Устройство и видове
Термисторът е полупроводниково устройство, чието съпротивление зависи от неговата температура. В зависимост от вида на елемента съпротивлението може да се повиши или спадне при нагряване. Има два вида термистори:
- NTC (отрицателен температурен коефициент) - с отрицателен температурен коефициент на съпротивление (TCR). Те често се наричат "термистори".
- PTC (Positive Temperature Coefficient) - с положителен TCS. Наричат ги още „Позистори“.
Важно! Температурният коефициент на електрическото съпротивление е зависимостта на съпротивлението от температурата. Описва колко ома или процента от номиналната стойност се променя съпротивлението на елемента, когато температурата му се повиши с 1 градус по Целзий
Например, конвенционалните резистори имат положителен TCR (при нагряване съпротивлението на проводниците се увеличава).
Термисторите са нискотемпературни (до 170K), среднотемпературни (170-510K) и високотемпературни (900-1300K). Корпусът на елемента може да бъде изработен от пластмаса, стъкло, метал или керамика.
Символичното графично обозначение на термисторите в диаграмата наподобява обикновените резистори и единствената разлика е, че те са зачеркнати с ивица и буквата t е обозначена до нея.
Между другото, така се обозначават всички резистори, чието съпротивление се променя под въздействието на околната среда, а видът на влияещите количества се обозначава с буквата, t е температура.
Основни характеристики:
- Номинална устойчивост при 25 градуса по Целзий.
- Максимален ток или разсейване на мощност.
- Диапазон на работната температура.
- TKS.
Интересен факт: Термисторът е изобретен през 1930 г. от учения Самюел Рубен.
Нека разгледаме по-подробно как работи и за какво служи всеки от тях.
измервания
|
|
|||||
|
За измерване на температурата като термични преобразуватели могат да се използват полупроводникови диоди и транзистори. Това е така, защото при постоянна стойност на тока, протичащ в посока напред, например, през кръстовището на диод, напрежението на кръстовището се променя почти линейно с температурата. За да бъде стойността на тока постоянна, достатъчно е да включите голямо активно съпротивление последователно с диода. В този случай токът, преминаващ през диода, не трябва да причинява нагряване. Възможно е да се изгради калибровъчна характеристика на такъв температурен сензор, като се използват две точки - в началото и в края на измервания температурен диапазон. Фигура 1, а показва веригата за измерване на температурата с помощта на VD диод. Батерията може да служи като източник на енергия.
Ориз. 1. Схема за измерване на температура с помощта на диод (а) и транзистори (б, в). Мостовите пикапи ви позволяват да увеличите относителната чувствителност на устройството, като компенсирате първоначалната стойност на съпротивлението на сензора. По същия начин температурата влияе върху съпротивлението на прехода емитер-база на транзисторите. В този случай транзисторът може едновременно да действа както като температурен сензор, така и като усилвател на собствен сигнал. Следователно използването на транзистори като термични сензори има предимство пред диодите. Фигура 1b показва схема на термометър, в която транзистор (германий или силиций) се използва като преобразувател на температурата. При производството на термометри както на диоди, така и на транзистори е необходимо да се изгради калибровъчна характеристика, докато живачен термометър може да се използва като примерен измервателен уред. Инерцията на термометрите на диоди и транзистори е малка: на диод - 30 s, на транзистор - 60 s. Практически интерес представлява мостова схема с транзистор в едно от рамената (фиг. 1, в). В тази верига емитерният възел е включен в едно от рамената на моста R4, към колектора се прилага малко блокиращо напрежение.
Ключови тагове: диод, транзистор, температура |
|||||
|
|||||
|
|||||
Диод като температурен датчик - полупроводникова функция
Диодът е най-простото устройство в своята конфигурация, което има свойствата на полупроводник.
Между двете крайности на диода (донор и акцептор) се намира областта на пространствения заряд, иначе: p-n-преход. Този „мост“ осигурява проникването на електрони от една част в друга, следователно, поради различните имена на съставните му заряди, вътре в диода се появява доста малък, но все пак ток. Движението на електроните през диода става само в една посока. Разбира се, има обратно движение, но то е напълно незначително и когато се опитате да свържете източник на захранване в тази посока, диодът се блокира от обратно напрежение. Това увеличава плътността на веществото и се получава дифузия. Между другото, поради тази причина диодът се нарича полупроводников вентил (има движение в една посока, но не и в другата).
Ако се опитате да увеличите температурата на диода, тогава броят на малцинствените носители (електрони, движещи се в обратна посока на основната посока) ще се увеличи и p-n преходът ще започне да се срива.
Принципът на взаимодействие между спада на напрежението в p-n прехода на диода и температурата на самия диод беше разкрит почти веднага след проектирането му.
В резултат на това p-n преходът на силициевия диод е най-простият температурен сензор. Неговият TKV (температурен коефициент на напрежението) е 3 миливолта на градус по Целзий, а точката на падане на напрежението напред е около 0,7V.
За нормална работа това ниво на напрежение е ненужно ниско, следователно често се използва не самият диод, а транзисторните p-n преходи в комплект с основен делител на напрежение.
В резултат на това дизайнът по своите качества съответства на цялата последователност от диоди. В резултат на това индикаторът за спад на напрежението може да бъде много по-голям от 0,7V.
Тъй като TCR (температурният коефициент на съпротивление) на диода е отрицателен (-2mV / ° C), той се оказа много подходящ за използване във варикапи, където играе ролята на стабилизатор на резонансната честота на осцилаторната верига . Контролиран от температурата.
Данни за спада на напрежението на диода
При анализиране на показанията на цифров мултицет може да се отбележи, че данните за спада на напрежението в pn прехода за силициеви диоди са 690-700 mV, а за германий - 400-450 mV (въпреки че този тип диод практически не е използван в момента). Ако по време на измерването температурата на диода се повиши, тогава данните на мултиметъра, напротив, ще намалеят. Колкото по-голяма е силата на нагряване, толкова по-голям е спадът в цифровите данни.
Обикновено това свойство се използва за стабилизиране на процеса на работа в електронна система (например за аудиочестотни усилватели).
Схема на термометър на диод.
Температурни сензори за микроконтролер
В момента много схеми са изградени на микроконтролери, като тук могат да бъдат включени и различни температуромери, в които могат да се използват полупроводникови сензори, при условие че температурата по време на тяхната работа не надвишава 125 ° C.
Тъй като температуромерите се калибрират фабрично, няма нужда от калибриране и настройка на сензорите.Получените от тях резултати под формата на цифрови данни се подават на микроконтролера.
Прилагането на получената информация зависи от софтуерното съдържание на контролера.
Наред с други неща, такива сензори могат да работят в термостатичен режим, тоест (с предварително определена програма) да се включват или изключват при достигане на определена температура.
Въпреки това, ако други температурни индикатори станат референтни, програмата ще трябва да бъде пренаписана.
Други приложения
Въпреки че днес изборът на температурни сензори е много широк, никой не забравя за тяхната диодна версия, която често се използва в електрически ютии, електрически камини и електроника в най-широкия си смисъл.
Въпреки ограниченията в температурните условия, диодните сензори имат своите значителни предимства:
- относителна евтиност;
- скромни размери;
- лесно се побират огромен брой електронни устройства;
- отлична чувствителност и точност.
Благодарение на всички тези качества, областта на приложение на сензори от този тип расте от година на година.
Пишете коментари, допълнения към статията, може би съм пропуснал нещо. Разгледайте картата на сайта, ще се радвам, ако намерите още нещо полезно в сайта ми.
Прост електронен термометър на еднопреходен транзистор
категория
Радио вериги за дома
И. Нечаев. КурскРадио, 1992, № 8, с. 17-18
В тази статия ще говорим за възможността за проектиране на устройства за измерване на температура от разстояние - извън къщата или, да речем, на балкон „зеленчуков магазин“. Има много схеми, които ви позволяват да изпълнявате тази функция, но има определени характеристики при избора на температурно-чувствителен сензор.
По правило в повечето случаи при проектирането на такива устройства термисторите най-често се използват от радиолюбители. Те имат доста широк термичен коефициент на съпротивление (наричан по-долу TCR) - до 8% на градус. Въпреки това, той варира значително в зоната на измерените температури. Ако за домашни термометри можете да затворите очите си за този факт, тогава ако говорим за широк температурен диапазон (например, както в нашия случай, от - 40 градуса С до + 40 градуса С), тогава възникват определени проблеми с градуиране на устройството за измерване, то просто ще загуби своята линейност.
Ние също така знаем, че най-често срещаният pn преход на всяко полупроводниково устройство може да служи като температурен сензор, но TCH на обикновения преход е много малък - не повече от 0,3% на градус и това изисква въвеждането на допълнителни усилващи вериги, което значително усложнява дизайна.
Както показа опитът, еднопреходните транзистори от типа KT117 са най-подходящи за използване като температурен сензор (те са били използвани в захранването на 2 \ 3 USCT телевизора и няма да е трудно да ги намерите), ако го свържете, както е показано на снимката
В резултат на такова включване получаваме термистор със съпротивление 5 ... 10 kOhm с CTS от приблизително 0,7 ... 0,9% на градус C. В този случай скалата на устройството ще бъде линейна върху целия температурен диапазон. Това свойство на еднопреходния транзистор направи възможно използването му като температурен сензор в устройство, чиято верига е показана на фигурата.
Основата на разглеждания електронен термометър е измервателен мост на резистори R2-R5, в едното рамо на който е свързан еднопреходен транзистор VT1. В диагонала на моста е монтиран микроамперметър PA1 с нула в средата. Като източник на захранване може да служи пълновълнов токоизправител; за тази цел във веригата се въвежда параметричен стабилизатор на VT2 транзистор и ценеров диод VD1. Ако устройството ще работи за кратко време (включено, погледнато, изключено), тогава може да се използва и 9-волтова батерия от типа „Krona“, като в този случай стабилизиращите вериги могат да бъдат изключени от веригата.
Същността на устройството е следната: всички резистори във веригата са фиксирани, само съпротивлението на температурния сензор, чиято роля играе транзисторът, е променлива.Когато температурата на околната среда се промени, токът през температурния сензор ще се промени. Освен това токът ще се промени както нагоре с повишаване на температурата, така и надолу с намаляване на температурата. Оказва се, че остава само чрез избиране на резисторите на измервателния мост и регулиране на настройващия резистор R1, за да зададете показанията на инструмента стрелка до нула при 0 градуса С.
Когато настройвате устройството, можете да използвате следните препоръки - топенето на лед от хладилника може да се използва като еталон за "нулева" температура. Също така не е трудно да получите температура от 40 ... 50 градуса С. Можете просто да загреете фурната до желаната температура. По този начин можете да зададете нулевата позиция на устройството и максималното положително, като направите съответните маркировки на скалата. Знакът „минус“ може да бъде направен на същото разстояние като знак „плюс“, тъй като скалата на измерване ще бъде линейна.
Всички части на термометъра са монтирани върху печатна платка, изработена от едностранен фолиен текстолит, чиято скица е показана на фигурата.
Приблизителен външен вид на устройството е показан на следващата фигура.
За този термометър най-подходящ е микроамперметър от типа M4206 за ток от 50 μA с нула в средата на скалата. Ако изведнъж това устройство не е налично, тогава можете да използвате всеки друг микроамперметър за посочения ток (за предпочитане с голяма измервателна скала), но тогава ще трябва да се въведе допълнителен бутон във веригата, така че да е възможно да се контролира положителните и отрицателни температури отделно, както е показано на фигурата
Е, в крайна сметка: ако е необходимо, устройството може да бъде оборудвано с няколко температурни сензора, като ги включите според следната схема
Така ще можем да контролираме температурата в няколко обекта – например у дома и на улицата.
Термични сензори на транзистори в MK вериги
Физическата природа на полупроводниковите материали е такава, че техните параметри зависят доста силно от температурата. В конвенционалните усилващи вериги това явление се бори, докато при температуромерите, напротив, се насърчават.Например при силициевите транзистори с постоянен колекторен ток, с повишаване на температурата напрежението база-емитер U^^^ намалява с теоретичен коефициент от 2,1 mV / ° C. Действителната промяна е пропорционална на съотношението 1000|mV|/Gx1 K], където Gx е температурата на средата по скалата на Келвин.
Пример за изчисление. Нека напрежението между базата и емитера на стандартен силициев транзистор при температура 7;) = 20°C е ^^^
С повишаване на температурата на корпуса му до G, \u003d 35 ° C, това напрежение намалява с 49 m V: i
Действителното напрежение може леко да се различава от изчисленото, в зависимост от позицията на работната точка на транзистора и неговия тип. Във всеки случай се препоръчва намаляване и стабилизиране на тока, протичащ през /?-/7-прехода, за да се елиминира ефектът от самозагряване на кристала.
Ориз. 3.67. Схеми за свързване на транзисторни термични сензори към MK:
а) измерване на температура в диапазона от -30…+150°C. Температурният сензор е VTI транзисторът, в който напрежението (/[^e "се движи" с коефициент около 2 mV / ° C. Резисторите R4 и 7 задават температурния диапазон и +3 V калибриращо напрежение на входа на MK при стайна температура + 25 ° C. Транзисторът VTI има метален корпус, чийто край може да бъде притиснат в термоустойчива пластмасова тръба и цялата конструкция може да се използва като външна сонда или сонда;
б) температурен сензор на базата на еднопреходен транзистор VTI осигурява линейност на измерване на температурата в диапазона 0…+ 100°С;
в) VTI транзисторът е специално използван за повърхностен монтаж с малък размер (SMD). Това е необходимо за намаляване на топлинната инерция на сензора. Например, SMD транзистор влиза в стабилен топлинен режим една минута след температурен скок от 10 ° C (типичният „голям“ транзистор отнема няколко пъти повече време).Резистор /^/ балансира диференциална верига, състояща се от транзистори VTI, VT2\
На фиг. 3.67, a ... d показва диаграмите за свързване на транзисторни термични сензори към MK.
г) транзисторът VT1 има отвор в тялото си, през който може да се закрепи с винт върху повърхността на измервания обект. Колекторът на транзистора е електрически свързан към тялото му, което трябва да се има предвид при монтажа. Коефициентът на преобразуване на температурата е право пропорционален на съотношението на резисторите R3/R2 (в тази верига около 20 mV/°C).
Термичен сензор на транзистор E-core
В тази статия ще говоря за използването на биполярен транзистор като температурен сензор. Описанието е дадено в контекста на използването му за измерване на температурата на радиатор (охладител).
Основното предимство на температурния сензор на транзистора е, че осигурява добър термичен контакт с радиатора и е относително лесно да се фиксира върху него, а биполярният транзистор не е скъп.
По-долу е дадена диаграма на включване на транзистор и блок за обработка на сигнали на операционния усилвател. VT1 е транзисторно-температурният сензор, който е прикрепен към радиатора.
Транзисторът се използва умишлено в p-n-p структури. радиаторът често е свързан към общия проводник на веригата, а колекторът на транзистора в пакета TO-220 е свързан към радиатора и при закрепване на транзистора няма нужда да го изолирате електрически от радиатора, което допълнително опростява дизайна.
Спадът на напрежението в p-n прехода се променя с повишаване на температурата му със стръмност от приблизително -2 mV / градус (т.е. намалява с повишаване на температурата). Такава малка промяна на напрежението не е много удобна за обработка на ADC, освен това е по-удобно, когато зависимостта е директна, т.е. с повишаване на температурата температурният сигнал се увеличава.
Горната схема отклонява, инвертира и усилва сигнала от транзистора, осигурявайки увеличаване на изходното напрежение с повишаване на температурата и работи по следния начин.
От референтното напрежение, генерирано от делителя R1R2, падът на напрежението през транзистора се изважда и резултатът от изваждането се усилва. Референтното напрежение се избира точно над спада на напрежението на транзистора при температура от 25 градуса, което гарантира, че напрежението се измерва под 25 градуса.
Коефициентът на усилване на веригата се определя от съотношението R5/R4 + 1 и за тази схема е равно на 11. Крайната стръмност на температурния сигнал е 2*11=22mV/градус. По този начин, за да се осигури измерване на температура от 0 градуса, изходният сигнал при 25 градуса трябва да бъде най-малко 25*0,022=0,55V. Превишението на напрежението на отклонение над спада на транзистора при 25 градуса трябва да бъде най-малко 0,05V.
Спадът на напрежението в транзистора при 25 градуса е 0,5-0,6V и зависи от конкретния тип транзистор и тока през него и вероятно е невъзможно да се избере референтното напрежение „в движение“, следователно, на етапа на отстраняване на грешки, необходимо е да изберете резистори R1R2 за конкретен тип транзистор и ток през него, от един транзистор в друг, тази стойност може да се промени, но това вече може да бъде коригирано чрез софтуерни методи.
Токът през транзистора се определя от съпротивлението на резистора R3, в тази верига токът е приблизително равен на 15mA. Препоръчителната стойност на тока през транзистора е 10-20mA.
Горната схема е адаптирана за ADC с еталонно напрежение 3.3V, но може да се използва и за 5V еталонно напрежение, за това е необходимо да се увеличи усилването на веригата, въз основа на необходимия температурен диапазон.
На елементите R6VD1 се сглобява верига за ограничаване на изходното напрежение в случай на аварийни ситуации, например прекъсване на проводника към транзистора. Ако захранващото напрежение на операционния усилвател не надвишава референтното напрежение на ADC, тогава те могат да бъдат изключени.
Като DA1 може да се използва всеки оперативен усилвател, който осигурява работа с еднополярно захранване и входно напрежение от 0V. Например евтиният и обикновен LM358.
Като транзистор може да се използва всеки некомпозитен транзистор с p-n-p структура.
