Zariadenie a typy
Termistor je polovodičové zariadenie, ktorého odpor závisí od jeho teploty. V závislosti od typu prvku môže odpor pri zahrievaní stúpať alebo klesať. Existujú dva typy termistorov:
- NTC (Negative Temperature Coefficient) - s negatívnym teplotným koeficientom odporu (TCR). Často sú označované ako "termistory".
- PTC (Positive Temperature Coefficient) - s kladným TCS. Hovorí sa im aj „Pozistors“.
Dôležité! Teplotný koeficient elektrického odporu je závislosť odporu od teploty. Popisuje, o koľko ohmov alebo percent nominálnej hodnoty sa zmení odpor prvku, keď jeho teplota stúpne o 1 stupeň Celzia
Napríklad konvenčné rezistory majú pozitívny TCR (pri zahrievaní sa zvyšuje odpor vodičov).
Termistory sú nízkoteplotné (do 170K), strednoteplotné (170-510K) a vysokoteplotné (900-1300K). Telo prvku môže byť vyrobené z plastu, skla, kovu alebo keramiky.
Symbolické grafické označenie termistorov v schéme pripomína bežné odpory a rozdiel je len v tom, že sú prečiarknuté pásikom a pri ňom je uvedené písmeno t.
Mimochodom, takto sú označené akékoľvek rezistory, ktorých odpor sa mení pod vplyvom prostredia a typ ovplyvňujúcich veličín je označený písmenom, t je teplota.
Hlavné charakteristiky:
- Menovitá odolnosť pri 25 stupňoch Celzia.
- Maximálny prúd alebo strata výkonu.
- Rozsah prevádzkových teplôt.
- tks.
Zaujímavosť: Termistor vynašiel v roku 1930 vedec Samuel Ruben.
Poďme sa bližšie pozrieť na to, ako to funguje a na čo slúži každý z nich.
merania
|
|
|||||
|
Na meranie teploty možno ako tepelné prevodníky použiť polovodičové diódy a tranzistory. Pri konštantnej hodnote prúdu tečúceho v priepustnom smere, napríklad cez prechod diódy, sa totiž napätie na prechode mení takmer lineárne s teplotou. Aby bola hodnota prúdu konštantná, stačí zaradiť veľký aktívny odpor do série s diódou. V tomto prípade by prúd prechádzajúci cez diódu nemal spôsobiť jej zahrievanie. Kalibračnú charakteristiku takéhoto snímača teploty je možné zostaviť pomocou dvoch bodov - na začiatku a na konci rozsahu meranej teploty. Obrázok 1, a zobrazuje obvod merania teploty pomocou VD diódy. Ako zdroj energie môže slúžiť batéria.
Ryža. 1. Schéma merania teploty pomocou diódy (a) a tranzistorov (b, c). Mostové snímače umožňujú zvýšiť relatívnu citlivosť zariadenia kompenzáciou počiatočnej hodnoty odporu snímača. Podobne teplota ovplyvňuje odpor prechodu emitor-báza tranzistorov. V tomto prípade môže tranzistor súčasne pôsobiť ako snímač teploty aj ako zosilňovač vlastného signálu. Preto má použitie tranzistorov ako tepelných snímačov výhodu oproti diódam. Obrázok 1b znázorňuje obvod teplomera, v ktorom je ako prevodník teploty použitý tranzistor (germánium alebo kremík). Pri výrobe teplomerov na diódach aj na tranzistoroch je potrebné vybudovať kalibračnú charakteristiku, pričom ako vzorový merací prístroj možno použiť ortuťový teplomer. Zotrvačnosť teplomerov na diódach a tranzistoroch je malá: na dióde - 30 s, na tranzistore - 60 s. Prakticky zaujímavý je mostíkový obvod s tranzistorom v jednom z ramien (obr. 1, c). V tomto obvode je prechod emitoru zahrnutý v jednom z ramien mostíka R4, na kolektor je privedené malé blokovacie napätie.
Kľúčové štítky: dióda, tranzistor, teplota |
|||||
|
|||||
|
|||||
Dióda ako snímač teploty - polovodičová funkcia
Dióda je vo svojej konfigurácii najjednoduchšie zariadenie, ktoré má vlastnosti polovodiča.
Medzi dvoma extrémami diódy (donor a akceptor) leží oblasť priestorového náboja, inak: p-n-prechod. Tento „most“ zabezpečuje prenikanie elektrónov z jednej časti do druhej, preto sa v dôsledku rôznych názvov jeho základných nábojov vo vnútri diódy objavuje pomerne malý, ale stále prúd. Pohyb elektrónov cez diódu prebieha iba v jednom smere. Samozrejme, existuje spätný pohyb, ale je úplne bezvýznamný a pri pokuse o pripojenie zdroja energie v tomto smere je dióda zablokovaná spätným napätím. Tým sa zvyšuje hustota látky a dochádza k difúzii. Mimochodom, práve z tohto dôvodu sa dióda nazýva polovodičový ventil (v jednom smere je pohyb, ale v druhom nie).
Ak sa pokúsite zvýšiť teplotu diódy, počet menšinových nosičov (elektróny pohybujúce sa v opačnom smere k hlavnému smeru) sa zvýši a p-n prechod sa začne zrútiť.
Princíp interakcie medzi poklesom napätia na p-n prechode diódy a teplotou samotnej diódy bol odhalený takmer okamžite po jej návrhu.
V dôsledku toho je p-n prechod kremíkovej diódy najjednoduchším snímačom teploty. Jeho TKV (napäťový teplotný koeficient) je 3 milivolty na stupeň Celzia a dopredný bod poklesu napätia je približne 0,7 V.
Pre bežnú prevádzku je táto úroveň napätia zbytočne nízka, preto sa často nepoužíva samotná dióda, ale tranzistorové p-n prechody doplnené o základný delič napätia.
Výsledkom je, že dizajn vo svojich kvalitách zodpovedá celej sekvencii diód. V dôsledku toho môže byť indikátor poklesu napätia oveľa väčší ako 0,7 V.
Pretože TCR (teplotný koeficient odporu) diódy je záporný (-2 mV / ° C), ukázalo sa, že je veľmi relevantné pre použitie vo varicapoch, kde zohráva úlohu stabilizátora rezonančnej frekvencie oscilačného obvodu. . Riadené teplotou.
Údaje o poklese napätia diódy
Pri analýze hodnôt digitálneho multimetra je možné poznamenať, že údaje o poklese napätia na prechode pn pre kremíkové diódy sú 690 - 700 mV a pre germánium - 400 - 450 mV (hoci tento typ diódy prakticky nie je momentálne používané). Ak počas merania teplota diódy stúpne, údaje multimetra sa naopak znížia. Čím väčšia je zahrievacia sila, tým väčší je pokles digitálnych dát.
Zvyčajne sa táto vlastnosť používa na stabilizáciu procesu práce v elektronickom systéme (napríklad pre zosilňovače zvukovej frekvencie).
Schéma teplomera na dióde.
Snímače teploty pre mikrokontrolér
V súčasnosti je veľa obvodov postavených na mikrokontroléroch a možno sem zaradiť aj rôzne merače teploty, v ktorých je možné použiť polovodičové snímače za predpokladu, že teplota počas ich prevádzky nepresiahne 125 °C.
Keďže merače teploty sú kalibrované vo výrobe, nie je potrebné kalibrovať a nastavovať snímače.Výsledky získané z nich vo forme digitálnych údajov sa privádzajú do mikrokontroléra.
Aplikácia prijatých informácií závisí od obsahu softvéru ovládača.
Okrem iného môžu takéto senzory pracovať v termostatickom režime, to znamená (s vopred stanoveným programom) zapnúť alebo vypnúť pri dosiahnutí určitej teploty.
Ak sa však iné indikátory teploty stanú referenčnými, program bude potrebné prepísať.
Iné aplikácie
Aj keď je dnes výber snímačov teploty veľmi široký, nikto nezabúda na ich diódovú verziu, ktorá sa často používa v elektrických žehličkách, elektrických krboch a elektronike v najširšom zmysle.
Napriek obmedzeniam v teplotných podmienkach majú diódové snímače svoje významné výhody:
- relatívna lacnosť;
- skromné rozmery;
- ľahko sa zmestí veľké množstvo elektronických zariadení;
- vynikajúca citlivosť a presnosť.
Vďaka všetkým týmto vlastnostiam sa oblasť použitia senzorov tohto typu z roka na rok rozrastá.
Píšte komentáre, doplnky k článku, možno mi niečo uniklo. Pozri si mapu webu, budem rád, ak nájdeš na mojej stránke ešte niečo užitočné.
Jednoduchý elektronický teplomer na unijunkčnom tranzistore
kategórii
Rádiové obvody pre domácnosť
I. Nechajev. KurskRadio, 1992, č. 8, s. 17-18
V tomto článku sa budeme baviť o možnosti navrhovania zariadení na meranie teploty na diaľku - mimo domu alebo, povedzme, na balkóne „obchod so zeleninou“. Existuje veľa schém, ktoré vám umožňujú vykonávať túto funkciu, ale pri výbere snímača citlivého na teplotu existujú určité vlastnosti.
Spravidla vo väčšine prípadov pri navrhovaní takýchto zariadení termistory najčastejšie používajú rádioamatéri. Majú pomerne široký tepelný koeficient odporu (ďalej len TCR) - až 8% na stupeň. Veľmi sa však líši v pásme meraných teplôt. Ak pre domáce teplomery môžete zavrieť oči pred touto skutočnosťou, potom ak hovoríme o širokom rozsahu teplôt (napríklad ako v našom prípade od - 40 stupňov C do + 40 stupňov C), potom existujú určité problémy s stupnica prístroja meracej stupnice, jednoducho stratí svoju lineárnosť.
Vieme tiež, že najbežnejší pn prechod akéhokoľvek polovodičového zariadenia môže slúžiť ako snímač teploty, avšak TCH jednoduchého prechodu je veľmi malý - nie viac ako 0,3% na stupeň, a to si vyžaduje zavedenie ďalších zosilňovacích obvodov, čo značne komplikuje dizajn.
Ako ukázala skúsenosť, unijunkčné tranzistory typu KT117 sú najvhodnejšie na použitie ako snímač teploty (boli použité v napájacích zdrojoch 2 \ 3 USCT TV a nebude ťažké ich nájsť), ak ich zapojíte podľa obrázka na obrázku
V dôsledku takéhoto zahrnutia získame termistor s odporom 5 ... 10 kOhm s CTS približne 0,7 ... 0,9 % na stupeň C. V tomto prípade bude stupnica zariadenia lineárna cez celý teplotný rozsah. Táto vlastnosť unijunkčného tranzistora umožnila použiť ho ako snímač teploty v zariadení, ktorého obvod je znázornený na obrázku.
Základom uvažovaného elektronického teplomera je merací mostík na rezistoroch R2-R5, v jednom ramene ktorého je zapojený unijunkčný tranzistor VT1. V uhlopriečke mostíka je inštalovaný mikroampérmeter PA1 s nulou v strede. Ako zdroj energie môže slúžiť celovlnný usmerňovač, na tento účel je do obvodu zavedený parametrický stabilizátor na tranzistore VT2 a zenerovej dióde VD1. Ak bude zariadenie krátkodobo prevádzkované (zapnuté, prezerané, vypnuté), potom je možné použiť aj 9-voltovú batériu typu „Krona“, v tomto prípade je možné z okruhu vylúčiť stabilizačné obvody.
Podstata zariadenia je nasledovná: všetky odpory v obvode sú pevné, iba odpor snímača teploty, ktorého úlohu zohráva tranzistor, je premenlivý.Keď sa zmení okolitá teplota, zmení sa prúd cez snímač teploty. Okrem toho sa prúd bude meniť smerom nahor so zvýšením teploty a nadol s poklesom teploty. Ukazuje sa, že zostáva iba výberom odporov meracieho mostíka a nastavením ladiaceho odporu R1 na nastavenie hodnôt prístroja. šípka na nulu pri 0 stupňoch C.
Pri nastavovaní zariadenia môžete použiť nasledujúce odporúčania - topiaci sa ľad z chladničky možno použiť ako referenciu pre "nulovú" teplotu. Tiež nie je ťažké dosiahnuť teplotu 40 ... 50 stupňov C. Rúru jednoducho nahrejete na požadovanú teplotu. Môžete tak nastaviť nulovú polohu prístroja a maximálnu kladnú hodnotu pomocou príslušných značiek na stupnici. Značka „mínus“ môže byť umiestnená v rovnakej vzdialenosti ako značka „plus“, pretože stupnica merania bude lineárna.
Všetky časti teplomera sú osadené na doske plošných spojov z jednostranne fóliovaného textolitu, ktorej náčrt je na obrázku.
Približný vzhľad zariadenia je znázornený na nasledujúcom obrázku.
Pre tento teplomer sa najlepšie hodí mikroampérmeter typu M4206 pre prúd 50 μA s nulou v strede stupnice. Ak zrazu toto zariadenie nebolo k dispozícii, môžete použiť akýkoľvek iný mikroampérmeter pre špecifikovaný prúd (najlepšie s veľkou meracou stupnicou), ale potom bude potrebné do obvodu zaviesť ďalšie tlačidlo, aby bolo možné ovládať kladné a záporné teploty oddelene, ako je znázornené na obrázku
Nakoniec: v prípade potreby môže byť zariadenie vybavené niekoľkými snímačmi teploty ich zapnutím podľa nasledujúcej schémy
Budeme tak môcť kontrolovať teplotu vo viacerých objektoch – napríklad doma aj na ulici.
Tepelné snímače na tranzistoroch v obvodoch MK
Fyzikálna povaha polovodičových materiálov je taká, že ich parametre dosť silne závisia od teploty. V konvenčných zosilňovacích obvodoch sa s týmto javom bojuje, zatiaľ čo v teplomeroch sa naopak podporujú.Napríklad v kremíkových tranzistoroch s konštantným kolektorovým prúdom s rastúcou teplotou napätie báza-emitor U^^^ klesá s. teoretický koeficient 2,1 mV/°C. Skutočná zmena je úmerná pomeru 1000|mV|/Gx1 K], kde Gx je teplota média na Kelvinovej stupnici.
Príklad výpočtu. Nech je napätie medzi bázou a emitorom štandardného kremíkového tranzistora pri teplote 7;) = 20°C ^^^
So zvýšením teploty jeho puzdra na G, \u003d 35 ° C sa toto napätie zníži o 49 m V: i
Skutočné napätie sa môže mierne líšiť od vypočítaného v závislosti od polohy pracovného bodu tranzistora a jeho typu. V každom prípade sa odporúča znížiť a stabilizovať prúd pretekajúci cez /?-/7-prechod, aby sa eliminoval efekt samovoľného zahrievania kryštálu.
Ryža. 3.67. Schémy pripojenia tranzistorových tepelných snímačov k MK:
a) meranie teploty v rozsahu -30…+150°C. Snímač teploty je tranzistor VTI, v ktorom napätie (/[^e "driftuje" s koeficientom cca 2 mV / °C. Rezistory R4 a 7 nastavujú teplotný rozsah a +3 V kalibračné napätie na vstupe MK pri izbová teplota + 25 ° C. Tranzistor VTI má kovové puzdro, ktorého koniec je možné vtlačiť do tepelne odolnej plastovej trubice a celú konštrukciu použiť ako externú sondu alebo sondu;
b) teplotný snímač na báze jednoprechodového tranzistora VTI zabezpečuje linearitu merania teploty v rozsahu 0…+ 100°С;
c) Tranzistor VTI sa používa špeciálne na povrchovú montáž malých rozmerov (SMD). Je to potrebné na zníženie tepelnej zotrvačnosti snímača. Napríklad tranzistor SMD vstúpi do stabilného tepelného režimu jednu minútu po teplotnom skoku o 10 ° C (typický „veľký“ tranzistor trvá niekoľkonásobne dlhšie).Rezistor /^/ vyrovnáva diferenciálny obvod pozostávajúci z tranzistorov VTI, VT2\
Na obr. 3.67, a ... d sú znázornené schémy zapojenia tranzistorových tepelných snímačov k MK.
d) tranzistor VT1 má v tele otvor, cez ktorý sa dá skrutkou upevniť na povrch meraného predmetu. Kolektor tranzistora je elektricky spojený s jeho telom, čo je potrebné vziať do úvahy pri inštalácii. Teplotný prevodný koeficient je priamo úmerný pomeru rezistorov R3/R2 (v tomto obvode asi 20 mV/°C).
Tepelný senzor na E-core tranzistore
V tomto článku budem hovoriť o použití bipolárneho tranzistora ako snímača teploty. Popis je uvedený v kontexte jeho použitia na meranie teploty chladiča (chladiča).
Hlavnou výhodou snímača teploty na tranzistore je, že poskytuje dobrý tepelný kontakt s žiaričom a je pomerne jednoduché ho naň upevniť a bipolárny tranzistor nie je drahý.
Nižšie je schéma zapínania tranzistora a jednotky na spracovanie signálu na operačnom zosilňovači. VT1 je tranzistorovo-tepelný snímač, ktorý je pripevnený k žiariču.
Tranzistor je zámerne použitý v p-n-p štruktúrach. chladič je často pripojený na spoločný vodič obvodu a kolektor tranzistora v balení TO-220 je pripojený k chladiču a pri uchytení tranzistora nie je potrebné ho elektricky izolovať od chladiča, čo ešte viac zjednodušuje dizajn.
Pokles napätia na p-n prechode sa mení so zvyšovaním jeho teploty so strmosťou približne -2 mV / stupeň (t.j. klesá so zvyšujúcou sa teplotou). Takáto malá zmena napätia nie je príliš vhodná na spracovanie ADC, navyše je vhodnejšie, keď je závislosť priama, t.j. so zvyšovaním teploty sa zvyšuje signál teploty.
Vyššie uvedený obvod predpína, invertuje a zosilňuje signál z tranzistora, čím poskytuje zvýšenie výstupného napätia so zvyšujúcou sa teplotou, a funguje nasledovne.
Od referenčného napätia generovaného deličom R1R2 sa odpočíta úbytok napätia na tranzistore a výsledok odčítania sa zosilní. Referenčné napätie sa volí tesne nad úbytkom napätia na tranzistore pri teplote 25 stupňov, čo zabezpečuje meranie napätia pod 25 stupňov.
Zosilnenie obvodu je určené pomerom R5/R4 + 1 a pre tento obvod je rovné 11. Konečný sklon teplotného signálu je 2*11=22mV/stupeň. Aby sa zabezpečilo meranie teploty od 0 stupňov, výstupný signál pri 25 stupňoch musí byť aspoň 25*0,022=0,55V. Prebytok predpätia nad poklesom na tranzistore pri 25 stupňoch musí byť aspoň 0,05 V.
Pokles napätia na tranzistore pri 25 stupňoch je 0,5 – 0,6 V a závisí od konkrétneho typu tranzistora a prúdu, ktorý ním prechádza, a preto je pravdepodobne nemožné zvoliť referenčné napätie „za behu“, preto v štádiu ladenia, je potrebné vybrať odpory R1R2 pre konkrétny typ tranzistora a prúd cez neho, z jedného tranzistora na druhý, táto hodnota sa môže zmeniť, ale to sa už dá opraviť softvérovými metódami.
Prúd cez tranzistor je určený odporom rezistora R3, v tomto obvode je prúd približne rovný 15mA. Odporúčaná hodnota prúdu cez tranzistor je 10-20mA.
Vyššie uvedený obvod je prispôsobený pre ADC s referenčným napätím 3,3V, ale môže byť použitý aj pre referenčné napätie 5V, na to je potrebné zvýšiť zosilnenie obvodu na základe požadovaného teplotného rozsahu.
Na prvkoch R6VD1 je zostavený obvod obmedzujúci výstupné napätie v prípade núdzových situácií, napríklad prerušenia drôtu tranzistora. Ak napájacie napätie operačného zosilňovača nepresiahne referenčné napätie ADC, možno ich vylúčiť.
Ako DA1 je možné použiť akýkoľvek operačný zosilňovač, ktorý zabezpečuje prevádzku s unipolárnym napájaním a vstupným napätím od 0V. Napríklad lacný a bežný LM358.
Ako tranzistor možno použiť akýkoľvek nekompozitný tranzistor p-n-p štruktúry.
