Uređaji i vrste
Termistor je poluvodički uređaj čiji otpor ovisi o njegovoj temperaturi. Ovisno o vrsti elementa, otpor može porasti ili pasti dok se zagrijava. Postoje dvije vrste termistora:
- NTC (Negative Temperature Coefficient) - s negativnim temperaturnim koeficijentom otpora (TCR). Često se nazivaju "termistori".
- PTC (pozitivni temperaturni koeficijent) - s pozitivnim TCS. Nazivaju se i "pozistorima".
Važno! Temperaturni koeficijent električnog otpora je ovisnost otpora o temperaturi. Opisuje za koliko ohma ili posto nominalne vrijednosti se mijenja otpor elementa kada njegova temperatura poraste za 1 stupanj Celzijusa
Na primjer, konvencionalni otpornici imaju pozitivan TCR (kada se zagrijavaju, otpor vodiča se povećava).
Termistori su niskotemperaturni (do 170K), srednjetemperaturni (170-510K) i visokotemperaturni (900-1300K). Tijelo elementa može biti izrađeno od plastike, stakla, metala ili keramike.
Simbolička grafička oznaka termistora na dijagramu podsjeća na obične otpornike, a jedina razlika je u tome što su precrtani prugom, a uz nju je naznačeno slovo t.
Usput, ovako se označavaju svi otpornici, čiji se otpor mijenja pod utjecajem okoline, a vrsta utjecajnih veličina označena je slovom, t je temperatura.
Glavne karakteristike:
- Nazivna otpornost na 25 stupnjeva Celzija.
- Maksimalna rasipanje struje ili snage.
- Raspon radne temperature.
- TKS.
Zanimljivost: Termistor je 1930. godine izumio znanstvenik Samuel Ruben.
Pogledajmo pobliže kako funkcionira i čemu služi svaki od njih.
mjerenja
|
|
|||||
|
Za mjerenje temperature kao termalni pretvarači mogu se koristiti poluvodičke diode i tranzistori. To je zato što se pri konstantnoj vrijednosti struje koja teče u smjeru naprijed, na primjer, kroz spoj diode, napon na spoju mijenja gotovo linearno s temperaturom. Da bi vrijednost struje bila konstantna, dovoljno je uključiti veliki aktivni otpor u seriju s diodom. U tom slučaju struja koja prolazi kroz diodu ne bi trebala uzrokovati njezino zagrijavanje. Moguće je izgraditi kalibracijsku karakteristiku takvog temperaturnog senzora koristeći dvije točke - na početku i na kraju mjerenog temperaturnog raspona. Slika 1, a prikazuje krug mjerenja temperature pomoću VD diode. Baterija može poslužiti kao izvor napajanja.
Riža. 1. Shema za mjerenje temperature pomoću diode (a) i tranzistora (b, c). Bridge pickups omogućuju povećanje relativne osjetljivosti uređaja kompenzacijom početne vrijednosti otpora senzora. Slično, temperatura utječe na otpor prijelaza emiter-baza tranzistora. U ovom slučaju, tranzistor može istovremeno djelovati i kao senzor temperature i kao pojačalo vlastitog signala. Stoga korištenje tranzistora kao toplinskih senzora ima prednost u odnosu na diode. Slika 1b prikazuje termometarski krug u kojem se kao pretvarač temperature koristi tranzistor (germanij ili silicij). U proizvodnji termometara i na diodama i na tranzistorima potrebno je izgraditi kalibracijsku karakteristiku, dok se živin termometar može koristiti kao ogledni mjerni instrument. Inercija termometara na diodama i tranzistorima je mala: na diodi - 30 s, na tranzistoru - 60 s. Od praktičnog interesa je mosni sklop s tranzistorom u jednom od krakova (slika 1, c). U ovom krugu, emiterski spoj je uključen u jedan od krakova mosta R4, mali napon blokiranja se primjenjuje na kolektor.
Ključne oznake: dioda, tranzistor, temperatura |
|||||
|
|||||
|
|||||
Dioda kao senzor temperature - funkcija poluvodiča
Dioda je najjednostavniji uređaj u svojoj konfiguraciji koji ima svojstva poluvodiča.
Između dva ekstrema diode (donora i akceptora) nalazi se područje prostornog naboja, inače: p-n-spoj. Ovaj "most" osigurava prodiranje elektrona iz jednog dijela u drugi, pa se zbog različitih naziva njegovih sastavnih naboja unutar diode pojavljuje prilično mala, ali ipak, struja. Kretanje elektrona kroz diodu događa se samo u jednom smjeru. Naravno, postoji obrnuto kretanje, ali je potpuno beznačajno, a kada pokušate spojiti izvor napajanja u ovom smjeru, dioda je blokirana obrnutim naponom. Time se povećava gustoća tvari i dolazi do difuzije. Usput, zbog toga se dioda naziva poluvodičkim ventilom (postoji kretanje u jednom smjeru, ali ne i u drugom).
Ako pokušate povećati temperaturu diode, tada će se povećati broj manjinskih nosača (elektrona koji se kreću u suprotnom smjeru od glavnog smjera), a p-n spoj će se početi urušavati.
Princip interakcije između pada napona na p-n spoju diode i temperature same diode otkriven je gotovo odmah nakon što je dizajnirana.
Kao rezultat toga, p-n spoj silikonske diode je najjednostavniji senzor temperature. Njegov TKV (temperaturni koeficijent napona) je 3 milivolta po stupnju Celzijusa, a točka pada napona naprijed je oko 0,7 V.
Za normalan rad, ova razina napona je nepotrebno niska, stoga se često ne koristi sama dioda, već tranzistorski p-n spojevi zajedno s osnovnim djeliteljem napona.
Kao rezultat toga, dizajn u svojim kvalitetama odgovara cijelom nizu dioda. Kao rezultat toga, indikator pada napona može biti mnogo veći od 0,7V.
Budući da je TCR (temperaturni koeficijent otpora) diode negativan (-2mV / ° C), pokazalo se da je vrlo relevantan za korištenje u varikapima, gdje igra ulogu stabilizatora rezonantne frekvencije titrajnog kruga . Kontrolirano temperaturom.
Podaci o padu napona diode
Analizirajući očitanja digitalnog multimetra, može se primijetiti da su podaci o padu napona na pn spoju za silicijeve diode 690-700 mV, a za germanij - 400-450 mV (iako ova vrsta dioda praktički nije trenutno se koristi). Ako tijekom mjerenja temperatura diode poraste, tada će se podaci multimetra, naprotiv, smanjiti. Što je veća sila grijanja, veći je pad digitalnih podataka.
Obično se ovo svojstvo koristi za stabilizaciju procesa rada u elektroničkom sustavu (na primjer, za pojačala audio frekvencije).
Shema termometra na diodi.
Temperaturni senzori za mikrokontroler
Trenutno su mnogi sklopovi izgrađeni na mikrokontrolerima, a ovdje se mogu uključiti i različiti mjerači temperature u kojima se mogu koristiti poluvodički senzori, pod uvjetom da temperatura tijekom njihovog rada ne prelazi 125 ° C.
Budući da se mjerači temperature kalibriraju u tvornici, nema potrebe za kalibracijom i podešavanjem senzora.Rezultati dobiveni iz njih u obliku digitalnih podataka se unose u mikrokontroler.
Primjena primljenih informacija ovisi o softverskom sadržaju kontrolera.
Između ostalog, takvi senzori mogu raditi u termostatskom načinu rada, odnosno (s unaprijed određenim programom) uključiti se ili isključiti kada se postigne određena temperatura.
Međutim, ako drugi indikatori temperature postanu referentni, program će se morati ponovno napisati.
Ostale aplikacije
Iako je danas izbor temperaturnih senzora vrlo širok, nitko ne zaboravlja na njihovu diodnu verziju koja se često koristi u električnim glačalama, električnim kaminom i elektronici u svom najširem smislu.
Unatoč ograničenjima u temperaturnim uvjetima, diodni senzori imaju svoje značajne prednosti:
- relativna jeftinost;
- skromnih dimenzija;
- lako uklopiti veliki broj elektroničkih uređaja;
- izvrsna osjetljivost i točnost.
Zahvaljujući svim tim kvalitetama, područje primjene senzora ove vrste raste iz godine u godinu.
Napišite komentare, dodatke na članak, možda sam nešto propustio. Pogledajte kartu, bit će mi drago ako nađete još nešto korisno na mojoj stranici.
Jednostavan elektronski termometar na jednospojnom tranzistoru
kategorija
Radio sklopovi za dom
I. Nečajev. KurskRadio, 1992, br. 8, str. 17-18
U ovom ćemo članku govoriti o mogućnosti projektiranja uređaja za mjerenje temperature na daljinu - izvan kuće ili, recimo, na balkonu "povrće". Postoji mnogo shema koje vam omogućuju obavljanje ove funkcije, ali postoje određene značajke pri odabiru temperaturno osjetljivog senzora.
U pravilu, u većini slučajeva, pri projektiranju takvih uređaja, radioamateri najčešće koriste termistore. Imaju prilično širok toplinski koeficijent otpora (u daljnjem tekstu TCR) - do 8% po stupnju. Međutim, jako varira u zoni mjerenih temperatura. Ako za kućne termometre možete zatvoriti oči pred ovom činjenicom, onda ako govorimo o širokom temperaturnom rasponu (na primjer, kao u našem slučaju, od - 40 stupnjeva C do + 40 stupnjeva C), tada se javljaju određeni problemi s gradacije uređaja mjerne ljestvice, jednostavno će izgubiti svoju linearnost.
Također znamo da najčešći pn spoj bilo kojeg poluvodičkog uređaja može poslužiti kao senzor temperature, međutim, TCH jednostavnog spoja je vrlo mali - ne više od 0,3% po stupnju, a to zahtijeva uvođenje dodatnih krugova za pojačavanje, što uvelike komplicira dizajn.
Kao što je iskustvo pokazalo, jednospojni tranzistori tipa KT117 najprikladniji su za korištenje kao senzor temperature (koristili su se u napajanjima 2 \ 3 USCT televizora i neće ih biti teško pronaći) ako ih spojite kako je prikazano na slici
Kao rezultat takvog uključivanja, dobivamo termistor s otporom od 5 ... 10 kOhm s CTS od približno 0,7 ... 0,9% po stupnju C. U ovom slučaju, skala uređaja će biti linearna preko cijeli temperaturni raspon. Ovo svojstvo jednospojnog tranzistora omogućilo je da se koristi kao senzor temperature u uređaju, čiji je krug prikazan na slici.
Osnova razmatranog elektroničkog termometra je mjerni most na otpornicima R2-R5 u čijem je jednom kraku spojen jednospojni tranzistor VT1. U dijagonalu mosta ugrađen je mikroampermetar PA1 s nulom u sredini. Kao izvor napajanja može poslužiti punovalni ispravljač, u tu svrhu se u krug uvodi parametarski stabilizator na VT2 tranzistoru i zener dioda VD1. Ako će uređaj raditi kratko vrijeme (uključen, pogledan, isključen), tada se može koristiti i 9-voltna baterija tipa "Krona", u kojem slučaju se stabilizacijski krugovi mogu isključiti iz kruga.
Bit uređaja je sljedeća: svi otpornici u krugu su fiksni, samo je otpor temperaturnog senzora, čiju ulogu igra tranzistor, promjenjiv.Kada se temperatura okoline promijeni, struja kroz senzor temperature će se promijeniti. Štoviše, struja će se mijenjati i prema gore s povećanjem temperature i prema dolje s smanjenjem temperature. Ispada da ostaje samo odabirom otpornika mjernog mosta i podešavanjem ugađajućeg otpornika R1 za postavljanje očitanja instrumenta. strelica na nulu na 0 stupnjeva C.
Prilikom postavljanja uređaja možete koristiti sljedeće preporuke – otapanje leda iz hladnjaka može poslužiti kao referenca za "nultu" temperaturu. Također nije teško dobiti temperaturu od 40 ... 50 stupnjeva C. Možete jednostavno zagrijati pećnicu na željenu temperaturu. Tako možete postaviti nulti položaj uređaja i maksimalnu pozitivu tako što ćete napraviti odgovarajuće oznake na skali. Oznaka "minus" može se napraviti na istoj udaljenosti kao i oznaka "plus", jer će skala mjerenja biti linearna.
Svi dijelovi termometra postavljeni su na tiskanu ploču izrađenu od jednostranog folijskog tekstolita, čija je skica prikazana na slici.
Približan izgled uređaja prikazan je na sljedećoj slici.
Za ovaj termometar najprikladniji je mikroampermetar tipa M4206 za struju od 50 μA s nulom u sredini ljestvice. Ako iznenada ovaj uređaj nije bio dostupan, tada možete koristiti bilo koji drugi mikroampermetar za navedenu struju (po mogućnosti s velikom mjernom skalom), ali tada će se u krug morati uvesti dodatni gumb kako bi se moglo kontrolirati pozitivni i negativne temperature odvojeno, kao što je prikazano na slici
Pa, na kraju: ako je potrebno, uređaj se može opremiti s nekoliko temperaturnih senzora uključivanjem prema sljedećoj shemi
Tako ćemo moći kontrolirati temperaturu u nekoliko objekata - na primjer, kod kuće i na ulici.
Toplinski senzori na tranzistorima u MK krugovima
Fizička priroda poluvodičkih materijala je takva da njihovi parametri dosta ovise o temperaturi. U konvencionalnim pojačalačkim krugovima protiv se ovog fenomena bori, dok se u temperaturnim mjeračima, naprotiv, potiču.Na primjer, u silicijskim tranzistorima s konstantnom kolektorskom strujom, s porastom temperature, napon baza-emiter U^^^ opada s teorijski koeficijent od 2,1 mV / ° C. Stvarna promjena proporcionalna je omjeru 1000|mV|/Gx1 K], gdje je Gx temperatura medija na Kelvinovoj ljestvici.
Primjer izračuna. Neka napon između baze i emitera standardnog silikonskog tranzistora na temperaturi od 7;) = 20°C bude ^^^
S povećanjem temperature njegovog kućišta na G, \u003d 35 ° C, ovaj se napon smanjuje za 49 m V: i
Stvarni napon može se neznatno razlikovati od izračunatog, ovisno o položaju radne točke tranzistora i njegovom tipu. U svakom slučaju, preporuča se smanjiti i stabilizirati struju koja teče kroz /?-/7-spoj kako bi se eliminirao učinak samozagrijavanja kristala.
Riža. 3.67. Sheme za povezivanje tranzistorskih termičkih senzora na MK:
a) mjerenje temperature u rasponu od -30…+150°C. Temperaturni senzor je VTI tranzistor, u kojem napon (/[^e "drift") s koeficijentom od oko 2 mV / ° C. Otpornici R4 i 7 postavljaju temperaturni raspon i +3 V kalibracijski napon na MK ulazu na sobna temperatura + 25 ° C. Tranzistor VTI ima metalno kućište, čiji se kraj može utisnuti u plastičnu cijev otpornu na toplinu, a cijela struktura se može koristiti kao vanjska sonda ili sonda;
b) temperaturni senzor baziran na jednospojnom tranzistoru VTI osigurava linearnost mjerenja temperature u rasponu od 0…+ 100°S;
c) VTI tranzistor se posebno koristi za površinsku montažu male veličine (SMD). To je potrebno kako bi se smanjila toplinska inercija senzora. Na primjer, SMD tranzistor ulazi u stabilan toplinski režim jednu minutu nakon temperaturnog skoka od 10 ° C (tipični "veliki" tranzistor traje nekoliko puta dulje).Otpornik /^/ balansira diferencijalni krug koji se sastoji od tranzistora VTI, VT2\
Na sl. 3.67, a ... d prikazuje dijagrame povezivanja tranzistorskih termičkih senzora na MK.
d) tranzistor VT1 u svom tijelu ima rupu kroz koju se može pričvrstiti vijkom na površinu predmeta koji se mjeri. Kolektor tranzistora je električno spojen na njegovo tijelo, što se mora uzeti u obzir prilikom instalacije. Koeficijent pretvorbe temperature izravno je proporcionalan omjeru otpornika R3/R2 (u ovom krugu oko 20 mV/°C).
Toplinski senzor na E-core tranzistoru
U ovom članku govorit ću o korištenju bipolarnog tranzistora kao temperaturnog senzora. Opis je dan u kontekstu njegove upotrebe za mjerenje temperature hladnjaka (heatsink).
Glavna prednost temperaturnog osjetnika na tranzistoru je što osigurava dobar toplinski kontakt s radijatorom i relativno ga je lako učvrstiti na njega, a bipolarni tranzistor nije skup.
Ispod je dijagram uključivanja tranzistora i jedinice za obradu signala na op-amp. VT1 je senzor temperature tranzistora, koji je pričvršćen na radijator.
Tranzistor se namjerno koristi u p-n-p strukturama. hladnjak je često spojen na zajedničku žicu kruga, a kolektor tranzistora u paketu TO-220 spojen je na hladnjak, a pri pričvršćivanju tranzistora nema potrebe za električnom izolacijom od hladnjaka, što dodatno pojednostavljuje dizajn.
Pad napona na p-n spoju mijenja se s povećanjem njegove temperature sa strminom od približno -2 mV / stupanj (tj. smanjuje se s povećanjem temperature). Tako mala promjena napona nije baš prikladna za obradu ADC-a, štoviše, prikladnije je kada je ovisnost izravna, t.j. kako temperatura raste, temperaturni signal se povećava.
Gornji krug prednapona, invertira i pojačava signal s tranzistora, osiguravajući povećanje izlaznog napona s povećanjem temperature, i radi na sljedeći način.
Od referentnog napona koji generira djelitelj R1R2, pad napona na tranzistoru se oduzima i rezultat oduzimanja se pojačava. Referentni napon se bira neposredno iznad pada napona na tranzistoru na temperaturi od 25 stupnjeva, što osigurava da se napon mjeri ispod 25 stupnjeva.
Dobitak kruga je određen omjerom R5/R4 + 1 i za ovaj krug je jednak 11. Konačni nagib temperaturnog signala je 2*11=22mV/stupanj. Dakle, da bi se osiguralo mjerenje temperature od 0 stupnjeva, izlazni signal na 25 stupnjeva mora biti najmanje 25*0,022=0,55V. Višak prednapona nad padom na tranzistoru na 25 stupnjeva mora biti najmanje 0,05V.
Pad napona na tranzistoru na 25 stupnjeva je 0,5-0,6V i ovisi o specifičnoj vrsti tranzistora i struji kroz njega, te je vjerojatno nemoguće odabrati referentni napon "u hodu", stoga, u fazi otklanjanja pogrešaka, potrebno je odabrati otpornike R1R2 za određenu vrstu tranzistora i struju kroz njega, od jednog tranzistora do drugog, ova vrijednost se može promijeniti, ali to se već može ispraviti softverskim metodama.
Struja kroz tranzistor određena je otporom otpornika R3, u ovom krugu struja je približno jednaka 15mA. Preporučena vrijednost struje kroz tranzistor je 10-20mA.
Gornji sklop je prilagođen za ADC s referentnim naponom od 3,3V, ali se može koristiti i za referentni napon od 5V, za to je potrebno povećati pojačanje kruga, na temelju potrebnog temperaturnog raspona.
Na elementima R6VD1 sastavlja se krug za ograničavanje izlaznog napona u slučaju izvanrednih situacija, na primjer, prekid žice na tranzistoru. Ako napon napajanja op-amp ne prelazi referentni napon ADC-a, tada se mogu isključiti.
Kao DA1, može se koristiti bilo koje operacijsko pojačalo koje osigurava rad s unipolarnim napajanjem i ulaznim naponom od 0V. Na primjer, jeftin i uobičajen LM358.
Kao tranzistor može se koristiti bilo koji nekompozitni tranzistor p-n-p strukture.
