Dispositivo e tipi
Un termistore è un dispositivo a semiconduttore la cui resistenza dipende dalla sua temperatura. A seconda del tipo di elemento, la resistenza può aumentare o diminuire durante il riscaldamento. Esistono due tipi di termistori:
- NTC (Coefficiente di temperatura negativo) - con un coefficiente di resistenza alla temperatura negativo (TCR). Sono spesso indicati come "Termistori".
- PTC (Positive Temperature Coefficient) - con un TCS positivo. Sono anche chiamati "Pozistori".
Importante! Il coefficiente di temperatura della resistenza elettrica è la dipendenza della resistenza dalla temperatura. Descrive di quanti ohm o percentuale del valore nominale cambia la resistenza dell'elemento quando la sua temperatura aumenta di 1 grado Celsius
Ad esempio, i resistori convenzionali hanno un TCR positivo (se riscaldati, la resistenza dei conduttori aumenta).
I termistori sono a bassa temperatura (fino a 170 K), a media temperatura (170-510 K) e ad alta temperatura (900-1300 K). Il corpo dell'elemento può essere realizzato in plastica, vetro, metallo o ceramica.
La designazione grafica simbolica dei termistori nel diagramma ricorda i normali resistori e l'unica differenza è che sono barrati con una striscia e accanto ad essa è indicata la lettera t.
A proposito, è così che vengono designati tutti i resistori, la cui resistenza cambia sotto l'influenza dell'ambiente e il tipo di quantità di influenza è indicato dalla lettera, t è la temperatura.
Caratteristiche principali:
- Resistenza nominale a 25 gradi Celsius.
- Massima corrente o potenza dissipata.
- Intervallo operativo di temperatura.
- TKS.
Fatto interessante: il termistore è stato inventato nel 1930 dallo scienziato Samuel Ruben.
Diamo un'occhiata più da vicino a come funziona e a cosa serve ciascuno di essi.
misurazioni
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Per misurare la temperatura, diodi semiconduttori e transistor possono essere utilizzati come convertitori termici. Questo perché a un valore costante di corrente che scorre nella direzione diretta, ad esempio attraverso la giunzione di un diodo, la tensione alla giunzione cambia quasi linearmente con la temperatura. Affinché il valore di corrente sia costante, è sufficiente includere una grande resistenza attiva in serie con il diodo. In questo caso, la corrente che passa attraverso il diodo non dovrebbe provocarne il riscaldamento. È possibile costruire una caratteristica di calibrazione di un tale sensore di temperatura utilizzando due punti: all'inizio e alla fine dell'intervallo di temperatura misurato. La figura 1, a mostra il circuito di misurazione della temperatura utilizzando il diodo VD. Una batteria può fungere da fonte di alimentazione.
Riso. 1. Schema per misurare la temperatura utilizzando un diodo (a) e transistor (b, c). I pickup al ponte consentono di aumentare la sensibilità relativa del dispositivo compensando il valore iniziale della resistenza del sensore. Allo stesso modo, la temperatura influisce sulla resistenza della transizione emettitore-base dei transistor. In questo caso, il transistor può fungere contemporaneamente sia da sensore di temperatura che da amplificatore del proprio segnale. Pertanto, l'uso dei transistor come sensori termici ha un vantaggio rispetto ai diodi. La figura 1b mostra un circuito di termometro in cui un transistor (germanio o silicio) viene utilizzato come convertitore di temperatura. Nella fabbricazione di termometri sia su diodi che su transistor, è necessario costruire una caratteristica di calibrazione, mentre un termometro a mercurio può essere utilizzato come strumento di misura esemplare. L'inerzia dei termometri su diodi e transistor è piccola: su un diodo - 30 s, su un transistor - 60 s. Di interesse pratico è un circuito a ponte con un transistor in uno dei bracci (Fig. 1, c). In questo circuito, la giunzione dell'emettitore è inclusa in uno dei bracci del ponte R4, al collettore viene applicata una piccola tensione di blocco.
Tag chiave: diodo, transistor, temperatura |
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Diodo come sensore di temperatura - funzione a semiconduttore
Un diodo è il dispositivo più semplice nella sua configurazione che ha le proprietà di un semiconduttore.
Tra i due estremi del diodo (donatore e accettore) si trova la regione della carica spaziale, altrimenti: p-n-giunzione. Questo "ponte" assicura la penetrazione degli elettroni da una parte all'altra, quindi, a causa dei diversi nomi delle sue cariche costituenti, all'interno del diodo appare una corrente piuttosto piccola, ma comunque. Il movimento degli elettroni attraverso il diodo avviene solo in una direzione. Naturalmente, c'è un movimento inverso, ma è del tutto insignificante e quando si tenta di collegare una fonte di alimentazione in questa direzione, il diodo viene bloccato dalla tensione inversa. Ciò aumenta la densità della sostanza e si verifica la diffusione. A proposito, è per questo motivo che il diodo è chiamato valvola a semiconduttore (c'è movimento in una direzione, ma non nell'altra).
Se si tenta di aumentare la temperatura del diodo, il numero di portatori minoritari (elettroni che si muovono nella direzione opposta alla direzione principale) aumenterà e la giunzione p-n inizierà a collassare.
Il principio di interazione tra la caduta di tensione attraverso la giunzione p-n del diodo e la temperatura del diodo stesso è stato rivelato quasi immediatamente dopo la sua progettazione.
Di conseguenza, la giunzione p-n di un diodo al silicio è il sensore di temperatura più semplice. Il suo TKV (coefficiente di temperatura della tensione) è di 3 millivolt per grado Celsius e il punto di caduta della tensione diretta è di circa 0,7 V.
Per il normale funzionamento, questo livello di tensione è inutilmente basso, quindi non viene spesso utilizzato il diodo stesso, ma le giunzioni p-n del transistor complete di un partitore di tensione di base.
Di conseguenza, il design nelle sue qualità corrisponde all'intera sequenza di diodi. Di conseguenza, l'indicatore di caduta di tensione può essere molto più grande di 0,7 V.
Poiché il TCR (coefficiente di resistenza della temperatura) del diodo è negativo (-2mV / ° C), si è rivelato molto rilevante per l'uso nei varicap, dove svolge il ruolo di stabilizzatore della frequenza di risonanza del circuito oscillatorio . Controllato dalla temperatura.
Dati sulla caduta di tensione del diodo
Quando si analizzano le letture di un multimetro digitale, si può notare che i dati sulla caduta di tensione attraverso la giunzione pn per i diodi al silicio sono 690-700 mV e per il germanio - 400-450 mV (sebbene questo tipo di diodo non sia praticamente utilizzato al momento). Se durante la misurazione la temperatura del diodo aumenta, i dati del multimetro, al contrario, diminuiranno. Maggiore è la forza di riscaldamento, maggiore è il calo dei dati digitali.
Di solito questa proprietà viene utilizzata per stabilizzare il processo di lavoro in un sistema elettronico (ad esempio per amplificatori di frequenza audio).
Schema di un termometro su un diodo.
Sensori di temperatura per microcontrollore
Al momento, molti circuiti sono costruiti su microcontrollori e qui possono essere inclusi anche vari misuratori di temperatura, in cui è possibile utilizzare sensori a semiconduttore, a condizione che la temperatura durante il loro funzionamento non superi i 125 ° C.
Poiché i misuratori di temperatura sono calibrati in fabbrica, non è necessario calibrare e regolare i sensori.I risultati da essi ottenuti sotto forma di dati digitali vengono inviati al microcontrollore.
L'applicazione delle informazioni ricevute dipende dal contenuto del software del controller.
Tali sensori, tra l'altro, possono funzionare in modalità termostatica, ovvero (con un programma predeterminato) si accendono o si spengono al raggiungimento di una certa temperatura.
Tuttavia, se altri indicatori di temperatura diventano di riferimento, il programma dovrà essere riscritto.
Altre applicazioni
Nonostante oggi la scelta dei sensori di temperatura sia molto ampia, nessuno dimentica la loro versione a diodi, che viene spesso utilizzata nei ferri da stiro, nei camini elettrici e nell'elettronica nella sua accezione più ampia.
Nonostante i limiti delle condizioni di temperatura, i sensori a diodi hanno i loro vantaggi significativi:
- economicità relativa;
- dimensioni modeste;
- adattarsi facilmente a un numero enorme di dispositivi elettronici;
- ottima sensibilità e precisione.
Grazie a tutte queste qualità, il campo di applicazione di sensori di questo tipo cresce di anno in anno.
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Un semplice termometro elettronico su un transistor unigiunzione
categoria
Circuiti radio per la casa
I. Nechaev. KurskRadio, 1992, n. 8, pp. 17-18
In questo articolo parleremo della possibilità di progettare dispositivi per misurare la temperatura a distanza - fuori casa o, diciamo, in un balcone "negozio di verdure".Ci sono molti schemi che ti consentono di svolgere questa funzione, ma ci sono alcune caratteristiche quando si sceglie un sensore sensibile alla temperatura.
Di norma, nella maggior parte dei casi, durante la progettazione di tali dispositivi, i termistori vengono spesso utilizzati dai radioamatori. Hanno un coefficiente di resistenza termica abbastanza ampio (di seguito denominato TCR) - fino all'8% per grado. Tuttavia, varia notevolmente nella zona delle temperature misurate. Se per i termometri domestici puoi chiudere gli occhi su questo fatto, allora se parliamo di un ampio intervallo di temperatura (ad esempio, come nel nostro caso, da - 40 gradi C a + 40 gradi C), sorgono alcuni problemi con il graduazione del dispositivo di misurazione della scala, semplicemente perderà la sua linearità.
Sappiamo anche che la giunzione pn più comune di qualsiasi dispositivo a semiconduttore può fungere da sensore di temperatura, tuttavia, il TCH di una giunzione semplice è molto piccolo - non più dello 0,3% per grado e ciò richiede l'introduzione di circuiti di amplificazione aggiuntivi, il che complica notevolmente il design.
Come l'esperienza ha dimostrato, i transistor unijunction del tipo KT117 sono più adatti per l'uso come sensore di temperatura (erano usati negli alimentatori di 2\3 TV USCT e non sarà difficile trovarli) se lo si collega come mostrato nel quadro
Come risultato di tale inclusione, otteniamo un termistore con una resistenza di 5 ... 10 kOhm con un CTS di circa 0,7 ... 0,9% per grado C. In questo caso, la scala del dispositivo sarà lineare sul intero intervallo di temperatura. Questa proprietà di un transistor unigiunzione ha permesso di utilizzarlo come sensore di temperatura in un dispositivo, il cui circuito è mostrato in figura.
La base del termometro elettronico considerato è un ponte di misura sui resistori R2-R5 in un braccio di cui è collegato un transistor unigiunzione VT1. Nella diagonale del ponte è installato un microamperometro PA1 con zero al centro. Un raddrizzatore a onda intera può fungere da fonte di alimentazione; a tale scopo, nel circuito viene introdotto uno stabilizzatore parametrico su un transistor VT2 e un diodo zener VD1. Se il dispositivo verrà utilizzato per un breve periodo (acceso, guardato, spento), è possibile utilizzare anche una batteria da 9 volt del tipo "Krona", nel qual caso i circuiti di stabilizzazione possono essere esclusi dal circuito.
L'essenza del dispositivo è la seguente: tutti i resistori nel circuito sono fissi, solo la resistenza del sensore di temperatura, il cui ruolo è svolto dal transistor, è variabile.Quando la temperatura ambiente cambia, la corrente attraverso il sensore di temperatura cambierà. Inoltre, la corrente cambierà sia verso l'alto con l'aumento della temperatura, sia verso il basso con la diminuzione della temperatura.Si scopre che rimane solo selezionando le resistenze del ponte di misura e regolando il resistore di sintonia R1 per impostare le letture dello strumento freccia a zero a 0 gradi C.
Quando si configura il dispositivo, è possibile utilizzare i seguenti consigli: il ghiaccio che si scioglie dal frigorifero può essere utilizzato come riferimento per la temperatura "zero". Inoltre, non è difficile ottenere una temperatura di 40 ... 50 gradi C. Puoi semplicemente riscaldare il forno alla temperatura desiderata. In questo modo è possibile impostare la posizione zero del dispositivo e il massimo positivo apponendo gli appositi segni sulla scala. Il segno "meno" può essere fatto alla stessa distanza del segno "più", perché la scala di misurazione sarà lineare.
Tutte le parti del termometro sono montate su un circuito stampato in textolite a foglio unilaterale, il cui schizzo è mostrato nella figura.
Un aspetto approssimativo del dispositivo è mostrato nella figura seguente.
Per questo termometro è più adatto un microamperometro del tipo M4206 per una corrente di 50 μA con uno zero al centro della scala. Se improvvisamente questo dispositivo non fosse disponibile, è possibile utilizzare qualsiasi altro microamperometro per la corrente specificata (preferibilmente con una scala di misurazione ampia), ma sarà necessario inserire un pulsante aggiuntivo nel circuito in modo che sia possibile controllare positivo e temperature negative separatamente, come mostrato in figura
Ebbene, alla fine: se necessario, il dispositivo può essere dotato di più sensori di temperatura accendendoli secondo lo schema seguente
Pertanto, saremo in grado di controllare la temperatura in diversi oggetti, ad esempio a casa e per strada.
Sensori termici su transistor nei circuiti MK
La natura fisica dei materiali semiconduttori è tale che i loro parametri dipendono fortemente dalla temperatura. Nei circuiti di amplificazione convenzionali questo fenomeno viene combattuto, mentre nei misuratori di temperatura, al contrario, sono incoraggiati.Ad esempio, nei transistor al silicio con corrente di collettore costante, all'aumentare della temperatura, la tensione base-emettitore U^^^ diminuisce con un coefficiente teorico di 2,1 mV/°C. La variazione effettiva è proporzionale al rapporto 1000|mV|/Gx1 K], dove Gx è la temperatura media sulla scala Kelvin.
Esempio di calcolo. Sia la tensione tra la base e l'emettitore di un transistor standard al silicio a una temperatura di 7;) = 20°C ^^^
Con un aumento della temperatura della sua custodia a G, \u003d 35 ° C, questa tensione diminuisce di 49 m V: i
La tensione effettiva può differire leggermente da quella calcolata, a seconda della posizione del punto di lavoro del transistor e del suo tipo. In ogni caso si raccomanda di ridurre e stabilizzare la corrente che scorre attraverso la giunzione /?-/7 per eliminare l'effetto di autoriscaldamento del cristallo.
Riso. 3.67. Schemi per il collegamento di sensori termici a transistor a MK:
a) misura di temperatura nell'intervallo -30…+150°C. Il sensore di temperatura è il transistor VTI, in cui la tensione (/[^e "deriva" con un coefficiente di circa 2 mV/°C. I resistori R4 e 7 impostano l'intervallo di temperatura e la tensione di calibrazione +3 V all'ingresso MK a temperatura ambiente + 25 ° C. Il transistor VTI ha una custodia in metallo, la cui estremità può essere premuta in un tubo di plastica resistente al calore e l'intera struttura può essere utilizzata come sonda o sonda esterna;
b) un sensore di temperatura basato su un transistor VTI a giunzione singola fornisce linearità di misura della temperatura nell'intervallo 0…+ 100°С;
c) Il transistor VTI è appositamente utilizzato per montaggio superficiale di piccole dimensioni (SMD). Ciò è necessario per ridurre l'inerzia termica del sensore. Ad esempio, un transistor SMD entra in un regime termico stabile un minuto dopo un salto di temperatura di 10 ° C (un tipico transistor "grande" impiega molte volte più tempo).La resistenza /^/ bilancia il circuito differenziale costituito da transistor VTI, VT2\
Sulla Fig. 3.67, a ... d mostra gli schemi di collegamento dei sensori termici a transistor all'MK.
d) il transistor VT1 ha un foro nel suo corpo, attraverso il quale può essere fissato con una vite sulla superficie dell'oggetto da misurare. Il collettore del transistor è collegato elettricamente al suo corpo, che deve essere preso in considerazione durante l'installazione. Il coefficiente di conversione della temperatura è direttamente proporzionale al rapporto delle resistenze R3/R2 (in questo circuito, circa 20 mV/°C).
Sensore termico su transistor E-core
In questo articolo parlerò dell'utilizzo di un transistor bipolare come sensore di temperatura. La descrizione viene fornita nel contesto dell'utilizzo per misurare la temperatura di un dissipatore di calore (dissipatore di calore).
Il principale vantaggio del sensore di temperatura sul transistor è che fornisce un buon contatto termico con il radiatore ed è relativamente facile fissarlo su di esso e il transistor bipolare non è costoso.
Di seguito è riportato un diagramma di accensione di un transistor e di un'unità di elaborazione del segnale su un amplificatore operazionale. VT1 è il sensore di temperatura del transistor, che è collegato al radiatore.
Il transistor è intenzionalmente utilizzato nelle strutture pnp. il dissipatore di calore è spesso collegato al filo comune del circuito e il collettore del transistor nel pacchetto TO-220 è collegato al dissipatore di calore e, quando si collega il transistor, non è necessario isolarlo elettricamente dal dissipatore di calore, che semplifica ulteriormente il design.
La caduta di tensione attraverso la giunzione p-n cambia con un aumento della sua temperatura con una pendenza di circa -2 mV / grado (cioè diminuisce con l'aumentare della temperatura). Una variazione di tensione così piccola non è molto conveniente per elaborare l'ADC, inoltre è più conveniente quando la dipendenza è diretta, ad es. all'aumentare della temperatura, il segnale di temperatura aumenta.
Il circuito di cui sopra polarizza, inverte e amplifica il segnale dal transistor, fornendo un aumento della tensione di uscita con l'aumentare della temperatura, e funziona come segue.
Dalla tensione di riferimento generata dal divisore R1R2 si sottrae la caduta di tensione ai capi del transistor e si amplifica il risultato della sottrazione. La tensione di riferimento viene selezionata appena al di sopra della caduta di tensione attraverso il transistor a una temperatura di 25 gradi, il che garantisce che la tensione venga misurata al di sotto di 25 gradi.
Il guadagno del circuito è determinato dal rapporto R5/R4 + 1 e per questo circuito è pari a 11. La pendenza finale del segnale di temperatura è 2*11=22mV/grado. Pertanto, per garantire la misurazione della temperatura da 0 gradi, il segnale di uscita a 25 gradi deve essere almeno 25*0,022=0,55V. L'eccesso della tensione di polarizzazione rispetto alla caduta sul transistor a 25 gradi deve essere di almeno 0,05 V.
La caduta di tensione attraverso il transistor a 25 gradi è 0,5-0,6 V e dipende dal tipo specifico di transistor e dalla corrente che lo attraversa, ed è probabilmente impossibile selezionare la tensione di riferimento "al volo", quindi, in fase di debug, è necessario selezionare i resistori R1R2 per un tipo specifico di transistor e la corrente attraverso di esso, da un transistor all'altro, questo valore può cambiare, ma questo può già essere corretto con metodi software.
La corrente attraverso il transistor è determinata dalla resistenza del resistore R3, in questo circuito la corrente è approssimativamente uguale a 15 mA. Il valore raccomandato di corrente attraverso il transistor è 10-20 mA.
Il circuito di cui sopra è adatto per un ADC con tensione di riferimento di 3,3V, ma può essere utilizzato anche per una tensione di riferimento di 5V, per questo è necessario aumentare il guadagno del circuito, in base all'intervallo di temperatura richiesto.
Sugli elementi R6VD1 è assemblato un circuito di limitazione della tensione di uscita in caso di situazioni di emergenza, ad esempio una rottura del filo del transistor. Se la tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale non supera la tensione di riferimento dell'ADC, è possibile escluderli.
Come DA1, è possibile utilizzare qualsiasi amplificatore operazionale che fornisca il funzionamento con alimentazione unipolare e tensione di ingresso da 0 V. Ad esempio, l'economico e comune LM358.
Come transistor, può essere utilizzato qualsiasi transistor non composito di struttura pnp.
