Zařízení a typy
Termistor je polovodičové zařízení, jehož odpor závisí na jeho teplotě. V závislosti na typu prvku může odpor při zahřívání stoupat nebo klesat. Existují dva typy termistorů:
- NTC (Negative Temperature Coefficient) - se záporným teplotním koeficientem odporu (TCR). Často jsou označovány jako "termistory".
- PTC (Positive Temperature Coefficient) - s kladným TCS. Říká se jim také „Pozistors“.
Důležité! Teplotní koeficient elektrického odporu je závislost odporu na teplotě. Popisuje, o kolik ohmů nebo procent nominální hodnoty se změní odpor prvku, když jeho teplota vzroste o 1 stupeň Celsia
Například klasické rezistory mají kladný TCR (při zahřívání se zvyšuje odpor vodičů).
Termistory jsou nízkoteplotní (do 170K), středněteplotní (170-510K) a vysokoteplotní (900-1300K). Tělo prvku může být vyrobeno z plastu, skla, kovu nebo keramiky.
Symbolické grafické označení termistorů ve schématu připomíná běžné rezistory a rozdíl je pouze v tom, že jsou přeškrtnuté proužkem a u něj je uvedeno písmeno t.
Mimochodem, takto se označují libovolné rezistory, jejichž odpor se mění vlivem prostředí a typ ovlivňujících veličin je označen písmenem, t je teplota.
Hlavní vlastnosti:
- Jmenovitá odolnost při 25 stupních Celsia.
- Maximální proud nebo ztrátový výkon.
- Rozsah provozních teplot.
- TKS.
Zajímavost: Termistor vynalezl v roce 1930 vědec Samuel Ruben.
Pojďme se blíže podívat, jak to funguje a k čemu každý z nich slouží.
Měření
|
|
|||||
|
Pro měření teploty lze jako tepelné převodníky použít polovodičové diody a tranzistory. Při konstantní hodnotě proudu procházejícího např. přechodem diody v propustném směru se totiž napětí na přechodu mění téměř lineárně s teplotou. Aby byla hodnota proudu konstantní, stačí zařadit velký aktivní odpor do série s diodou. V tomto případě by proud procházející diodou neměl způsobit její zahřívání. Kalibrační charakteristiku takového snímače teploty je možné sestavit pomocí dvou bodů - na začátku a na konci rozsahu měřených teplot. Obrázek 1, a ukazuje obvod měření teploty pomocí VD diody. Jako zdroj energie může sloužit baterie.
Rýže. 1. Schéma měření teploty pomocí diody (a) a tranzistorů (b, c). Můstkové snímače umožňují zvýšit relativní citlivost zařízení kompenzací počáteční hodnoty odporu snímače. Podobně teplota ovlivňuje odpor přechodu emitor-báze tranzistorů. V tomto případě může tranzistor současně fungovat jako teplotní senzor i jako zesilovač vlastního signálu. Proto má použití tranzistorů jako tepelných senzorů oproti diodám výhodu. Obrázek 1b ukazuje obvod teploměru, ve kterém je jako převodník teploty použit tranzistor (germanium nebo křemík). Při výrobě teploměrů jak na diodách, tak na tranzistorech je potřeba sestrojit kalibrační charakteristiku, přičemž jako příkladný měřicí přístroj lze použít rtuťový teploměr. Setrvačnost teploměrů na diodách a tranzistorech je malá: na diodě - 30 s, na tranzistoru - 60 s. Prakticky zajímavý je můstkový obvod s tranzistorem v jednom z ramen (obr. 1, c). V tomto obvodu je přechod emitoru zařazen do jednoho z ramen můstku R4, na kolektor je přivedeno malé blokovací napětí.
Klíčové štítky: dioda, tranzistor, teplota |
|||||
|
|||||
|
|||||
Dioda jako teplotní senzor - polovodičová funkce
Dioda je ve své konfiguraci nejjednodušší zařízení, které má vlastnosti polovodiče.
Mezi dvěma extrémy diody (donor a akceptor) leží oblast prostorového náboje, jinak: p-n-přechod. Tento „můstek“ zajišťuje pronikání elektronů z jedné části do druhé, takže kvůli různým názvům jeho jednotlivých nábojů se uvnitř diody objevuje poměrně malý, ale přesto proud. Pohyb elektronů diodou probíhá pouze jedním směrem. Samozřejmostí je zpětný pohyb, který je však zcela nepatrný a při pokusu o připojení zdroje v tomto směru je dioda zablokována zpětným napětím. Tím se zvyšuje hustota látky a dochází k difúzi. Mimochodem, právě z tohoto důvodu se dioda nazývá polovodičový ventil (dochází k pohybu v jednom směru, ale ne ve druhém).
Pokud se pokusíte zvýšit teplotu diody, pak se zvýší počet menšinových nosičů (elektrony pohybující se v opačném směru k hlavnímu směru) a p-n přechod se začne hroutit.
Princip interakce mezi úbytkem napětí na p-n přechodu diody a teplotou samotné diody byl odhalen téměř okamžitě po jejím návrhu.
V důsledku toho je p-n přechod křemíkové diody nejjednodušším teplotním senzorem. Jeho TKV (napěťový teplotní koeficient) je 3 milivolty na stupeň Celsia a dopředný bod poklesu napětí je asi 0,7 V.
Pro běžný provoz je tato úroveň napětí zbytečně nízká, proto se často nepoužívá samotná dioda, ale tranzistorové p-n přechody doplněné základním děličem napětí.
Výsledkem je, že provedení svými kvalitami odpovídá celé sekvenci diod. V důsledku toho může být indikátor poklesu napětí mnohem větší než 0,7V.
Vzhledem k tomu, že TCR (teplotní koeficient odporu) diody je záporný (-2 mV / ° C), ukázalo se, že je velmi relevantní pro použití ve varicapech, kde hraje roli stabilizátoru rezonanční frekvence oscilačního obvodu. . Řízené teplotou.
Údaje o poklesu napětí diody
Při analýze odečtů digitálního multimetru lze poznamenat, že údaje o úbytku napětí na přechodu pn pro křemíkové diody jsou 690-700 mV a pro germanium - 400-450 mV (ačkoli tento typ diody prakticky není v současnosti používané). Pokud během měření teplota diody stoupne, údaje multimetru se naopak sníží. Čím větší je zahřívací síla, tím větší je pokles digitálních dat.
Obvykle se tato vlastnost používá ke stabilizaci procesu práce v elektronickém systému (například pro zesilovače audio frekvence).
Schéma teploměru na diodě.
Teplotní senzory pro mikrokontrolér
V současné době je mnoho obvodů postaveno na mikrokontrolérech a lze sem zařadit i různé měřiče teploty, ve kterých lze použít polovodičové senzory, pokud teplota při jejich provozu nepřesáhne 125 °C.
Vzhledem k tomu, že měřiče teploty jsou zkalibrovány ve výrobě, není třeba senzory kalibrovat a nastavovat.Výsledky z nich získané ve formě digitálních dat jsou přiváděny do mikrokontroléru.
Aplikace přijatých informací závisí na softwarovém obsahu ovladače.
Taková čidla mohou mimo jiné pracovat v termostatickém režimu, to znamená (s předem stanoveným programem) sepnout nebo vypnout při dosažení určité teploty.
Pokud se však jiné indikátory teploty stanou referenčními, program bude muset být přepsán.
Jiné aplikace
Přestože je dnes výběr teplotních čidel velmi široký, nikdo nezapomíná na jejich diodovou verzi, která se často používá v elektrických žehličkách, elektrických krbech a elektronice v nejširším slova smyslu.
I přes omezení teplotních podmínek mají diodové senzory své významné výhody:
- relativní levnost;
- skromné rozměry;
– snadno se vejde velké množství elektronických zařízení;
- vynikající citlivost a přesnost.
Díky všem těmto vlastnostem se oblast použití senzorů tohoto typu rok od roku rozrůstá.
Pište komentáře, doplnění článku, možná mi něco uniklo. Podívejte se na mapu stránek, budu rád, když se vám na mých stránkách ještě něco hodí.
Jednoduchý elektronický teploměr na unijunkčním tranzistoru
kategorie
Rádiové obvody pro domácnost
I. Něčajev. KurskRadio, 1992, č. 8, s. 17-18
V tomto článku budeme hovořit o možnosti navrhnout zařízení pro měření teploty na dálku - mimo dům nebo, řekněme, na balkoně „obchod se zeleninou“. Existuje mnoho schémat, které vám umožňují tuto funkci provádět, ale při výběru senzoru citlivého na teplotu existují určité vlastnosti.
Zpravidla ve většině případů při navrhování takových zařízení termistory nejčastěji používají radioamatéři. Mají dosti široký koeficient tepelného odporu (dále jen TCR) – až 8 % na stupeň. Velmi se však liší v pásmu měřených teplot. Pokud u domácích teploměrů můžete před touto skutečností zavřít oči, pak pokud mluvíme o širokém teplotním rozsahu (například jako v našem případě od - 40 stupňů C do + 40 stupňů C), pak nastávají určité problémy s stupnice zařízení měřící stupnice, jednoduše ztratí svou linearitu.
Víme také, že nejběžnější pn přechod jakéhokoli polovodičového zařízení může sloužit jako teplotní senzor, nicméně TCH jednoduchého přechodu je velmi malý - ne více než 0,3% na stupeň, a to vyžaduje zavedení dalších zesilovacích obvodů, což značně komplikuje design.
Jak ukázala zkušenost, pro použití jako teplotní senzor se nejlépe hodí unijunkční tranzistory typu KT117 (byly použity v napájecích zdrojích 2 \ 3 USCT TV a nebude těžké je najít), pokud je zapojíte podle obrázku na obrázku
V důsledku takového zahrnutí získáme termistor s odporem 5 ... 10 kOhm s CTS přibližně 0,7 ... 0,9 % na stupeň C. V tomto případě bude měřítko zařízení lineární přes celý teplotní rozsah. Tato vlastnost unijunkčního tranzistoru umožnila jeho použití jako snímače teploty v zařízení, jehož zapojení je na obrázku.
Základem uvažovaného elektronického teploměru je měřicí můstek na rezistorech R2-R5, v jehož jednom rameni je zapojen unijunkční tranzistor VT1. V diagonále můstku je instalován mikroampérmetr PA1 s nulou uprostřed. Jako zdroj energie může sloužit celovlnný usměrňovač, za tímto účelem je do obvodu zaveden parametrický stabilizátor na tranzistoru VT2 a zenerova dioda VD1. Pokud bude zařízení krátkodobě provozováno (zapnuto, prohlédnuto, vypnuto), pak lze použít i 9V baterii typu „Krona“, v tomto případě lze z obvodu vyřadit stabilizační obvody.
Podstata zařízení je následující: všechny odpory v obvodu jsou pevné, pouze odpor snímače teploty, jehož roli hraje tranzistor, je proměnný.Když se změní okolní teplota, změní se proud přes teplotní senzor. Proud se navíc bude měnit jak směrem nahoru se zvýšením teploty, tak i dolů s poklesem teploty. Ukazuje se, že zůstává pouze výběrem rezistorů měřicího můstku a nastavením ladicího rezistoru R1 pro nastavení hodnot přístroje šipka na nulu při 0 stupních C.
Při nastavování zařízení můžete použít následující doporučení - tající led z chladničky lze použít jako referenční pro "nulovou" teplotu. Také není těžké získat teplotu 40 ... 50 stupňů C. Troubu jednoduše nahřejete na požadovanou teplotu. Můžete tak nastavit nulovou polohu zařízení a maximální kladnou polohu pomocí příslušných značek na stupnici. Značka „mínus“ může být umístěna ve stejné vzdálenosti jako značka „plus“, protože měřítko měření bude lineární.
Všechny díly teploměru jsou osazeny na desce plošných spojů z jednostranné fólie textolitu, jejíž náčrt je na obrázku.
Přibližný vzhled zařízení je na následujícím obrázku.
K tomuto teploměru se nejlépe hodí mikroampérmetr typu M4206 pro proud 50 μA s nulou uprostřed stupnice. Pokud náhle toto zařízení nebylo k dispozici, můžete pro stanovený proud použít jakýkoli jiný mikroampérmetr (nejlépe s velkou měřící stupnicí), ale pak bude nutné do obvodu zavést další tlačítko, aby bylo možné ovládat kladné a záporné teploty samostatně, jak je znázorněno na obrázku
No, nakonec: v případě potřeby může být zařízení vybaveno několika teplotními senzory jejich zapnutím podle následujícího schématu
Budeme tak moci kontrolovat teplotu v několika objektech – například doma i na ulici.
Tepelné snímače na tranzistorech v obvodech MK
Fyzikální povaha polovodičových materiálů je taková, že jejich parametry dosti silně závisí na teplotě. V konvenčních zesilovacích obvodech se s tímto jevem bojuje, zatímco v měřičích teploty naopak podporovány.Například u křemíkových tranzistorů s konstantním kolektorovým proudem se s rostoucí teplotou napětí báze-emitor U^^^ snižuje s teoretický koeficient 2,1 mV / °C. Skutečná změna je úměrná poměru 1000|mV|/Gx1 K], kde Gx je teplota média na Kelvinově stupnici.
Příklad výpočtu. Napětí mezi bází a emitorem standardního křemíkového tranzistoru při teplotě 7;) = 20°C nechť je ^^^
Se zvýšením teploty jeho pouzdra na G, \u003d 35 ° C se toto napětí sníží o 49 m V: i
Skutečné napětí se může mírně lišit od vypočteného v závislosti na poloze pracovního bodu tranzistoru a jeho typu. V každém případě je doporučeno snížit a stabilizovat proud protékající /?-/7-přechodem, aby se eliminoval vliv samovolného ohřevu krystalu.
Rýže. 3,67. Schémata připojení tranzistorových tepelných senzorů k MK:
a) měření teploty v rozsahu -30…+150°C. Teplotní čidlo je tranzistor VTI, ve kterém napětí (/[^e "driftuje" s koeficientem cca 2 mV / °C. Rezistory R4 a 7 nastavují teplotní rozsah a +3 V kalibrační napětí na vstupu MK při pokojová teplota + 25 °C. Tranzistor VTI má kovové pouzdro, jehož konec lze zalisovat do žáruvzdorné plastové trubičky a celou konstrukci použít jako externí sondu nebo sondu;
b) teplotní čidlo na bázi jednopřechodového tranzistoru VTI zajišťuje linearitu měření teploty v rozsahu 0…+ 100°С;
c) Tranzistor VTI se používá speciálně pro povrchovou montáž malých rozměrů (SMD). To je nezbytné pro snížení tepelné setrvačnosti snímače. Například tranzistor SMD vstoupí do stabilního tepelného režimu jednu minutu po teplotním skoku o 10 °C (typický „velký“ tranzistor trvá několikrát déle).Rezistor /^/ vyrovnává diferenciální obvod sestávající z tranzistorů VTI, VT2\
Na Obr. 3.67, a ... d ukazuje schémata připojení tranzistorových tepelných snímačů k MK.
d) tranzistor VT1 má v těle otvor, kterým jej lze upevnit šroubem na povrch měřeného předmětu. Kolektor tranzistoru je elektricky spojen s jeho tělem, což je třeba vzít v úvahu při instalaci. Teplotní převodní koeficient je přímo úměrný poměru rezistorů R3/R2 (v tomto zapojení cca 20 mV/°C).
Tepelný senzor na E-core tranzistoru
V tomto článku budu hovořit o použití bipolárního tranzistoru jako teplotního senzoru. Popis je uveden v kontextu jeho použití k měření teploty chladiče (chladiče).
Hlavní výhodou teplotního čidla na tranzistoru je, že poskytuje dobrý tepelný kontakt s radiátorem a je poměrně snadné jej na něj upevnit a bipolární tranzistor není drahý.
Níže je schéma zapínání tranzistoru a jednotky zpracování signálu na operačním zesilovači. VT1 je snímač teploty tranzistoru, který je připevněn k radiátoru.
Tranzistor je záměrně použit ve strukturách p-n-p. chladič je často připojen na společný vodič obvodu a kolektor tranzistoru v pouzdře TO-220 je připojen k chladiči a při uchycení tranzistoru není potřeba jej elektricky izolovat od chladiče, což dále zjednodušuje design.
Pokles napětí na p-n přechodu se mění s nárůstem jeho teploty se strmostí přibližně -2 mV / stupeň (tj. klesá s rostoucí teplotou). Taková malá změna napětí není příliš vhodná pro zpracování ADC, navíc je výhodnější, když je závislost přímá, tzn. jak se teplota zvyšuje, signál teploty se zvyšuje.
Výše uvedený obvod předpětí, invertuje a zesiluje signál z tranzistoru, čímž poskytuje zvýšení výstupního napětí s rostoucí teplotou, a funguje následovně.
Od referenčního napětí generovaného děličem R1R2 se odečte úbytek napětí na tranzistoru a výsledek odečtení se zesílí. Referenční napětí se volí těsně nad úbytkem napětí na tranzistoru při teplotě 25 stupňů, což zajišťuje měření napětí pod 25 stupňů.
Zisk obvodu je určen poměrem R5/R4 + 1 a pro tento obvod je roven 11. Konečná strmost teplotního signálu je 2*11=22mV/stupeň. Aby bylo zajištěno měření teploty od 0 stupňů, výstupní signál při 25 stupních musí být alespoň 25*0,022=0,55V. Přebytek předpětí nad poklesem na tranzistoru při 25 stupních musí být alespoň 0,05 V.
Úbytek napětí na tranzistoru při 25 stupních je 0,5-0,6V a závisí na konkrétním typu tranzistoru a proudu, který jím prochází, a je pravděpodobně nemožné zvolit referenční napětí „za běhu“, proto ve fázi ladění, je nutné vybrat rezistory R1R2 pro konkrétní typ tranzistoru a proud přes něj, z jednoho tranzistoru na druhý se tato hodnota může změnit, ale to již lze opravit softwarovými metodami.
Proud tranzistorem je určen odporem rezistoru R3, v tomto obvodu je proud přibližně roven 15mA. Doporučená hodnota proudu tranzistorem je 10-20mA.
Výše uvedený obvod je uzpůsoben pro ADC s referenčním napětím 3,3V, ale může být použit i pro referenční napětí 5V, k tomu je nutné zvýšit zesílení obvodu na základě požadovaného teplotního rozsahu.
Na prvcích R6VD1 je sestaven obvod omezující výstupní napětí pro případ nouzových situací, například přerušení vodiče k tranzistoru. Pokud napájecí napětí operačního zesilovače nepřekročí referenční napětí ADC, lze je vyloučit.
Jako DA1 lze použít jakýkoli operační zesilovač, který zajišťuje provoz s unipolárním napájením a vstupním napětím od 0V. Například levný a běžný LM358.
Jako tranzistor lze použít jakýkoli nekompozitní tranzistor p-n-p struktury.
