Dispositivo e tipos
Um termistor é um dispositivo semicondutor cuja resistência depende de sua temperatura. Dependendo do tipo de elemento, a resistência pode aumentar ou diminuir à medida que aquece. Existem dois tipos de termistores:
- NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) - com um coeficiente de resistência de temperatura negativo (TCR). Eles são muitas vezes referidos como "termistores".
- PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) - com um TCS positivo. Eles também são chamados de "Pozistores".
Importante! O coeficiente de temperatura da resistência elétrica é a dependência da resistência da temperatura. Descreve quantos ohms ou porcentagem do valor nominal a resistência do elemento muda quando sua temperatura aumenta em 1 grau Celsius
Por exemplo, os resistores convencionais têm um TCR positivo (quando aquecidos, a resistência dos condutores aumenta).
Os termistores são de baixa temperatura (até 170K), temperatura média (170-510K) e alta temperatura (900-1300K). O corpo do elemento pode ser feito de plástico, vidro, metal ou cerâmica.
A designação gráfica simbólica dos termistores no diagrama se assemelha a resistores comuns, e a única diferença é que eles são riscados com uma faixa e a letra t é indicada ao lado.
A propósito, é assim que os resistores são designados, cuja resistência muda sob a influência do ambiente, e o tipo de quantidade de influência é indicado pela letra, t é a temperatura.
Características principais:
- Resistência nominal a 25 graus Celsius.
- Máxima corrente ou dissipação de energia.
- Faixa de temperatura operacional.
- obrigado.
Fato interessante: O termistor foi inventado em 1930 pelo cientista Samuel Ruben.
Vamos dar uma olhada em como ele funciona e para que serve cada um deles.
Medidas
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Para medir a temperatura, diodos semicondutores e transistores podem ser usados como conversores térmicos. Isso ocorre porque em um valor constante de corrente fluindo na direção direta, por exemplo, através da junção de um diodo, a tensão na junção muda quase linearmente com a temperatura. Para que o valor da corrente seja constante, basta incluir uma grande resistência ativa em série com o diodo. Nesse caso, a corrente que passa pelo diodo não deve causar aquecimento. É possível construir uma característica de calibração de tal sensor de temperatura usando dois pontos - no início e no final da faixa de temperatura medida. A Figura 1, a mostra o circuito de medição de temperatura usando o diodo VD. Uma bateria pode servir como fonte de energia.
Arroz. 1. Esquema para medição de temperatura usando um diodo (a) e transistores (b, c). Captadores de ponte permitem aumentar a sensibilidade relativa do dispositivo compensando o valor inicial da resistência do sensor. Da mesma forma, a temperatura afeta a resistência da transição emissor-base dos transistores. Nesse caso, o transistor pode atuar simultaneamente como sensor de temperatura e como amplificador de seu próprio sinal. Portanto, o uso de transistores como sensores térmicos tem uma vantagem sobre os diodos. A Figura 1b mostra um circuito de termômetro no qual um transistor (germânio ou silício) é usado como conversor de temperatura. Na fabricação de termômetros tanto em diodos quanto em transistores, é necessário construir uma característica de calibração, enquanto um termômetro de mercúrio pode ser usado como instrumento de medição exemplar. A inércia dos termômetros em diodos e transistores é pequena: em um diodo - 30 s, em um transistor - 60 s. De interesse prático é um circuito em ponte com um transistor em um dos braços (Fig. 1, c). Neste circuito, a junção do emissor está incluída em um dos braços da ponte R4, uma pequena tensão de bloqueio é aplicada ao coletor.
Tags chave: diodo, transistor, temperatura |
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Diodo como sensor de temperatura - função de semicondutor
Um diodo é o dispositivo mais simples em sua configuração que possui as propriedades de um semicondutor.
Entre os dois extremos do diodo (doador e aceitador) encontra-se a região de carga espacial, caso contrário: junção p-n. Essa “ponte” garante a penetração de elétrons de uma parte para outra, portanto, devido aos diferentes nomes de suas cargas constituintes, uma corrente bastante pequena, mas ainda assim, aparece dentro do diodo. O movimento dos elétrons através do diodo ocorre apenas em uma direção. Obviamente, há um movimento reverso, mas é completamente insignificante e, quando você tenta conectar uma fonte de energia nessa direção, o diodo é bloqueado pela tensão reversa. Isso aumenta a densidade da substância e a difusão ocorre. A propósito, é por esse motivo que o diodo é chamado de válvula semicondutora (há movimento em uma direção, mas não na outra).
Se você tentar aumentar a temperatura do diodo, o número de portadores minoritários (elétrons se movendo na direção oposta à direção principal) aumentará e a junção p-n começará a entrar em colapso.
O princípio da interação entre a queda de tensão na junção p-n do diodo e a temperatura do próprio diodo foi revelado quase imediatamente após o projeto.
Como resultado, a junção p-n de um diodo de silício é o sensor de temperatura mais simples. Seu TKV (coeficiente de temperatura de tensão) é de 3 milivolts por grau Celsius, e o ponto de queda de tensão direta é de cerca de 0,7 V.
Para operação normal, esse nível de tensão é desnecessariamente baixo, portanto, não o diodo em si é frequentemente usado, mas as junções p-n do transistor completas com um divisor de tensão básico.
Como resultado, o design em suas qualidades corresponde a toda a sequência de diodos. Como resultado, o indicador de queda de tensão pode ser muito maior que 0,7V.
Como o TCR (coeficiente de resistência de temperatura) do diodo é negativo (-2mV / ° C), ele se mostrou muito relevante para uso em varicaps, onde desempenha o papel de estabilizador da frequência ressonante do circuito oscilatório . Controlado pela temperatura.
Dados de queda de tensão do diodo
Ao analisar as leituras de um multímetro digital, pode-se notar que os dados sobre a queda de tensão na junção pn para diodos de silício são 690-700 mV e para germânio - 400-450 mV (embora esse tipo de diodo praticamente não seja usado no momento). Se durante a medição a temperatura do diodo aumentar, os dados do multímetro, pelo contrário, diminuirão. Quanto maior a força de aquecimento, maior a queda nos dados digitais.
Normalmente esta propriedade é usada para estabilizar o processo de trabalho em um sistema eletrônico (por exemplo, para amplificadores de frequência de áudio).
Esquema de um termômetro em um diodo.
Sensores de temperatura para microcontrolador
No momento, muitos circuitos são construídos em microcontroladores, e vários medidores de temperatura também podem ser incluídos aqui, nos quais podem ser usados sensores semicondutores, desde que a temperatura durante sua operação não exceda 125 ° C.
Como os medidores de temperatura são calibrados na fábrica, não há necessidade de calibrar e ajustar os sensores.Os resultados obtidos a partir deles na forma de dados digitais são alimentados ao microcontrolador.
A aplicação das informações recebidas depende do conteúdo do software do controlador.
Entre outras coisas, tais sensores podem operar em modo termostático, ou seja (com um programa pré-determinado) ligam ou desligam quando uma determinada temperatura é atingida.
No entanto, se outros indicadores de temperatura se tornarem referência, o programa terá que ser reescrito.
Outras aplicações
Embora hoje a escolha de sensores de temperatura seja muito ampla, ninguém esquece sua versão de diodo, que é frequentemente usada em ferros elétricos, lareiras elétricas e eletrônicos em seu sentido mais amplo.
Apesar das limitações nas condições de temperatura, os sensores de diodo têm suas vantagens significativas:
- barateamento relativo;
- dimensões modestas;
– caber facilmente um grande número de dispositivos eletrônicos;
- excelente sensibilidade e precisão.
Graças a todas essas qualidades, o campo de aplicação de sensores desse tipo vem crescendo ano a ano.
Escreva comentários, adições ao artigo, talvez eu tenha perdido alguma coisa. Dê uma olhada no mapa do site, ficarei feliz se você encontrar algo útil no meu site.
Um termômetro eletrônico simples em um transistor unijunction
categoria
Circuitos de rádio para casa
I. Nechaev. KurskRadio, 1992, No. 8, pp. 17-18
Neste artigo, falaremos sobre a possibilidade de projetar dispositivos para medir a temperatura à distância - fora de casa ou, digamos, em uma varanda "loja de legumes". Existem muitos esquemas que permitem executar essa função, mas existem certos recursos ao escolher um sensor sensível à temperatura.
Como regra, na maioria dos casos, ao projetar esses dispositivos, os termistores são mais usados por radioamadores. Eles têm um coeficiente de resistência térmica bastante amplo (doravante denominado TCR) - até 8% por grau. No entanto, varia muito na zona de temperaturas medidas. Se para termômetros domésticos você pode fechar os olhos para esse fato, se estamos falando de uma ampla faixa de temperatura (por exemplo, como no nosso caso, de - 40 graus C a + 40 graus C), surgem certos problemas com o graduação do dispositivo de escala de medição, ele simplesmente perderá sua linearidade.
Também sabemos que a junção pn mais comum de qualquer dispositivo semicondutor pode servir como sensor de temperatura, no entanto, o TCH de uma junção simples é muito pequeno - não mais que 0,3% por grau, e isso requer a introdução de circuitos amplificadores adicionais, o que complica muito o projeto.
Como a experiência mostrou, os transistores unijunção do tipo KT117 são mais adequados para uso como sensor de temperatura (eles foram usados nas fontes de alimentação de 2 \ 3 TVs USCT e não será difícil encontrá-los) se você conectá-lo como mostrado na foto
Como resultado dessa inclusão, obtemos um termistor com resistência de 5 ... 10 kOhm com um CTS de aproximadamente 0,7 ... 0,9% por grau C. Nesse caso, a escala do dispositivo será linear ao longo do toda a faixa de temperatura. Essa propriedade de um transistor unijunção possibilitou usá-lo como sensor de temperatura em um dispositivo, cujo circuito é mostrado na figura.
A base do termômetro eletrônico considerado é uma ponte de medição nos resistores R2-R5 em um braço do qual um transistor unijunção VT1 está conectado. Um microamperímetro PA1 com zero no meio é instalado na diagonal da ponte. Um retificador de onda completa pode servir como fonte de energia; para isso, um estabilizador paramétrico em um transistor VT2 e um diodo zener VD1 são introduzidos no circuito. Se o dispositivo for operado por um curto período de tempo (ligado, olhado, desligado), uma bateria de 9 volts do tipo “Krona” também pode ser usada, caso em que os circuitos de estabilização podem ser excluídos do circuito.
A essência do dispositivo é a seguinte: todos os resistores no circuito são fixos, apenas a resistência do sensor de temperatura, cujo papel é desempenhado pelo transistor, é variável.Quando a temperatura ambiente muda, a corrente através do sensor de temperatura muda. Além disso, a corrente mudará tanto para cima com o aumento da temperatura quanto para baixo com a diminuição da temperatura. Acontece que permanece apenas selecionando os resistores da ponte de medição e ajustando o resistor de sintonia R1 para definir as leituras do instrumento seta para zero a 0 graus C.
Ao configurar o dispositivo, você pode usar as seguintes recomendações - o gelo derretido da geladeira pode ser usado como referência para a temperatura "zero". Também não é difícil obter uma temperatura de 40 ... 50 graus C. Você pode simplesmente aquecer o forno à temperatura desejada. Assim, você pode definir a posição zero do dispositivo e o máximo positivo fazendo as devidas marcações na escala. A marca “menos” pode ser feita na mesma distância que a marca “mais”, pois a escala de medição será linear.
Todas as partes do termômetro são montadas em uma placa de circuito impresso feita de textolite de folha de um lado, cujo esboço é mostrado na figura.
Uma aparência aproximada do dispositivo é mostrada na figura a seguir.
Para este termômetro, um microamperímetro do tipo M4206 para uma corrente de 50 μA com um zero no meio da escala é o mais adequado. Se de repente este dispositivo não estiver disponível, você poderá usar qualquer outro microamperímetro para a corrente especificada (de preferência com uma grande escala de medição), mas será necessário introduzir um botão adicional no circuito para que seja possível controlar positivo e temperaturas negativas separadamente, como mostrado na figura
Bem, no final: se necessário, o dispositivo pode ser equipado com vários sensores de temperatura, ligando-os de acordo com o seguinte esquema
Assim, poderemos controlar a temperatura em vários objetos - por exemplo, em casa e na rua.
Sensores térmicos em transistores em circuitos MK
A natureza física dos materiais semicondutores é tal que seus parâmetros dependem fortemente da temperatura. Nos circuitos amplificadores convencionais, esse fenômeno é combatido, enquanto nos medidores de temperatura, pelo contrário, eles são incentivados. Por exemplo, em transistores de silício com uma corrente de coletor constante, com o aumento da temperatura, a tensão base-emissor U^^^ diminui com um coeficiente teórico de 2,1 mV / ° C. A mudança real é proporcional à razão 1000|mV|/Gx1 K], onde Gx é a temperatura média na escala Kelvin.
Exemplo de cálculo. Seja a tensão entre a base e o emissor de um transistor de silício padrão a uma temperatura de 7;) = 20°C ser ^^^
Com um aumento na temperatura de seu caso para G, \u003d 35 ° C, essa tensão diminui em 49m V: i
A tensão real pode diferir ligeiramente da calculada, dependendo da posição do ponto de operação do transistor e seu tipo. Em qualquer caso, recomenda-se reduzir e estabilizar a corrente que flui através da junção /?-/7 para eliminar o efeito de autoaquecimento do cristal.
Arroz. 3,67. Esquemas para conectar sensores térmicos de transistor ao MK:
a) medição de temperatura na faixa de -30…+150°C. O sensor de temperatura é o transistor VTI, no qual a tensão (/[^e "desliza" com um coeficiente de cerca de 2 mV / ° C. Os resistores R4 e 7 definem a faixa de temperatura e a tensão de calibração de +3 V na entrada MK em temperatura ambiente + 25 ° C. O transistor VTI possui uma caixa de metal, cuja extremidade pode ser pressionada em um tubo de plástico resistente ao calor e toda a estrutura pode ser usada como sonda ou sonda externa;
b) um sensor de temperatura baseado em um transistor de junção simples VTI garante a linearidade da medição de temperatura na faixa de 0…+ 100°С;
c) O transistor VTI é especialmente usado para montagem em superfície de tamanho pequeno (SMD). Isso é necessário para reduzir a inércia térmica do sensor. Por exemplo, um transistor SMD entra em um regime térmico estável um minuto após um salto de temperatura de 10 ° C (um transistor “grande” típico leva várias vezes mais).O resistor /^/ equilibra o circuito diferencial que consiste nos transistores VTI, VT2\
Na Fig. 3.67, a ... d mostra os diagramas de conexão dos sensores térmicos do transistor ao MK.
d) o transistor VT1 possui um orifício em seu corpo, através do qual pode ser fixado com um parafuso na superfície do objeto que está sendo medido. O coletor do transistor é conectado eletricamente ao seu corpo, o que deve ser levado em consideração durante a instalação. O coeficiente de conversão de temperatura é diretamente proporcional à relação dos resistores R3/R2 (neste circuito, cerca de 20 mV/°C).
Sensor térmico no transistor E-core
Neste artigo, falarei sobre o uso de um transistor bipolar como sensor de temperatura. A descrição é dada no contexto de usá-lo para medir a temperatura de um dissipador de calor (dissipador de calor).
A principal vantagem do sensor de temperatura no transistor é que ele proporciona um bom contato térmico com o radiador e é relativamente fácil de fixar nele e o transistor bipolar não é caro.
Abaixo está um diagrama de como ligar um transistor e uma unidade de processamento de sinal em um amplificador operacional. VT1 é o sensor de temperatura do transistor, que está conectado ao radiador.
O transistor é usado intencionalmente em estruturas p-n-p. o dissipador de calor geralmente é conectado ao fio comum do circuito, e o coletor do transistor no pacote TO-220 é conectado ao dissipador de calor e, ao conectar o transistor, não há necessidade de isolá-lo eletricamente do dissipador de calor, o que simplifica ainda mais o projeto.
A queda de tensão na junção p-n muda com o aumento de sua temperatura com uma inclinação de aproximadamente -2 mV / grau (ou seja, diminui com o aumento da temperatura). Essa pequena mudança de tensão não é muito conveniente para processar o ADC, além disso, é mais conveniente quando a dependência é direta, ou seja, à medida que a temperatura aumenta, o sinal de temperatura aumenta.
O circuito acima polariza, inverte e amplifica o sinal do transistor, proporcionando um aumento na tensão de saída com o aumento da temperatura e funciona da seguinte forma.
Da tensão de referência gerada pelo divisor R1R2, a queda de tensão no transistor é subtraída e o resultado da subtração é amplificado. A tensão de referência é selecionada logo acima da queda de tensão no transistor a uma temperatura de 25 graus, o que garante que a tensão seja medida abaixo de 25 graus.
O ganho do circuito é determinado pela relação R5/R4 + 1 e para este circuito é igual a 11. A inclinação final do sinal de temperatura é 2*11=22mV/grau. Assim, para garantir a medição de temperatura a partir de 0 graus, o sinal de saída a 25 graus deve ser de pelo menos 25*0,022=0,55V. O excesso da tensão de polarização sobre a queda no transistor a 25 graus deve ser de pelo menos 0,05 V.
A queda de tensão no transistor a 25 graus é de 0,5 a 0,6 V e depende do tipo específico de transistor e da corrente através dele, e provavelmente é impossível selecionar a tensão de referência “on the fly”, portanto, no estágio de depuração, é necessário selecionar resistores R1R2 para um tipo específico de transistor e corrente através dele, de um transistor para outro, esse valor pode mudar, mas isso já pode ser corrigido por métodos de software.
A corrente através do transistor é determinada pela resistência do resistor R3, neste circuito a corrente é aproximadamente igual a 15mA. O valor recomendado de corrente através do transistor é 10-20mA.
O circuito acima é adaptado para um ADC com tensão de referência de 3,3V, mas também pode ser utilizado para uma tensão de referência de 5V, para isso é necessário aumentar o ganho do circuito, com base na faixa de temperatura necessária.
Nos elementos R6VD1, um circuito limitador de tensão de saída é montado em caso de situações de emergência, por exemplo, uma quebra de fio ao transistor. Se a tensão de alimentação do amplificador operacional não exceder a tensão de referência do ADC, eles poderão ser excluídos.
Qualquer amplificador operacional pode ser usado como DA1, fornecendo operação com alimentação unipolar e tensão de entrada a partir de 0V. Por exemplo, o LM358 barato e comum.
Como transistor, qualquer transistor não composto de uma estrutura p-n-p pode ser usado.
