Urządzenie i typy
Termistor to urządzenie półprzewodnikowe, którego rezystancja zależy od jego temperatury. W zależności od rodzaju elementu opór może wzrosnąć lub spaść podczas jego nagrzewania. Istnieją dwa rodzaje termistorów:
- NTC (Ujemny Współczynnik Temperatury) - z ujemnym temperaturowym współczynnikiem rezystancji (TCR). Często określa się je mianem „termistorów”.
- PTC (dodatni współczynnik temperaturowy) - z dodatnim TCS. Nazywa się je również „Pozistorami”.
Ważny! Współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego to zależność oporu od temperatury. Opisuje, o ile omów lub procent wartości nominalnej zmienia się rezystancja elementu, gdy jego temperatura wzrasta o 1 stopień Celsjusza
Na przykład konwencjonalne rezystory mają dodatni TCR (po podgrzaniu wzrasta rezystancja przewodów).
Termistory są niskotemperaturowe (do 170K), średniotemperaturowe (170-510K) i wysokotemperaturowe (900-1300K). Korpus elementu może być wykonany z tworzywa sztucznego, szkła, metalu lub ceramiki.
Symboliczne oznaczenie graficzne termistorów na schemacie przypomina zwykłe rezystory, a jedyną różnicą jest to, że są one przekreślone paskiem, a obok jest wskazana litera t.
Nawiasem mówiąc, tak oznacza się wszelkie rezystory, których rezystancja zmienia się pod wpływem otoczenia, a rodzaj wielkości wpływających jest oznaczony literą, t jest temperaturą.
Główna charakterystyka:
- Znamionowa odporność na 25 stopni Celsjusza.
- Maksymalne rozpraszanie prądu lub mocy.
- Zakres temperatury pracy.
- tks.
Ciekawostka: Termistor został wynaleziony w 1930 roku przez naukowca Samuela Rubena.
Przyjrzyjmy się bliżej, jak to działa i do czego służy każdy z nich.
pomiary
|
|
|||||
|
Do pomiaru temperatury jako konwertery termiczne można wykorzystać diody półprzewodnikowe i tranzystory. Dzieje się tak, ponieważ przy stałej wartości prądu płynącego w kierunku do przodu, na przykład przez złącze diody, napięcie na złączu zmienia się prawie liniowo wraz z temperaturą. Aby wartość prądu była stała wystarczy dołączyć szeregowo z diodą dużą rezystancję czynną. W takim przypadku prąd przepływający przez diodę nie powinien powodować jej nagrzewania. Możliwe jest zbudowanie charakterystyki kalibracyjnej takiego czujnika temperatury za pomocą dwóch punktów - na początku i na końcu mierzonego zakresu temperatury. Rysunek 1,a przedstawia obwód pomiaru temperatury za pomocą diody VD. Jako źródło zasilania może służyć bateria.
Ryż. 1. Schemat pomiaru temperatury za pomocą diody (a) i tranzystorów (b, c). Przetworniki mostkowe pozwalają zwiększyć względną czułość urządzenia poprzez kompensację początkowej wartości rezystancji czujnika. Podobnie temperatura wpływa na rezystancję przejścia tranzystorów z emiterem. W takim przypadku tranzystor może jednocześnie działać zarówno jako czujnik temperatury, jak i jako wzmacniacz własnego sygnału. Dlatego zastosowanie tranzystorów jako czujników termicznych ma przewagę nad diodami. Rysunek 1b przedstawia obwód termometru, w którym jako przetwornik temperatury zastosowano tranzystor (german lub krzem). Przy wytwarzaniu termometrów zarówno na diodach, jak i na tranzystorach wymagane jest zbudowanie charakterystyki kalibracyjnej, natomiast termometr rtęciowy może służyć jako przykładowy przyrząd pomiarowy. Bezwładność termometrów na diodach i tranzystorach jest niewielka: na diodzie - 30 s, na tranzystorze - 60 s. Praktycznie interesujący jest obwód mostkowy z tranzystorem w jednym z ramion (ryc. 1, c). W tym obwodzie złącze emitera znajduje się w jednym z ramion mostka R4, małe napięcie blokujące jest przykładane do kolektora.
Kluczowe tagi: dioda, tranzystor, temperatura |
|||||
|
|||||
|
|||||
Dioda jako czujnik temperatury - funkcja półprzewodnikowa
Dioda to najprostsze urządzenie w swojej konfiguracji, które ma właściwości półprzewodnika.
Pomiędzy dwoma skrajnościami diody (donorem i akceptorem) znajduje się obszar ładunku kosmicznego, inaczej: złącze p-n. Ten „most” zapewnia przenikanie elektronów z jednej części do drugiej, dlatego ze względu na różne nazwy jego ładunków składowych wewnątrz diody pojawia się raczej niewielki, ale wciąż prąd. Ruch elektronów przez diodę odbywa się tylko w jednym kierunku. Oczywiście jest ruch wsteczny, ale jest to zupełnie nieistotne, a przy próbie podłączenia źródła zasilania w tym kierunku dioda jest blokowana przez napięcie wsteczne. Zwiększa to gęstość substancji i następuje dyfuzja. Nawiasem mówiąc, z tego powodu dioda nazywana jest zaworem półprzewodnikowym (jest ruch w jednym kierunku, ale nie w drugim).
Jeśli spróbujesz zwiększyć temperaturę diody, liczba nośników mniejszościowych (elektronów poruszających się w kierunku przeciwnym do kierunku głównego) wzrośnie, a złącze p-n zacznie się zapadać.
Zasada interakcji między spadkiem napięcia na złączu p-n diody a temperaturą samej diody została ujawniona niemal natychmiast po jej zaprojektowaniu.
W rezultacie złącze p-n diody krzemowej jest najprostszym czujnikiem temperatury. Jego TKV (współczynnik temperaturowy napięcia) wynosi 3 miliwolty na stopień Celsjusza, a punkt spadku napięcia w kierunku przewodzenia wynosi około 0,7 V.
Do normalnej pracy ten poziom napięcia jest niepotrzebnie niski, dlatego często nie stosuje się samej diody, ale złącza tranzystorowe p-n wraz z podstawowym dzielnikiem napięcia.
W rezultacie projekt w swoich walorach odpowiada całej sekwencji diod. W rezultacie wskaźnik spadku napięcia może być znacznie większy niż 0,7V.
Ponieważ TCR (temperaturowy współczynnik rezystancji) diody jest ujemny (-2mV / ° C), okazało się, że jest bardzo odpowiednie do stosowania w varicaps, gdzie pełni rolę stabilizatora częstotliwości rezonansowej obwodu oscylacyjnego . Kontrolowane przez temperaturę.
Dane dotyczące spadku napięcia diody
Analizując odczyty multimetru cyfrowego można zauważyć, że dane dotyczące spadku napięcia na złączu pn dla diod krzemowych wynoszą 690-700 mV, a dla germanu - 400-450 mV (chociaż ten typ diody praktycznie nie jest obecnie używany). Jeśli podczas pomiaru temperatura diody wzrośnie, to dane multimetru, wręcz przeciwnie, ulegną zmniejszeniu. Im większa siła grzewcza, tym większy spadek danych cyfrowych.
Zwykle ta właściwość służy do stabilizacji procesu pracy w układzie elektronicznym (na przykład dla wzmacniaczy częstotliwości audio).
Schemat termometru na diodzie.
Czujniki temperatury do mikrokontrolera
W chwili obecnej wiele układów zbudowanych jest na mikrokontrolerach, a także można tu zaliczyć różne mierniki temperatury, w których można zastosować czujniki półprzewodnikowe, pod warunkiem, że temperatura podczas ich pracy nie przekroczy 125°C.
Ponieważ mierniki temperatury są kalibrowane fabrycznie, nie ma potrzeby kalibracji i regulacji czujników.Uzyskane z nich wyniki w postaci danych cyfrowych trafiają do mikrokontrolera.
Zastosowanie otrzymanych informacji zależy od zawartości oprogramowania kontrolera.
Takie czujniki mogą m.in. pracować w trybie termostatycznym, czyli (przy zadanym programie) włączać się lub wyłączać po osiągnięciu określonej temperatury.
Jeśli jednak inne wskaźniki temperatury staną się odniesieniem, program będzie musiał zostać napisany od nowa.
Inne aplikacje
Choć dziś wybór czujników temperatury jest bardzo szeroki, nikt nie zapomina o ich wersji diodowej, która jest często wykorzystywana w żelazkach elektrycznych, kominkach elektrycznych i szeroko rozumianej elektronice.
Pomimo ograniczeń w warunkach temperaturowych czujniki diodowe mają swoje istotne zalety:
- względna taniość;
- skromne wymiary;
- z łatwością zmieści ogromną liczbę urządzeń elektronicznych;
- doskonała czułość i dokładność.
Dzięki tym wszystkim walorom pole zastosowań tego typu czujników z roku na rok rośnie.
Napisz komentarze, uzupełnienia do artykułu, może coś przeoczyłem. Zerknij na mapę strony, będę zadowolony, jeśli znajdziesz na mojej stronie coś przydatnego.
Prosty termometr elektroniczny na tranzystorze jednozłączowym
Kategoria
Obwody radiowe do domu
I. Nieczajewa. KurskRadio, 1992, nr 8, s. 17-18
W tym artykule porozmawiamy o możliwości zaprojektowania urządzeń do pomiaru temperatury na odległość - na zewnątrz domu lub, powiedzmy, na balkonie „sklepu warzywnego”.Istnieje wiele schematów, które pozwalają pełnić tę funkcję, ale istnieją pewne cechy przy wyborze czujnika wrażliwego na temperaturę.
Z reguły w większości przypadków przy projektowaniu takich urządzeń termistory są najczęściej używane przez radioamatorów. Mają dość szeroki współczynnik oporu cieplnego (zwany dalej TCR) – do 8% na stopień. Jednak różni się znacznie w strefie mierzonych temperatur. Jeśli w przypadku termometrów domowych można przymknąć oczy na ten fakt, to jeśli mówimy o szerokim zakresie temperatur (np. jak w naszym przypadku od - 40 stopni C do + 40 stopni C), to pojawiają się pewne problemy z podziałka skali pomiarowej, po prostu straci swoją liniowość.
Wiemy również, że najczęstsze złącze pn dowolnego urządzenia półprzewodnikowego może służyć jako czujnik temperatury, jednak TCH prostego złącza jest bardzo małe - nie więcej niż 0,3% na stopień, a to wymaga wprowadzenia dodatkowych obwodów wzmacniających, co znacznie komplikuje projekt.
Jak pokazało doświadczenie, tranzystory jednozłączowe typu KT117 najlepiej nadają się do zastosowania jako czujnik temperatury (były używane w zasilaczach 2\3 telewizorów USCT i nie będzie trudno je znaleźć), jeśli podłączysz tak, jak pokazano na obrazie
W wyniku takiego włączenia otrzymujemy termistor o rezystancji 5 ... 10 kOhm z CTS około 0,7 ... 0,9% na stopień C. W takim przypadku skala urządzenia będzie liniowa w stosunku do cały zakres temperatur. Ta właściwość tranzystora jednozłączowego umożliwiła wykorzystanie go jako czujnika temperatury w urządzeniu, którego obwód pokazano na rysunku.
Podstawą rozważanego termometru elektronicznego jest mostek pomiarowy na rezystorach R2-R5 w jednym ramieniu, do którego podłączony jest tranzystor jednozłączowy VT1. Na przekątnej mostka zainstalowany jest mikroamperomierz PA1 z zerem pośrodku. Jako źródło zasilania może służyć prostownik pełnookresowy, w tym celu do obwodu wprowadza się stabilizator parametryczny na tranzystorze VT2 i diodę Zenera VD1. Jeżeli urządzenie będzie eksploatowane przez krótki czas (włączone, popatrzone, wyłączone), wówczas można zastosować również baterię 9 V typu „Krona”, w takim przypadku obwody stabilizujące można wyłączyć z obwodu.
Istota urządzenia jest następująca: wszystkie rezystory w obwodzie są stałe, tylko rezystancja czujnika temperatury, którego rolę odgrywa tranzystor, jest zmienna.Gdy zmienia się temperatura otoczenia, zmienia się prąd płynący przez czujnik temperatury. Ponadto prąd będzie się zmieniał zarówno w górę wraz ze wzrostem temperatury, jak i w dół wraz ze spadkiem temperatury.Okazuje się, że pozostaje tylko poprzez dobranie rezystorów mostka pomiarowego i ustawienie rezystora strojenia R1 w celu ustawienia odczytów przyrządu strzałka do zera przy 0 stopniach C.
Podczas konfigurowania urządzenia możesz skorzystać z następujących zaleceń - topienie lodu z lodówki może służyć jako odniesienie do temperatury „zerowej”. Nie jest też trudno uzyskać temperaturę 40…50 stopni C. Można po prostu nagrzać piekarnik do żądanej temperatury. W ten sposób można ustawić pozycję zerową urządzenia i maksymalną dodatnią, wykonując odpowiednie oznaczenia na skali. Znak „minus” można wykonać w tej samej odległości co znak „plus”, ponieważ skala pomiaru będzie liniowa.
Wszystkie części termometru są zamontowane na płytce drukowanej wykonanej z jednostronnego tekstolitu foliowego, którego szkic pokazano na rysunku.
Przybliżony wygląd urządzenia przedstawia poniższy rysunek.
Do tego termometru najlepiej nadaje się mikroamperomierz typu M4206 na prąd 50 μA z zerem pośrodku skali. Jeśli nagle to urządzenie nie będzie dostępne, możesz użyć dowolnego innego mikroamperomierza dla określonego prądu (najlepiej z dużą skalą pomiarową), ale wtedy do obwodu trzeba będzie wprowadzić dodatkowy przycisk, aby można było sterować dodatnim i ujemne temperatury osobno, jak pokazano na rysunku
Otóż na koniec: w razie potrzeby urządzenie można wyposażyć w kilka czujników temperatury, włączając je według poniższego schematu
Tym samym będziemy mogli kontrolować temperaturę w kilku obiektach – na przykład w domu i na ulicy.
Czujniki termiczne na tranzystorach w obwodach MK
Fizyczna natura materiałów półprzewodnikowych jest taka, że ich parametry dość silnie zależą od temperatury. W konwencjonalnych obwodach wzmacniających zjawisko to jest zwalczane, natomiast w miernikach temperatury wręcz przeciwnie, jest ono zachęcane, np. w tranzystorach krzemowych ze stałym prądem kolektora wraz ze wzrostem temperatury napięcie baza-emiter U^^^ maleje wraz ze wzrostem temperatury. współczynnik teoretyczny 2,1 mV/°C. Rzeczywista zmiana jest proporcjonalna do stosunku 1000|mV|/Gx1 K], gdzie Gx jest temperaturą medium w skali Kelvina.
Przykład obliczeń. Niech napięcie między bazą a emiterem standardowego tranzystora krzemowego w temperaturze 7;) = 20°C wynosi ^^^
Wraz ze wzrostem temperatury obudowy do G, \u003d 35 ° C, napięcie to spada o 49 m V: i
Rzeczywiste napięcie może nieznacznie różnić się od wyliczonego, w zależności od położenia punktu pracy tranzystora i jego typu. W każdym razie zaleca się zmniejszenie i stabilizację prądu płynącego przez złącze /?-/7 w celu wyeliminowania efektu samonagrzewania się kryształu.
Ryż. 3.67. Schematy podłączenia tranzystorowych czujników termicznych do MK:
a) pomiar temperatury w zakresie -30…+150°C. Czujnik temperatury to tranzystor VTI, w którym napięcie (/[^e "dryfuje" ze współczynnikiem około 2 mV/°C. Rezystory R4 i 7 ustawiają zakres temperatury i napięcie kalibracyjne +3 V na wejściu MK na temperatura pokojowa + 25°C. Tranzystor VTI posiada metalową obudowę, której koniec można wcisnąć w żaroodporną rurkę z tworzywa sztucznego, a całą konstrukcję można wykorzystać jako sondę zewnętrzną lub sondę;
b) czujnik temperatury oparty na jednozłączowym tranzystorze VTI zapewnia liniowość pomiaru temperatury w zakresie 0…+ 100°С;
c) Tranzystor VTI jest specjalnie używany do montażu powierzchniowego małych rozmiarów (SMD). Jest to konieczne, aby zmniejszyć bezwładność termiczną czujnika. Na przykład tranzystor SMD wchodzi w stabilny reżim termiczny minutę po skoku temperatury o 10 ° C (typowy „duży” tranzystor zajmuje kilka razy dłużej).Rezystor /^/ równoważy obwód różnicowy składający się z tranzystorów VTI, VT2\
Na ryc. 3.67, a ... d pokazuje schematy połączeń tranzystorowych czujników termicznych do MK.
d) tranzystor VT1 ma w swoim korpusie otwór, przez który można go przymocować śrubą do powierzchni mierzonego obiektu. Kolektor tranzystora jest połączony elektrycznie z jego korpusem, co należy wziąć pod uwagę podczas instalacji. Współczynnik konwersji temperaturowej jest wprost proporcjonalny do stosunku rezystorów R3/R2 (w tym obwodzie około 20 mV/°C).
Czujnik termiczny na tranzystorze E-core
W tym artykule omówię wykorzystanie tranzystora bipolarnego jako czujnika temperatury. Opis podano w kontekście wykorzystania go do pomiaru temperatury radiatora (radiatora).
Główną zaletą czujnika temperatury na tranzystorze jest to, że zapewnia dobry kontakt termiczny z radiatorem i stosunkowo łatwo go na nim zamocować, a tranzystor bipolarny nie jest drogi.
Poniżej znajduje się schemat włączania tranzystora i jednostki przetwarzania sygnału na wzmacniaczu operacyjnym. VT1 to tranzystorowy czujnik temperatury, który jest przymocowany do grzejnika.
Tranzystor jest celowo stosowany w strukturach p-n-p. radiator często jest podłączony do wspólnego przewodu układu, a kolektor tranzystora w obudowie TO-220 jest podłączony do radiatora, a przy podłączaniu tranzystora nie ma potrzeby izolowania go elektrycznie od radiatora, co dodatkowo upraszcza projekt.
Spadek napięcia na złączu p-n zmienia się wraz ze wzrostem jego temperatury z nachyleniem około -2 mV / stopień (tj. maleje wraz ze wzrostem temperatury). Tak niewielka zmiana napięcia nie jest zbyt wygodna w przetwarzaniu ADC, ponadto wygodniej jest, gdy zależność jest bezpośrednia, tj. wraz ze wzrostem temperatury wzrasta sygnał temperatury.
Powyższy obwód polaryzuje, odwraca i wzmacnia sygnał z tranzystora, zapewniając wzrost napięcia wyjściowego wraz ze wzrostem temperatury i działa w następujący sposób.
Od napięcia odniesienia generowanego przez dzielnik R1R2 odejmowany jest spadek napięcia na tranzystorze, a wynik odejmowania jest wzmacniany. Napięcie odniesienia jest wybierane tuż powyżej spadku napięcia na tranzystorze w temperaturze 25 stopni, co zapewnia pomiar napięcia poniżej 25 stopni.
Wzmocnienie obwodu jest określone przez stosunek R5/R4 + 1 i dla tego obwodu jest równe 11. Ostateczne nachylenie sygnału temperatury wynosi 2*11=22mV/stopień. Zatem, aby zapewnić pomiar temperatury od 0 stopni, sygnał wyjściowy przy 25 stopniach musi wynosić co najmniej 25*0,022=0,55V. Przekroczenie napięcia polaryzacji nad spadkiem na tranzystorze przy 25 stopniach musi wynosić co najmniej 0,05V.
Spadek napięcia na tranzystorze przy 25 stopniach wynosi 0,5-0,6 V i zależy od konkretnego typu tranzystora i prądu przez niego przepływającego, dlatego prawdopodobnie niemożliwe jest wybranie napięcia odniesienia „w locie”, a zatem na etapie debugowania, konieczne jest dobranie rezystorów R1R2 do określonego typu tranzystora i prądu przez niego, z jednego tranzystora na drugi, wartość ta może się zmienić, ale można to już skorygować metodami programowymi.
Prąd płynący przez tranzystor jest określony przez rezystancję rezystora R3, w tym obwodzie prąd jest w przybliżeniu równy 15 mA. Zalecana wartość prądu płynącego przez tranzystor to 10-20mA.
Powyższy obwód jest przystosowany do przetwornika ADC o napięciu odniesienia 3,3 V, ale może być również wykorzystany do napięcia odniesienia 5 V, w tym celu konieczne jest zwiększenie wzmocnienia obwodu w oparciu o wymagany zakres temperatur.
Na elementach R6VD1 montowany jest obwód ograniczający napięcie wyjściowe na wypadek sytuacji awaryjnych, na przykład przerwania przewodu tranzystora. Jeśli napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego nie przekracza napięcia odniesienia ADC, można je wykluczyć.
Jako DA1 można zastosować dowolny wzmacniacz operacyjny, który zapewnia pracę z jednobiegunowym zasilaniem i napięciem wejściowym od 0V. Na przykład tani i powszechny LM358.
Jako tranzystor można zastosować dowolny niekompozytowy tranzystor o strukturze p-n-p.
