Gerät und Typen
Ein Thermistor ist ein Halbleiterbauelement, dessen Widerstand von seiner Temperatur abhängt. Je nach Art des Elements kann der Widerstand bei Erwärmung steigen oder fallen. Es gibt zwei Arten von Thermistoren:
- NTC (Negativer Temperaturkoeffizient) - mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR). Sie werden oft als "Thermistoren" bezeichnet.
- PTC (Positive Temperature Coefficient) – mit einem positiven TCS. Sie werden auch "Pozistoren" genannt.
Wichtig! Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands ist die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur. Beschreibt, um wie viel Ohm oder Prozent des Nennwerts sich der Widerstand des Elements ändert, wenn seine Temperatur um 1 Grad Celsius ansteigt
Beispielsweise haben herkömmliche Widerstände einen positiven TCR (bei Erwärmung steigt der Widerstand der Leiter).
Thermistoren sind Niedertemperatur- (bis zu 170 K), Mitteltemperatur- (170-510 K) und Hochtemperatur- (900-1300 K) Thermistoren. Der Körper des Elements kann aus Kunststoff, Glas, Metall oder Keramik bestehen.
Die symbolische grafische Bezeichnung von Thermistoren im Diagramm ähnelt gewöhnlichen Widerständen, und der einzige Unterschied besteht darin, dass sie mit einem Streifen durchgestrichen sind und daneben der Buchstabe t angegeben ist.
So werden übrigens alle Widerstände bezeichnet, deren Widerstand sich unter dem Einfluss der Umgebung ändert, und die Art der Einflussgrößen wird durch den Buchstaben t gekennzeichnet, t ist Temperatur.
Hauptmerkmale:
- Nennwiderstand bei 25 Grad Celsius.
- Maximaler Strom oder Verlustleistung.
- Betriebstemperaturbereich.
- TKS.
Interessante Tatsache: Der Thermistor wurde 1930 von dem Wissenschaftler Samuel Ruben erfunden.
Schauen wir uns genauer an, wie es funktioniert und wofür jeder von ihnen ist.
Messungen
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Zur Temperaturmessung können Halbleiterdioden und Transistoren als thermische Wandler verwendet werden. Dies liegt daran, dass sich bei einem konstanten Stromwert, der in Vorwärtsrichtung beispielsweise durch den Übergang einer Diode fließt, die Spannung am Übergang nahezu linear mit der Temperatur ändert. Damit der Stromwert konstant bleibt, reicht es aus, einen großen aktiven Widerstand in Reihe mit der Diode zu schalten. In diesem Fall sollte der durch die Diode fließende Strom diese nicht erwärmen. Es ist möglich, eine Kalibrierkennlinie eines solchen Temperatursensors unter Verwendung von zwei Punkten aufzubauen – am Anfang und am Ende des gemessenen Temperaturbereichs. Abbildung 1, a zeigt die Temperaturmessschaltung mit der VD-Diode. Als Energiequelle kann eine Batterie dienen.
Reis. 1. Schema zur Temperaturmessung mit einer Diode (a) und Transistoren (b, c). Mit Brücken-Tonabnehmern können Sie die relative Empfindlichkeit des Geräts erhöhen, indem Sie den Anfangswert des Sensorwiderstands kompensieren. In ähnlicher Weise beeinflusst die Temperatur den Widerstand des Emitter-Basis-Übergangs von Transistoren. Dabei kann der Transistor gleichzeitig sowohl als Temperatursensor als auch als Verstärker seines eigenen Signals wirken. Daher hat die Verwendung von Transistoren als Wärmesensoren einen Vorteil gegenüber Dioden. Abbildung 1b zeigt eine Thermometerschaltung, in der ein Transistor (Germanium oder Silizium) als Temperaturwandler verwendet wird. Bei der Herstellung von Thermometern sowohl an Dioden als auch an Transistoren ist der Aufbau einer Kalibrierkennlinie erforderlich, wobei ein Quecksilberthermometer als beispielhaftes Messgerät verwendet werden kann. Die Trägheit von Thermometern an Dioden und Transistoren ist gering: an einer Diode - 30 s, an einem Transistor - 60 s. Von praktischem Interesse ist eine Brückenschaltung mit einem Transistor in einem der Arme (Abb. 1, c). In dieser Schaltung ist der Emitterübergang in einem der Arme der Brücke R4 enthalten, an den Kollektor wird eine kleine Sperrspannung angelegt.
Schlüsselanhänger: Diode, Transistor, Temperatur |
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Diode als Temperatursensor - Halbleiterfunktion
Eine Diode ist das einfachste Gerät in seiner Konfiguration, das die Eigenschaften eines Halbleiters hat.
Zwischen den beiden Extremen der Diode (Donor und Akzeptor) liegt die Raumladungszone, sonst: p-n-Übergang. Diese „Brücke“ sorgt für das Eindringen von Elektronen von einem Teil zum anderen, daher tritt aufgrund der unterschiedlichen Namen ihrer Ladungsbestandteile ein ziemlich kleiner, aber dennoch Strom in der Diode auf. Die Bewegung von Elektronen durch die Diode erfolgt nur in einer Richtung. Natürlich gibt es eine Rückwärtsbewegung, die jedoch völlig unbedeutend ist, und wenn Sie versuchen, eine Stromquelle in dieser Richtung anzuschließen, wird die Diode durch Rückwärtsspannung blockiert. Dadurch erhöht sich die Dichte des Stoffes und es findet eine Diffusion statt. Aus diesem Grund wird die Diode übrigens als Halbleiterventil bezeichnet (es gibt eine Bewegung in eine Richtung, aber nicht in die andere).
Wenn Sie versuchen, die Temperatur der Diode zu erhöhen, steigt die Anzahl der Minoritätsträger (Elektronen, die sich in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptrichtung bewegen) und der p-n-Übergang beginnt zusammenzubrechen.
Das Prinzip der Wechselwirkung zwischen dem Spannungsabfall am p-n-Übergang der Diode und der Temperatur der Diode selbst wurde fast unmittelbar nach ihrer Konstruktion aufgedeckt.
Damit ist der p-n-Übergang einer Siliziumdiode der einfachste Temperatursensor. Sein TKV (Spannungstemperaturkoeffizient) beträgt 3 Millivolt pro Grad Celsius, und der Spannungsabfallpunkt in Durchlassrichtung liegt bei etwa 0,7 V.
Für den Normalbetrieb ist dieser Spannungspegel unnötig niedrig, daher wird oft nicht die Diode selbst verwendet, sondern Transistor-p-n-Übergänge komplett mit einem grundlegenden Spannungsteiler.
Dadurch entspricht das Design in seinen Eigenschaften der gesamten Diodenfolge. Infolgedessen kann die Spannungsabfallanzeige viel größer als 0,7 V sein.
Da der TCR (Temperaturkoeffizient des Widerstands) der Diode negativ ist (-2 mV / ° C), erwies er sich als sehr relevant für den Einsatz in Varicaps, wo er die Rolle eines Stabilisators der Resonanzfrequenz des Schwingkreises spielt . Temperaturgesteuert.
Daten zum Diodenspannungsabfall
Bei der Analyse der Messwerte eines Digitalmultimeters kann festgestellt werden, dass die Daten zum Spannungsabfall am pn-Übergang für Siliziumdioden 690-700 mV und für Germanium 400-450 mV betragen (obwohl dieser Diodentyp praktisch nicht vorhanden ist im Moment verwendet). Wenn während der Messung die Temperatur der Diode ansteigt, nehmen die Multimeterdaten dagegen ab. Je größer die Heizkraft, desto größer der Abfall der digitalen Daten.
Normalerweise wird diese Eigenschaft verwendet, um den Arbeitsprozess in einem elektronischen System (z. B. für Tonfrequenzverstärker) zu stabilisieren.
Schema eines Thermometers auf einer Diode.
Temperatursensoren für Mikrocontroller
Derzeit werden viele Schaltungen auf Mikrocontrollern aufgebaut, und auch hier können verschiedene Temperaturmesser enthalten sein, in denen Halbleitersensoren verwendet werden können, sofern die Temperatur während ihres Betriebs 125 ° C nicht überschreitet.
Da die Temperaturmesser werksseitig kalibriert sind, entfällt das Kalibrieren und Justieren der Sensoren.Die daraus gewonnenen Ergebnisse in Form digitaler Daten werden dem Mikrocontroller zugeführt.
Die Anwendung der empfangenen Informationen hängt vom Softwareinhalt des Controllers ab.
Unter anderem können solche Sensoren in einem thermostatischen Modus arbeiten, das heißt (mit einem vorgegebenen Programm) ein- oder ausschalten, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist.
Wenn jedoch andere Temperaturindikatoren als Referenz dienen, muss das Programm neu geschrieben werden.
Andere Anwendungen
Obwohl die Auswahl an Temperatursensoren heute sehr groß ist, vergisst niemand ihre Diodenversion, die häufig in Bügeleisen, elektrischen Kaminen und Elektronik im weitesten Sinne verwendet wird.
Trotz der Einschränkungen bei den Temperaturbedingungen haben Diodensensoren ihre wesentlichen Vorteile:
- relative Billigkeit;
- bescheidene Abmessungen;
- Passen Sie problemlos eine große Anzahl elektronischer Geräte an;
- ausgezeichnete Empfindlichkeit und Genauigkeit.
Dank all dieser Eigenschaften wächst das Einsatzgebiet derartiger Sensoren von Jahr zu Jahr.
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Ein einfaches elektronisches Thermometer auf einem Unijunction-Transistor
Kategorie
Funkschaltungen für zu Hause
I. Netschajew. KurskRadio, 1992, Nr. 8, S. 17-18
In diesem Artikel werden wir über die Möglichkeit sprechen, Geräte zur Temperaturmessung aus der Ferne zu entwerfen - außerhalb des Hauses oder beispielsweise auf einem Balkon „Gemüseladen.“ Es gibt viele Schemata, mit denen Sie diese Funktion ausführen können, aber Es gibt bestimmte Merkmale bei der Auswahl eines temperaturempfindlichen Sensors.
In der Regel werden Thermistoren beim Entwerfen solcher Geräte in den meisten Fällen am häufigsten von Funkamateuren verwendet. Sie haben einen ziemlich großen thermischen Widerstandskoeffizienten (im Folgenden als TCR bezeichnet) - bis zu 8% pro Grad. Sie variiert jedoch stark im Bereich der gemessenen Temperaturen. Wenn Sie bei Heimthermometern die Augen vor dieser Tatsache verschließen können, dann treten bei einem weiten Temperaturbereich (z. B. wie in unserem Fall von - 40 ° C bis + 40 ° C) bestimmte Probleme auf Graduierung des Maßstabsgeräts verliert es einfach seine Linearität.
Wir wissen auch, dass der gebräuchlichste pn-Übergang eines Halbleiterbauelements als Temperatursensor dienen kann, jedoch ist der TCH eines einfachen Übergangs sehr klein – nicht mehr als 0,3 % pro Grad, und dies erfordert die Einführung zusätzlicher Verstärkerschaltungen. was das Design stark erschwert.
Wie die Erfahrung gezeigt hat, eignen sich Unijunction-Transistoren vom Typ KT117 am besten als Temperatursensor (sie wurden in den Netzteilen von 2 \ 3 USCT-Fernsehern verwendet und sind nicht schwer zu finden), wenn Sie sie wie gezeigt anschließen in dem Bild
Als Ergebnis einer solchen Einbeziehung erhalten wir einen Thermistor mit einem Widerstand von 5 ... 10 kOhm mit einem CTS von ungefähr 0,7 ... 0,9% pro Grad C. In diesem Fall ist die Skala des Geräts linear über dem gesamten Temperaturbereich. Diese Eigenschaft eines Unijunction-Transistors ermöglichte die Verwendung als Temperatursensor in einem Gerät, dessen Schaltung in der Abbildung dargestellt ist.
Die Basis des betrachteten elektronischen Thermometers ist eine Messbrücke auf den Widerständen R2-R5, in deren einen Arm ein Unijunction-Transistor VT1 geschaltet ist. In der Diagonalen der Brücke ist ein Mikroamperemeter PA1 mit Null in der Mitte eingebaut. Als Stromquelle kann ein Vollwellengleichrichter dienen, zu diesem Zweck wird ein parametrischer Stabilisator an einem VT2-Transistor und einer VD1-Zenerdiode in die Schaltung eingeführt. Wird das Gerät kurzzeitig betrieben (eingeschaltet, angeschaut, ausgeschaltet), kann auch eine 9-Volt-Batterie vom Typ „Krona“ verwendet werden, wobei die Stabilisierungsschaltungen von der Schaltung ausgenommen werden können.
Das Wesentliche des Geräts ist wie folgt: Alle Widerstände in der Schaltung sind fest, nur der Widerstand des Temperatursensors, dessen Rolle der Transistor spielt, ist variabel.Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, ändert sich der Strom durch den Temperatursensor. Darüber hinaus ändert sich der Strom sowohl bei einem Temperaturanstieg nach oben als auch bei einem Temperaturabfall nach unten.Es stellt sich heraus, dass er nur durch Auswahl der Widerstände der Messbrücke und durch Einstellen des Abstimmwiderstands R1 bleibt, um die Messwerte des Instruments einzustellen Pfeil auf Null bei 0 Grad C.
Bei der Einrichtung des Geräts können Sie sich an folgenden Empfehlungen orientieren – schmelzendes Eis aus dem Kühlschrank kann als Referenz für die „Null“-Temperatur verwendet werden. Es ist auch nicht schwierig, eine Temperatur von 40 ... 50 Grad C zu erreichen. Sie können den Ofen einfach auf die gewünschte Temperatur aufheizen. Somit können Sie die Nullstellung des Gerätes und das Maximum positiv einstellen, indem Sie die entsprechenden Markierungen auf der Skala vornehmen. Die „Minus“-Markierung kann im gleichen Abstand wie die „Plus“-Markierung angebracht werden, da die Messskala dann linear ist.
Alle Teile des Thermometers sind auf einer Leiterplatte aus einseitigem Folientextolit montiert, deren Skizze in der Abbildung dargestellt ist.
Ein ungefähres Aussehen des Geräts ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Für dieses Thermometer ist am besten ein Mikroamperemeter vom Typ M4206 für einen Strom von 50 μA mit einer Null in der Mitte der Skala geeignet. Wenn dieses Gerät plötzlich nicht verfügbar war, können Sie jedes andere Mikroamperemeter für den angegebenen Strom verwenden (vorzugsweise mit einer großen Messskala), aber dann muss ein zusätzlicher Knopf in den Stromkreis eingeführt werden, damit eine positive und positive Steuerung möglich ist negative Temperaturen separat, wie in der Abbildung gezeigt
Nun, zum Schluss: Bei Bedarf kann das Gerät mit mehreren Temperatursensoren ausgestattet werden, indem man sie nach folgendem Schema einschaltet
So können wir die Temperatur in mehreren Objekten kontrollieren - zum Beispiel zu Hause und auf der Straße.
Thermische Sensoren an Transistoren in MK-Schaltungen
Die physikalische Natur von Halbleitermaterialien ist derart, dass ihre Parameter ziemlich stark von der Temperatur abhängen. In konventionellen Verstärkerschaltungen wird dieses Phänomen bekämpft, in Temperaturmessern dagegen gefördert, zB bei Siliziumtransistoren mit konstantem Kollektorstrom nimmt mit steigender Temperatur die Basis-Emitter-Spannung U^^^ ab einen theoretischen Koeffizienten von 2,1 mV/°C. Die tatsächliche Änderung ist proportional zum Verhältnis 1000|mV|/Gx1 K], wobei Gx die Mediumstemperatur auf der Kelvin-Skala ist.
Rechenbeispiel. Die Spannung zwischen Basis und Emitter eines Standard-Siliziumtransistors bei einer Temperatur von 7;) = 20°C sei ^^^
Mit einem Anstieg der Gehäusetemperatur auf G, \u003d 35 ° C, nimmt diese Spannung um 49 m V ab: i
Je nach Lage des Arbeitspunktes des Transistors und seines Typs kann die tatsächliche Spannung geringfügig von der berechneten abweichen. In jedem Fall wird empfohlen, den durch den /?-/7-Übergang fließenden Strom zu reduzieren und zu stabilisieren, um den Effekt der Selbsterwärmung des Kristalls zu eliminieren.
Reis. 3.67. Schemata zum Anschließen von Transistor-Thermosensoren an MK:
a) Temperaturmessung im Bereich von -30…+150°C. Der Temperatursensor ist der VTI-Transistor, in dem die Spannung (/[^e) mit einem Koeffizienten von etwa 2 mV/°C „driftet“. Die Widerstände R4 und 7 legen den Temperaturbereich und +3 V Kalibrierspannung am MK-Eingang fest Raumtemperatur + 25 ° C. Der Transistor VTI hat ein Metallgehäuse, dessen Ende in ein hitzebeständiges Kunststoffrohr gepresst werden kann, und die gesamte Struktur kann als externe Sonde oder Sonde verwendet werden.
b) ein Temperatursensor basierend auf einem Single-Junction-Transistor VTI bietet eine Linearität der Temperaturmessung im Bereich von 0…+ 100 °C;
c) Der VTI-Transistor wird speziell für kleine Oberflächenmontagen (SMD) verwendet. Dies ist notwendig, um die thermische Trägheit des Sensors zu reduzieren. Beispielsweise tritt ein SMD-Transistor eine Minute nach einem Temperatursprung von 10 ° C in ein stabiles thermisches Regime ein (ein typischer „großer“ Transistor braucht um ein Vielfaches länger).Widerstand /^/ gleicht Differenzschaltung aus Transistoren VTI, VT2\
Auf Abb. 3.67, a ... d zeigt die Anschlusspläne von Transistor-Thermosensoren an den MK.
d) Transistor VT1 hat ein Loch in seinem Körper, durch das er mit einer Schraube auf der Oberfläche des zu messenden Objekts befestigt werden kann. Der Kollektor des Transistors ist elektrisch mit seinem Körper verbunden, was bei der Installation berücksichtigt werden muss. Der Temperaturumwandlungskoeffizient ist direkt proportional zum Verhältnis der Widerstände R3/R2 (in dieser Schaltung etwa 20 mV/°C).
Wärmesensor am E-Core-Transistor
In diesem Artikel werde ich über die Verwendung eines Bipolartransistors als Temperatursensor sprechen. Die Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit der Verwendung zur Messung der Temperatur eines Kühlkörpers (Wärmesenke).
Der Hauptvorteil des Temperatursensors auf dem Transistor besteht darin, dass er einen guten thermischen Kontakt zum Kühler bietet und relativ einfach darauf zu befestigen ist und der Bipolartransistor nicht teuer ist.
Unten ist ein Diagramm zum Einschalten eines Transistors und einer Signalverarbeitungseinheit an einem Operationsverstärker. VT1 ist der Transistor-Temperatursensor, der am Kühler angebracht ist.
Der Transistor wird absichtlich in p-n-p-Strukturen verwendet. Der Kühlkörper ist häufig mit dem gemeinsamen Draht der Schaltung verbunden, und der Kollektor des Transistors im TO-220-Gehäuse ist mit dem Kühlkörper verbunden, und beim Anbringen des Transistors muss er nicht elektrisch vom Kühlkörper isoliert werden. was das Design weiter vereinfacht.
Der Spannungsabfall über dem p-n-Übergang ändert sich mit einem Anstieg seiner Temperatur mit einer Steilheit von ungefähr –2 mV/Grad (d. h. nimmt mit steigender Temperatur ab). Eine so kleine Spannungsänderung ist nicht sehr bequem, um den ADC zu verarbeiten, außerdem ist es bequemer, wenn die Abhängigkeit direkt ist, d.h. wenn die Temperatur ansteigt, steigt das Temperatursignal an.
Die obige Schaltung spannt das Signal vom Transistor vor, invertiert und verstärkt es, wodurch eine Erhöhung der Ausgangsspannung mit zunehmender Temperatur bereitgestellt wird, und arbeitet wie folgt.
Von der durch den Teiler R1R2 erzeugten Referenzspannung wird der Spannungsabfall über dem Transistor subtrahiert und das Ergebnis der Subtraktion verstärkt. Die Referenzspannung wird knapp über dem Spannungsabfall über dem Transistor bei einer Temperatur von 25 Grad gewählt, was sicherstellt, dass die Spannung unter 25 Grad gemessen wird.
Die Verstärkung der Schaltung wird durch das Verhältnis R5/R4 + 1 bestimmt und beträgt für diese Schaltung 11. Die Endsteilheit des Temperatursignals beträgt 2*11=22mV/Grad. Um also eine Temperaturmessung ab 0 Grad zu gewährleisten, muss das Ausgangssignal bei 25 Grad mindestens 25*0,022=0,55V betragen. Der Überschuss der Vorspannung über den Abfall am Transistor bei 25 Grad muss mindestens 0,05 V betragen.
Der Spannungsabfall über dem Transistor bei 25 Grad beträgt 0,5-0,6 V und hängt vom spezifischen Transistortyp und dem Strom durch ihn ab, und es ist wahrscheinlich unmöglich, die Referenzspannung „on the fly“ auszuwählen, daher in der Debugging-Phase. Es ist notwendig, die Widerstände R1R2 für einen bestimmten Transistortyp und Strom durch ihn auszuwählen, von einem Transistor zum anderen kann sich dieser Wert ändern, dies kann jedoch bereits durch Softwaremethoden korrigiert werden.
Der Strom durch den Transistor wird durch den Widerstandswert des Widerstands R3 bestimmt, in dieser Schaltung beträgt der Strom ungefähr 15 mA. Der empfohlene Stromwert durch den Transistor beträgt 10-20mA.
Die obige Schaltung ist für einen ADC mit einer Referenzspannung von 3,3 V ausgelegt, kann aber auch für eine Referenzspannung von 5 V verwendet werden, dazu muss die Verstärkung der Schaltung basierend auf dem erforderlichen Temperaturbereich erhöht werden.
An den R6VD1-Elementen ist in Notsituationen, z. B. einem Drahtbruch zum Transistor, eine Ausgangsspannungsbegrenzungsschaltung montiert. Wenn die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers die Referenzspannung des ADC nicht überschreitet, können sie ausgeschlossen werden.
Als DA1 kann jeder Operationsverstärker verwendet werden, der den Betrieb mit unipolarer Stromversorgung und einer Eingangsspannung ab 0 V ermöglicht. Zum Beispiel der billige und gängige LM358.
Als Transistor kann jeder nicht zusammengesetzte Transistor einer p-n-p-Struktur verwendet werden.
