Apparaat en typen
Een thermistor is een halfgeleiderapparaat waarvan de weerstand afhangt van de temperatuur. Afhankelijk van het type element kan de weerstand stijgen of dalen als deze opwarmt. Er zijn twee soorten thermistoren:
- NTC (negatieve temperatuurcoëfficiënt) - met een negatieve temperatuurcoëfficiënt van weerstand (TCR). Ze worden vaak "thermistors" genoemd.
- PTC (Positive Temperature Coefficient) - met een positieve TCS. Ze worden ook wel "Pozistors" genoemd.
Belangrijk! De temperatuurcoëfficiënt van elektrische weerstand is de afhankelijkheid van weerstand van temperatuur. Beschrijft hoeveel ohm of procent van de nominale waarde de weerstand van het element verandert wanneer de temperatuur met 1 graad Celsius stijgt
Conventionele weerstanden hebben bijvoorbeeld een positieve TCR (bij verwarming neemt de weerstand van de geleiders toe).
Thermistoren zijn lage temperatuur (tot 170K), gemiddelde temperatuur (170-510K) en hoge temperatuur (900-1300K). Het lichaam van het element kan zijn gemaakt van plastic, glas, metaal of keramiek.
De symbolische grafische aanduiding van thermistoren in het diagram lijkt op gewone weerstanden, en het enige verschil is dat ze zijn doorgestreept met een streep en de letter t ernaast wordt aangegeven.
Dit is trouwens hoe eventuele weerstanden worden aangeduid, waarvan de weerstand verandert onder invloed van de omgeving, en het type beïnvloedende grootheden wordt aangegeven met de letter, t is temperatuur.
Belangrijkste kenmerken:
- Nominale weerstand bij 25 graden Celsius.
- Maximale stroom- of vermogensdissipatie.
- Bedrijfstemperatuurbereik.
- TKS.
Interessant feit: de thermistor werd in 1930 uitgevonden door de wetenschapper Samuel Ruben.
Laten we eens nader bekijken hoe het werkt en waar elk van hen voor is.
afmetingen
|
|
|||||
|
Voor het meten van temperatuur kunnen halfgeleiderdiodes en transistors worden gebruikt als thermische omvormers. Dit komt omdat bij een constante waarde van de stroom die in de voorwaartse richting vloeit, bijvoorbeeld door het knooppunt van een diode, de spanning op het knooppunt bijna lineair verandert met de temperatuur. Om de stroomwaarde constant te houden, volstaat het om een grote actieve weerstand in serie met de diode op te nemen. In dit geval mag de stroom die door de diode gaat, deze niet opwarmen. Het is mogelijk om een kalibratiekarakteristiek van een dergelijke temperatuursensor te bouwen met behulp van twee punten - aan het begin en aan het einde van het gemeten temperatuurbereik. Figuur 1, a toont het temperatuurmeetcircuit met behulp van de VD-diode. Een batterij kan als stroombron dienen.
Rijst. 1. Schema voor het meten van temperatuur met behulp van een diode (a) en transistors (b, c). Met brugpickups kunt u de relatieve gevoeligheid van het apparaat verhogen door de initiële waarde van de sensorweerstand te compenseren. Evenzo beïnvloedt de temperatuur de weerstand van de emitter-basisovergang van transistoren. In dit geval kan de transistor tegelijkertijd zowel als temperatuursensor als als versterker van zijn eigen signaal fungeren. Daarom heeft het gebruik van transistors als thermische sensoren een voordeel ten opzichte van diodes. Figuur 1b toont een thermometerschakeling waarin een transistor (germanium of silicium) als temperatuuromzetter wordt gebruikt. Bij de vervaardiging van thermometers zowel op diodes als op transistors is het nodig om een kalibratiekarakteristiek te bouwen, terwijl een kwikthermometer als voorbeeldig meetinstrument kan worden gebruikt. De traagheid van thermometers op diodes en transistors is klein: op een diode - 30 s, op een transistor - 60 s. Van praktisch belang is een brugschakeling met een transistor in een van de armen (Fig. 1, c). In deze schakeling is de emitterovergang opgenomen in een van de armen van de brug R4, een kleine blokkeerspanning wordt op de collector aangelegd.
Sleuteltags: diode, transistor, temperatuur |
|||||
|
|||||
|
|||||
Diode als temperatuursensor - halfgeleiderfunctie
Een diode is het eenvoudigste apparaat in zijn configuratie dat de eigenschappen heeft van een halfgeleider.
Tussen de twee uitersten van de diode (donor en acceptor) ligt het ruimteladingsgebied, anders: pn-junctie. Deze "brug" zorgt voor de penetratie van elektronen van het ene deel naar het andere, daarom verschijnt er, vanwege de verschillende namen van de samenstellende ladingen, een vrij kleine, maar toch, stroom in de diode. De beweging van elektronen door de diode vindt slechts in één richting plaats. Natuurlijk is er een omgekeerde beweging, maar deze is volkomen onbeduidend, en wanneer u een stroombron in deze richting probeert aan te sluiten, wordt de diode geblokkeerd door sperspanning. Hierdoor neemt de dichtheid van de stof toe en treedt diffusie op. Het is trouwens om deze reden dat de diode een halfgeleiderklep wordt genoemd (er is beweging in de ene richting, maar niet in de andere).
Als u probeert de temperatuur van de diode te verhogen, neemt het aantal minderheidsdragers (elektronen die in de tegenovergestelde richting van de hoofdrichting bewegen) toe en begint de pn-overgang in te storten.
Het principe van interactie tussen de spanningsval over de diode pn-overgang en de temperatuur van de diode zelf werd bijna onmiddellijk na het ontwerp onthuld.
Hierdoor is de pn-overgang van een siliciumdiode de eenvoudigste temperatuursensor. De TKV (spanningstemperatuurcoëfficiënt) is 3 millivolt per graad Celsius en het voorwaartse spanningsverliespunt is ongeveer 0,7 V.
Voor normaal bedrijf is dit spanningsniveau onnodig laag, daarom wordt vaak niet de diode zelf gebruikt, maar transistor pn-overgangen compleet met een basisspanningsdeler.
Als gevolg hiervan komt het ontwerp in zijn kwaliteiten overeen met de hele reeks diodes. Als gevolg hiervan kan de spanningsvalindicator veel groter zijn dan 0,7 V.
Aangezien de TCR (temperatuurcoëfficiënt van weerstand) van de diode negatief is (-2mV / ° C), bleek deze zeer relevant te zijn voor gebruik in varicaps, waar het de rol speelt van een stabilisator van de resonantiefrequentie van het oscillerende circuit . Gecontroleerd door temperatuur.
Diode spanningsverlies data
Bij het analyseren van de metingen van een digitale multimeter kan worden opgemerkt dat de gegevens over de spanningsval over de pn-overgang voor siliciumdiodes 690-700 mV zijn en voor germanium - 400-450 mV (hoewel dit type diode praktisch niet is momenteel gebruikt). Als tijdens de meting de temperatuur van de diode stijgt, nemen de multimetergegevens juist af. Hoe groter de verwarmingskracht, hoe groter de daling van de digitale gegevens.
Meestal wordt deze eigenschap gebruikt om het werkproces in een elektronisch systeem te stabiliseren (bijvoorbeeld voor audiofrequentieversterkers).
Schema van een thermometer op een diode.
Temperatuursensoren voor microcontroller
Op dit moment zijn er veel circuits gebouwd op microcontrollers en kunnen hier ook verschillende temperatuurmeters worden opgenomen, waarin halfgeleidersensoren kunnen worden gebruikt, op voorwaarde dat de temperatuur tijdens hun bedrijf niet hoger wordt dan 125 ° C.
Omdat temperatuurmeters in de fabriek worden gekalibreerd, is het niet nodig om de sensoren te kalibreren en af te stellen.De resultaten die daaruit in de vorm van digitale gegevens worden verkregen, worden naar de microcontroller gevoerd.
De toepassing van de ontvangen informatie is afhankelijk van de software-inhoud van de controller.
Dergelijke sensoren kunnen onder andere in een thermostatische modus werken, dat wil zeggen (met een vooraf bepaald programma) aan- of uitzetten wanneer een bepaalde temperatuur wordt bereikt.
Als andere temperatuurindicatoren echter een referentie worden, moet het programma worden herschreven.
Andere applicaties
Hoewel de keuze aan temperatuursensoren tegenwoordig erg breed is, vergeet niemand hun diodeversie, die vaak wordt gebruikt in elektrische strijkijzers, elektrische haarden en elektronica in de breedste zin van het woord.
Ondanks de beperkingen in temperatuuromstandigheden hebben diodesensoren hun belangrijke voordelen:
- relatieve goedkoopheid;
- bescheiden afmetingen;
- passen gemakkelijk een groot aantal elektronische apparaten;
- uitstekende gevoeligheid en nauwkeurigheid.
Dankzij al deze kwaliteiten groeit het toepassingsgebied van dit type sensoren van jaar tot jaar.
Schrijf opmerkingen, aanvullingen op het artikel, misschien heb ik iets gemist. Kijk eens in de sitemap, ik zal blij zijn als je iets anders nuttigs op mijn site vindt.
Een eenvoudige elektronische thermometer op een unijunction-transistor
categorie
Radioschakelingen voor thuis
I. Nechaev. KurskRadio, 1992, nr. 8, blz. 17-18
In dit artikel zullen we het hebben over de mogelijkheid om apparaten te ontwerpen voor het meten van de temperatuur op afstand - buiten het huis of bijvoorbeeld in een "groentewinkel" op het balkon. Er zijn veel schema's waarmee u deze functie kunt uitvoeren, maar er zijn bepaalde kenmerken bij het kiezen van een temperatuurgevoelige sensor.
In de regel worden in de meeste gevallen bij het ontwerpen van dergelijke apparaten thermistoren het vaakst gebruikt door radioamateurs. Ze hebben een vrij brede thermische weerstandscoëfficiënt (hierna TCR genoemd) - tot 8% per graad. Het varieert echter sterk in de zone van gemeten temperaturen. Als je voor thuisthermometers je ogen voor dit feit kunt sluiten, dan als we het hebben over een breed temperatuurbereik (bijvoorbeeld, zoals in ons geval, van - 40 graden C tot + 40 graden C), dan doen zich bepaalde problemen voor met de schaalverdeling van het meetschaalapparaat, verliest het eenvoudig zijn lineariteit.
We weten ook dat de meest voorkomende pn-junctie van elk halfgeleiderapparaat als temperatuursensor kan dienen, maar de TCH van een eenvoudige junctie is erg klein - niet meer dan 0,3% per graad, en dit vereist de introductie van extra versterkingscircuits, wat het ontwerp enorm bemoeilijkt.
Zoals de ervaring heeft geleerd, zijn unijunction-transistoren van het type KT117 het meest geschikt voor gebruik als temperatuursensor (ze werden gebruikt in de voedingen van 2 \ 3 USCT-tv's en het zal niet moeilijk zijn om ze te vinden) als u deze aansluit zoals weergegeven op de foto
Als resultaat van een dergelijke opname verkrijgen we een thermistor met een weerstand van 5 ... 10 kOhm met een CTS van ongeveer 0,7 ... 0,9% per graad C. In dit geval zal de schaal van het apparaat lineair zijn over de gehele temperatuurbereik. Deze eigenschap van een unijunction-transistor maakte het mogelijk om deze als temperatuursensor in een apparaat te gebruiken, waarvan het circuit in de figuur is weergegeven.
De basis van de beschouwde elektronische thermometer is een meetbrug op weerstanden R2-R5 in één arm waarvan een unijunction-transistor VT1 is aangesloten. Een PA1 microampèremeter met nul in het midden is geïnstalleerd in de diagonaal van de brug. Als stroombron kan een dubbelfasige gelijkrichter dienen; hiervoor wordt een parametrische stabilisator op een VT2-transistor en een VD1-zenerdiode in het circuit geïntroduceerd. Als het apparaat korte tijd wordt gebruikt (aangezet, gekeken, uitgeschakeld), kan ook een 9 volt batterij van het type "Krona" worden gebruikt, in welk geval de stabilisatiecircuits van het circuit kunnen worden uitgesloten.
De essentie van het apparaat is als volgt: alle weerstanden in het circuit zijn vast, alleen de weerstand van de temperatuursensor, waarvan de rol wordt gespeeld door de transistor, is variabel.Wanneer de omgevingstemperatuur verandert, verandert de stroom door de temperatuursensor. Bovendien zal de stroom zowel naar boven veranderen met een temperatuurstijging als naar beneden met een temperatuurdaling.Het blijkt dat dit alleen blijft door de weerstanden van de meetbrug te selecteren en de afstemweerstand R1 aan te passen om de meetwaarden van het instrument in te stellen pijl naar nul bij 0 graden C.
Bij het instellen van het apparaat kunt u de volgende aanbevelingen gebruiken - smeltend ijs uit de koelkast kan worden gebruikt als referentie voor "nul"-temperatuur. Ook is het niet moeilijk om een temperatuur van 40 ... 50 graden C te krijgen. Je kunt de oven eenvoudig opwarmen tot de gewenste temperatuur. U kunt dus de nulpositie van het apparaat en de maximale positieve instelling instellen door de juiste markeringen op de schaal aan te brengen. Het "min"-teken kan op dezelfde afstand worden gemaakt als het "plus"-teken, omdat de meetschaal lineair zal zijn.
Alle onderdelen van de thermometer zijn gemonteerd op een printplaat van eenzijdig folietextoliet, waarvan een schets in de figuur is weergegeven.
Een benaderend uiterlijk van het apparaat wordt weergegeven in de volgende afbeelding.
Voor deze thermometer is een microampèremeter van het type M4206 voor een stroomsterkte van 50 A met een nul in het midden van de schaal het meest geschikt. Als dit apparaat plotseling niet beschikbaar was, kunt u elke andere microampèremeter gebruiken voor de gespecificeerde stroom (bij voorkeur met een grote meetschaal), maar dan moet er een extra knop in het circuit worden geïntroduceerd zodat het mogelijk is om positieve en negatieve temperaturen afzonderlijk, zoals weergegeven in de afbeelding
Nou, uiteindelijk: indien nodig kan het apparaat worden uitgerust met meerdere temperatuursensoren door ze aan te zetten volgens het volgende schema
Zo kunnen we de temperatuur in verschillende objecten regelen - bijvoorbeeld thuis en op straat.
Thermische sensoren op transistors in MK-circuits
De fysieke aard van halfgeleidermaterialen is zodanig dat hun parameters vrij sterk afhankelijk zijn van de temperatuur. In conventionele versterkingscircuits wordt dit fenomeen bestreden, terwijl het in temperatuurmeters juist wordt aangemoedigd.Bij siliciumtransistors met een constante collectorstroom neemt bij toenemende temperatuur de basis-emitterspanning U^^^ af met een theoretische coëfficiënt van 2,1 mV / ° C. De werkelijke verandering is evenredig met de verhouding 1000|mV|/Gx1 K], waarbij Gx de mediumtemperatuur op de Kelvin-schaal is.
Rekenvoorbeeld. Laat de spanning tussen de basis en de emitter van een standaard siliciumtransistor bij een temperatuur van 7 ;) = 20°C gelijk zijn aan ^^^
Met een verhoging van de temperatuur van de behuizing tot G, \u003d 35 ° C, neemt deze spanning af met 49 m V: i
De werkelijke spanning kan enigszins afwijken van de berekende, afhankelijk van de positie van het werkpunt van de transistor en het type ervan. In ieder geval wordt aanbevolen om de stroom die door de /?-/7-junctie vloeit te verminderen en te stabiliseren om het effect van zelfverhitting van het kristal te elimineren.
Rijst. 3.67. Schema's voor het aansluiten van thermische sensoren van transistors op MK:
a) temperatuurmeting in het bereik van -30…+150°C. De temperatuursensor is de VTI-transistor, waarin de spanning (/[^e "afwijkt" met een coëfficiënt van ongeveer 2 mV / ° C). Weerstanden R4 en 7 stellen het temperatuurbereik en de +3 V-kalibratiespanning op de MK-ingang in op kamertemperatuur + 25 ° C. Transistor VTI heeft een metalen behuizing, waarvan het uiteinde in een hittebestendige plastic buis kan worden gedrukt en de hele structuur kan worden gebruikt als externe sonde of sonde;
b) een temperatuursensor gebaseerd op een single-junction transistor VTI zorgt voor lineariteit van de temperatuurmeting in het bereik van 0…+ 100°С;
c) De VTI-transistor wordt speciaal gebruikt voor kleine oppervlaktemontage (SMD). Dit is nodig om de thermische traagheid van de sensor te verminderen. Een SMD-transistor komt bijvoorbeeld een minuut na een temperatuursprong van 10 ° C in een stabiel thermisch regime (een typische "grote" transistor duurt meerdere keren langer).Weerstand /^/ balanceert differentieel circuit bestaande uit transistoren VTI, VT2\
Op afb. 3.67, a ... d toont de aansluitschema's van transistorthermische sensoren op de MK.
d) transistor VT1 heeft een gat in zijn lichaam waardoor hij met een schroef op het oppervlak van het te meten object kan worden bevestigd. De collector van de transistor is elektrisch verbonden met zijn lichaam, waarmee tijdens de installatie rekening moet worden gehouden. De temperatuurconversiecoëfficiënt is recht evenredig met de verhouding van weerstanden R3/R2 (in dit circuit ongeveer 20 mV/°C).
Thermische sensor op E-core transistor
In dit artikel zal ik het hebben over het gebruik van een bipolaire transistor als temperatuursensor. De beschrijving wordt gegeven in de context van het gebruik om de temperatuur van een koellichaam (koellichaam) te meten.
Het grote voordeel van de temperatuursensor op de transistor is dat deze een goed thermisch contact geeft met de radiator en relatief eenvoudig te bevestigen is en de bipolaire transistor niet duur is.
Hieronder ziet u een diagram van het inschakelen van een transistor en een signaalverwerkingseenheid op een op-amp. VT1 is de transistor-temperatuursensor, die aan de radiator is bevestigd.
De transistor wordt opzettelijk gebruikt in pnp-structuren. het koellichaam is vaak verbonden met de gemeenschappelijke draad van het circuit en de collector van de transistor in het TO-220-pakket is verbonden met het koellichaam, en bij het bevestigen van de transistor is het niet nodig om deze elektrisch te isoleren van het koellichaam, wat het ontwerp verder vereenvoudigt.
De spanningsval over de pn-overgang verandert met een toename van de temperatuur met een steilheid van ongeveer -2 mV / graad (d.w.z. neemt af met toenemende temperatuur). Zo'n kleine spanningsverandering is niet erg handig om de ADC te verwerken, bovendien is het handiger wanneer de afhankelijkheid direct is, d.w.z. naarmate de temperatuur stijgt, neemt het temperatuursignaal toe.
De bovenstaande schakeling vertekent, inverteert en versterkt het signaal van de transistor, waardoor de uitgangsspanning toeneemt bij toenemende temperatuur, en werkt als volgt.
Van de referentiespanning gegenereerd door de deler R1R2 wordt de spanningsval over de transistor afgetrokken en het resultaat van de aftrekking wordt versterkt. De referentiespanning wordt gekozen net boven de spanningsval over de transistor bij een temperatuur van 25 graden, wat ervoor zorgt dat de spanning onder de 25 graden wordt gemeten.
De versterking van de schakeling wordt bepaald door de verhouding R5/R4 + 1 en is voor deze schakeling gelijk aan 11. De uiteindelijke steilheid van het temperatuursignaal is 2*11=22mV/graad. Om een temperatuurmeting vanaf 0 graden te garanderen, moet het uitgangssignaal bij 25 graden dus minimaal 25*0,022=0,55V zijn. De overmaat van de voorspanning over de daling op de transistor bij 25 graden moet minimaal 0,05V zijn.
De spanningsval over de transistor bij 25 graden is 0,5-0,6 V en hangt af van het specifieke type transistor en de stroom erdoorheen, en het is waarschijnlijk onmogelijk om de referentiespanning "on-the-fly" te selecteren, daarom, in de debugging-fase, het is noodzakelijk om weerstanden R1R2 te selecteren voor een specifiek type transistor en er doorheen te stromen, van de ene transistor naar de andere, deze waarde kan veranderen, maar dit kan al worden gecorrigeerd door softwaremethoden.
De stroom door de transistor wordt bepaald door de weerstand van de weerstand R3, in deze schakeling is de stroom ongeveer gelijk aan 15mA. De aanbevolen stroomwaarde door de transistor is 10-20mA.
Bovenstaande schakeling is aangepast voor een ADC met een referentiespanning van 3,3V, maar kan ook gebruikt worden voor een 5V referentiespanning, hiervoor is het noodzakelijk om de versterking van de schakeling te verhogen, op basis van het gewenste temperatuurbereik.
Op de R6VD1-elementen is een uitgangsspanningsbegrenzingscircuit gemonteerd in geval van noodsituaties, bijvoorbeeld een draadbreuk naar de transistor. Als de voedingsspanning van de op-amp de referentiespanning van de ADC niet overschrijdt, kunnen ze worden uitgesloten.
Als DA1 kan elke opamp worden gebruikt die werkt met unipolaire voeding en ingangsspanning vanaf 0V. Bijvoorbeeld de goedkope en veelvoorkomende LM358.
Als transistor kan elke niet-samengestelde transistor met een pnp-structuur worden gebruikt.
