный источник теплоты - подогреватель. Конструктивное исполнение может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях сам термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Нужно отметить, что общим для термисторов косвенного подогрева всех возможных конструкций является то, что у них есть две электрически изолированные друг от друга цепи: управляющая и управляемая.

Нужно отметить, что термисторы изготовляются как из монокристаллов ковалентных полупроводников, так и методом керамического обжига заготовок (оксидные полупроводники) при высоких температурах.

Позистор - это терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В массовом производстве позисторы делают на основе керамики из титаната бария.

У термисторов уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано различными причинами - увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

В диапазонах температур, где полупроводники обладают отрицательным коэффициентом сопротивления, зависимость сопротивления от температуры соответствует уравнению, (1.1)

где B - коэффициент температурной чувствительности (определяет физические свойства материала), - коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора. Для позисторов действует та же формула. Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температурах ниже 170 К), среднетемпературные (170--510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4.2 К и ниже и при 900--1300 К. Наиболее, широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от -- 2,4 до --8,4 % К^-1 и с номинальным сопротивлением 1 --10⁶ Ом.

Основная часть терморезисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников - оксидов металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (от титана до цинка). Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок.

1.3 Применение и основные схемы включения

терморезистор преобразователь градуировка полупроводниковый

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической ВАХ выбрана рабочая точка. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов, температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой. Терморезистор с косвенным подогревом используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Позисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

Рис.9. Схема включения терморезисторов

В тех случаях, когда терморезисторы используют в качестве датчика, они могут работать в следующих двух режимах:

1. Когда температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды (ток, проходящий через терморезистор, имеет очень малую величину);

2. Когда терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, что связано с температурой окружающей среды.

В первом случае терморезистор используется в качестве датчика температуры, который получил название термометра сопротивления. Термометры сопротивления широко применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред в трубопроводах, резервуарах и помещениях. В авиации они применяются для измерения температуры воды, масла, окружающего воздуха и др. Наибольшее распространение получили платиновые и медные термометры сопротивления.

Во втором случае терморезисторы обычно применяются в качестве датчиков для измерения различных неэлектрических величин, тем или иным способом изменяющих отвод тепла от терморезистора. На этом принципе построены различные датчики, измеряющие скорость потока газа, вакуума и др.

2. Чувствительность мостовой схемы

Чувствительность уравновешенного моста определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста (например,на рис. 2.2): . В уравновешенном мосте После изменения на ток прибора определяется по (2.7) или (2.8):

Преобразуем числитель этого выражения, учитывая условие равновесия

Следовательно, , и чувствительность уравновешенного моста по току

(2.12)

В некоторых случаях (например, в мостах с автоматическим уравновешиванием) входным сигналом мостовой схемы служит напряжение в измерительной диагонали БГ. Тогда следует определять чувствительность по напряжению: Оценим влияние сопротивлений плеч моста на чувствительность мостовой уравновешенной схемы. Для этого удобно выразить сопротивления всех плеч моста относительно измеряемого сопротивления R4.

Положим; ; . Так как в уравновешенном мосту , то . Подставим значения сопротивлении в (2.12).

1. Для высокоомного моста (полагая)

Анализ уравнения (2.15) показывает, что чувствительность возрастает с увеличением напряжения питания и уменьшением сопротивлений плеч моста. Эти выводы достаточно очевидны. При этом следует иметь в виду, что с уменьшением сопротивлений мост уже не будет высокоомным и к нему неприменимо уравнение (2.15). Менее очевидно, но представляет большой интерес влияние коэффициентов я, т, q. Рассмотрим функцию (2.16). При уменьшении я чувствительность схемы увеличивается. При неизменных коэффициентах п к q чувствительность моста максимальна при

Уравнение (2.17) можно получить продифференцировав по т и приравняв нулю.

На рис. 2.4, а показаны номограммы для случая, с помощью которых можно определить т и я, т. е. сопротивления мостовой схемы. По виду кривых можно судить о том, что при известном и достаточно большом диапазоне изменения значений и чувствительность мостовой схемы изменяется незначительно.

Чувствительность низкоомного моста (при)

Рис. 2.4 Номограммы к расчету чувствительности мостовой схемы

Анализ уравнения (2.19) показывает, что при увеличении т. чувствительность схемы возрастает. При неизменных значениях и чувствительность моста максимальна при

(2.20)

Уравнение (2.20) можно получить продифференцировав по я

и приравняв нулю. Номограммы для случая показаны на рис. 2.4, б.

Рассмотрим теперь чувствительность неуравновешенного моста. Датчики с изменяющимся сопротивлением можно включить в разные плечи моста. Рассмотрим различные варианты подключения датчиков (рис. 2.5).

1. Чаще всего используется простая (рис. 2.5, а) схема равноплечего () моста с одним датчиком где -- сопротивление датчика, соответствующее начальному значению измеряемой неэлектрической величины.

Воспользуемся уравнением для определения изменения тока через из
мерительный прибор:

Для малых приращенийможно пренебречь в знаменателе слагаемыми ипо сравнению с другими слагаемыми

Чувствительность схемы

(2.21)

Примем чувствительность моста с одним датчиком за исходную и выразим чувствительность всех других вариантов мостовых схем через

2. На схеме рис. 2.5, б одинаковые датчики с изменяющимся сопротивлениемвключены в противоположные плечи моста. В этом случае приращение тока в измерительном приборе

т. е. чувствительностьувеличивается вдвое. Такое же увеличение чувствительности получается в схеме рис. 2.5, в, где второй датчик включен не в противоположное, а в соседнее плечо и его сопротивление не увеличивается, а уменьшается: В схемах по рис. 2.5, а--в чувствительность непостоянна, т. е. зависимостьнелинейна.

3. Если датчики с изменяющимися сопротивлениями включить в соседние плечи моста по схеме рис. 2.5, г (--в плечо , а--в плечо ), то чувствительность его по-прежнему в два раза больше , а зависимость близка к линейной в довольно широких пределах.

Недостаток схемы в том, что если датчиками являются сопротивления с подвижным контактом, то питание к схеме подводится именно через этот подвижный контакт, что снижает надежность схемы.

4. При включении датчиков по схемам, показанным на рис. 2.5, д, е, изменение сопротивления одновременно в обоих плечах не приводит к изменению тока в измерительном приборе, т. е.Такое подключение датчиков является ошибочным.

5. Если включить четыре одинаковых датчика во все четыре плеча моста так. как показано на рис. 2.5, ж, то изменение тока в измерительном приборе При этом обеспечивается максимальная чувствительность

Размещено на Allbest.ru