Thiết bị và các loại
Nhiệt điện trở là một linh kiện bán dẫn có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Tùy thuộc vào loại phần tử, điện trở có thể tăng hoặc giảm khi nó nóng lên. Có hai loại nhiệt điện trở:
- NTC (Hệ số nhiệt độ âm) - với hệ số nhiệt độ âm của điện trở (TCR). Chúng thường được gọi là "Thermistors".
- PTC (Hệ số nhiệt độ dương) - với TCS dương. Chúng còn được gọi là "Pozistors".
Quan trọng! Hệ số nhiệt độ của điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. Mô tả điện trở của phần tử thay đổi bao nhiêu ôm hoặc phần trăm giá trị danh nghĩa khi nhiệt độ của phần tử tăng thêm 1 độ C
Ví dụ, điện trở thông thường có TCR dương (khi bị nung nóng, điện trở của vật dẫn tăng lên).
Nhiệt điện trở có nhiệt độ thấp (lên đến 170K), nhiệt độ trung bình (170-510K) và nhiệt độ cao (900-1300K). Phần thân của phần tử có thể được làm bằng nhựa, thủy tinh, kim loại hoặc gốm.
Ký hiệu đồ họa biểu tượng của các nhiệt điện trở trong sơ đồ giống với các điện trở thông thường, và điểm khác biệt duy nhất là chúng được gạch chéo bằng một đường sọc và chữ t được chỉ ra bên cạnh nó.
Nhân tiện, đây là cách bất kỳ điện trở nào được chỉ định, điện trở thay đổi dưới tác động của môi trường và loại đại lượng ảnh hưởng được biểu thị bằng chữ cái, t là nhiệt độ.
Các đặc điểm chính:
- Điện trở định mức ở 25 độ C.
- Dòng điện tối đa hoặc công suất tiêu tán.
- Nhiệt độ hoạt động.
- TKS.
Sự thật thú vị: Nhiệt điện trở được phát minh vào năm 1930 bởi nhà khoa học Samuel Ruben.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cách nó hoạt động và những gì chúng được sử dụng để làm gì.
đo
|
|
|||||
|
Để đo nhiệt độ, điốt bán dẫn và bóng bán dẫn có thể được sử dụng làm bộ chuyển đổi nhiệt. Điều này là do ở một giá trị không đổi của dòng điện chạy theo chiều thuận, ví dụ, qua đường giao nhau của điốt, điện áp tại đường giao nhau thay đổi gần như tuyến tính với nhiệt độ. Để giá trị hiện tại không đổi, chỉ cần bao gồm một điện trở hoạt động lớn mắc nối tiếp với diode là đủ. Trong trường hợp này, dòng điện đi qua điốt không được làm cho nó nóng lên. Có thể xây dựng đặc tính hiệu chuẩn của cảm biến nhiệt độ như vậy bằng cách sử dụng hai điểm - ở đầu và cuối của dải nhiệt độ đo được. Hình 1, a mô tả mạch đo nhiệt độ sử dụng diode VD. Pin có thể dùng như một nguồn điện.
Cơm. 1. Sơ đồ để đo nhiệt độ bằng cách sử dụng một diode (a) và bóng bán dẫn (b, c). Cầu nối cho phép bạn tăng độ nhạy tương đối của thiết bị bằng cách bù giá trị ban đầu của điện trở cảm biến. Tương tự, nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở của quá trình chuyển đổi cơ sở phát của bóng bán dẫn. Trong trường hợp này, bóng bán dẫn có thể đồng thời hoạt động như một cảm biến nhiệt độ và một bộ khuếch đại tín hiệu của chính nó. Do đó, việc sử dụng bóng bán dẫn làm cảm biến nhiệt có lợi thế hơn so với điốt. Hình 1b mô tả một mạch nhiệt kế trong đó một bóng bán dẫn (germani hoặc silicon) được sử dụng làm bộ chuyển đổi nhiệt độ. Trong sản xuất nhiệt kế cả điốt và bóng bán dẫn, cần phải xây dựng đặc tính hiệu chuẩn, trong khi nhiệt kế thủy ngân có thể được sử dụng như một công cụ đo mẫu. Quán tính của nhiệt kế trên điốt và bóng bán dẫn là nhỏ: trên điốt - 30 s, trên bóng bán dẫn - 60 s. Mối quan tâm thực tế là một mạch cầu với một bóng bán dẫn ở một trong các nhánh (Hình 1, c). Trong mạch này, điểm nối bộ phát được bao gồm trong một trong các nhánh của cầu R4, một điện áp chặn nhỏ được áp dụng cho bộ thu.
Từ khóa: diode, bóng bán dẫn, nhiệt độ |
|||||
|
|||||
|
|||||
Diode làm cảm biến nhiệt độ - chức năng bán dẫn
Diode là thiết bị đơn giản nhất trong cấu hình của nó có các đặc tính của chất bán dẫn.
Giữa hai cực của diode (cho và nhận) là vùng điện tích không gian, nếu không: tiếp giáp p-n. “Cầu nối” này đảm bảo sự xâm nhập của các electron từ phần này sang phần khác, do đó, do tên gọi khác nhau của các điện tích cấu thành của nó, một dòng điện khá nhỏ nhưng vẫn xuất hiện bên trong diode. Chuyển động của các electron qua điốt chỉ xảy ra theo một hướng. Tất nhiên, có một chuyển động ngược lại, nhưng nó hoàn toàn không đáng kể, và khi bạn cố gắng kết nối nguồn điện theo hướng này, diode bị chặn bởi điện áp ngược. Điều này làm tăng mật độ của chất và sự khuếch tán xảy ra. Nhân tiện, chính vì lý do này mà diode được gọi là van bán dẫn (có chuyển động theo một hướng, nhưng không chuyển động theo hướng khác).
Nếu bạn cố gắng tăng nhiệt độ của điốt, thì số hạt tải điện thiểu số (các điện tử di chuyển theo hướng ngược lại với hướng chính) sẽ tăng lên, và tiếp giáp p-n sẽ bắt đầu sụp đổ.
Nguyên tắc tương tác giữa sụt áp qua điểm nối p-n của diode và nhiệt độ của bản thân diode đã được tiết lộ gần như ngay lập tức sau khi nó được thiết kế.
Kết quả là, điểm tiếp giáp p-n của một diode silicon là cảm biến nhiệt độ đơn giản nhất. TKV (hệ số nhiệt độ điện áp) của nó là 3 milivon trên độ C và điểm rơi điện áp phía trước là khoảng 0,7V.
Đối với hoạt động bình thường, mức điện áp này thấp một cách không cần thiết, do đó, không phải bản thân diode thường được sử dụng, mà là các điểm nối p-n của bóng bán dẫn hoàn chỉnh với một bộ chia điện áp cơ bản.
Kết quả là, thiết kế về chất lượng của nó tương ứng với toàn bộ chuỗi điốt. Kết quả là chỉ báo sụt áp có thể lớn hơn rất nhiều so với 0,7V.
Vì TCR (hệ số nhiệt độ của điện trở) của diode là âm (-2mV / ° C), nó hóa ra rất thích hợp để sử dụng trong varicaps, nơi nó đóng vai trò ổn định tần số cộng hưởng của mạch dao động . Điều khiển bằng nhiệt độ.
Dữ liệu sụt áp diode
Khi phân tích các số đọc của đồng hồ vạn năng kỹ thuật số, có thể lưu ý rằng dữ liệu về điện áp rơi trên đường giao nhau pn đối với điốt silicon là 690-700 mV và đối với germani - 400-450 mV (mặc dù loại điốt này thực tế không được sử dụng tại thời điểm này). Nếu trong quá trình đo, nhiệt độ của diode tăng lên, thì ngược lại, dữ liệu của đồng hồ vạn năng sẽ giảm. Lực đốt nóng càng lớn thì dữ liệu kỹ thuật số sụt giảm càng lớn.
Thông thường đặc tính này được sử dụng để ổn định quá trình làm việc trong hệ thống điện tử (ví dụ, đối với bộ khuếch đại âm tần).
Đề án của một nhiệt kế trên một diode.
Cảm biến nhiệt độ cho vi điều khiển
Hiện tại, nhiều mạch được xây dựng dựa trên vi điều khiển và các đồng hồ đo nhiệt độ khác nhau cũng có thể được đưa vào đây, trong đó có thể sử dụng cảm biến bán dẫn, với điều kiện nhiệt độ trong quá trình hoạt động của chúng không vượt quá 125 ° C.
Do các đồng hồ đo nhiệt độ được hiệu chuẩn tại nhà máy nên không cần phải hiệu chuẩn và điều chỉnh các cảm biến.Kết quả thu được từ chúng dưới dạng dữ liệu kỹ thuật số được đưa đến bộ vi điều khiển.
Việc áp dụng thông tin nhận được phụ thuộc vào nội dung phần mềm của bộ điều khiển.
Trong số những thứ khác, các cảm biến như vậy có thể hoạt động ở chế độ ổn định nhiệt, nghĩa là (với một chương trình định trước) bật hoặc tắt khi đạt đến một nhiệt độ nhất định.
Tuy nhiên, nếu các chỉ số nhiệt độ khác trở thành tham chiếu, chương trình sẽ phải được viết lại.
Các ứng dụng khác
Mặc dù ngày nay sự lựa chọn của cảm biến nhiệt độ rất rộng rãi, nhưng không ai quên phiên bản diode của chúng, thường được sử dụng trong bàn là điện, lò sưởi điện và thiết bị điện tử theo nghĩa rộng nhất của nó.
Bất chấp những hạn chế trong điều kiện nhiệt độ, cảm biến diode có những ưu điểm đáng kể:
- giá rẻ tương đối;
- kích thước khiêm tốn;
- dễ dàng phù hợp với một số lượng lớn các thiết bị điện tử;
- độ nhạy và độ chính xác tuyệt vời.
Nhờ tất cả những phẩm chất này, lĩnh vực ứng dụng của cảm biến loại này đang phát triển từ năm này sang năm khác.
Viết bình luận, bổ sung cho bài viết, có thể tôi đã bỏ sót điều gì đó. Hãy xem sơ đồ trang web, tôi sẽ rất vui nếu bạn tìm thấy thứ khác hữu ích trên trang web của tôi.
Một nhiệt kế điện tử đơn giản trên một bóng bán dẫn liên kết
thể loại
Mạch vô tuyến cho gia đình
I. Nechaev. KurskRadio, 1992, số 8, trang 17-18
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến khả năng thiết kế các thiết bị đo nhiệt độ ở khoảng cách xa - bên ngoài ngôi nhà hoặc trong một “cửa hàng rau” ở ban công. Có rất nhiều phương án cho phép bạn thực hiện chức năng này, nhưng có một số tính năng nhất định khi chọn cảm biến nhạy cảm với nhiệt độ.
Theo quy luật, trong hầu hết các trường hợp, khi thiết kế các thiết bị như vậy, nhiệt điện trở thường được sử dụng bởi những người nghiệp dư về radio. Chúng có hệ số nhiệt điện trở khá rộng (sau đây gọi là TCR) - lên đến 8% mỗi độ. Tuy nhiên, nó thay đổi rất nhiều trong vùng nhiệt độ đo được. Nếu đối với nhiệt kế gia đình bạn có thể nhắm mắt vào thực tế này, thì nếu chúng ta đang nói về một phạm vi nhiệt độ rộng (ví dụ, như trong trường hợp của chúng tôi, từ - 40 độ C đến + 40 độ C), thì một số vấn đề nhất định sẽ phát sinh với tốt nghiệp của thiết bị cân đo lường, nó sẽ đơn giản là mất tính tuyến tính của nó.
Chúng ta cũng biết rằng điểm nối pn phổ biến nhất của bất kỳ thiết bị bán dẫn nào có thể hoạt động như một cảm biến nhiệt độ, tuy nhiên, TCH của một điểm tiếp giáp đơn giản là rất nhỏ - không quá 0,3% mỗi độ và điều này đòi hỏi sự ra đời của các mạch khuếch đại bổ sung, điều này làm phức tạp rất nhiều thiết kế.
Theo kinh nghiệm cho thấy, các bóng bán dẫn liên kết loại KT117 phù hợp nhất để sử dụng làm cảm biến nhiệt độ (chúng được sử dụng trong bộ nguồn của TV 2 \ 3 USCT và sẽ không khó tìm thấy chúng) nếu bạn kết nối nó như hình minh họa trong hình
Kết quả của việc đưa vào như vậy, chúng tôi thu được một nhiệt điện trở có điện trở 5 ... 10 kOhm với CTS xấp xỉ 0,7 ... 0,9% mỗi độ C. Trong trường hợp này, thang đo của thiết bị sẽ tuyến tính trên toàn bộ dải nhiệt độ. Đặc tính này của bóng bán dẫn đơn kết nối giúp nó có thể sử dụng nó như một cảm biến nhiệt độ trong một thiết bị, mạch của nó được thể hiện trong hình.
Cơ sở của nhiệt kế điện tử được coi là một cầu đo trên các điện trở R2-R5 trong một nhánh của nó được kết nối với một bóng bán dẫn liên kết VT1. Một microam kế PA1 có số 0 ở giữa được lắp theo đường chéo của cây cầu. Bộ chỉnh lưu toàn sóng có thể đóng vai trò như một nguồn điện; cho mục đích này, bộ ổn định tham số trên bóng bán dẫn VT2 và điốt zener VD1 được đưa vào mạch. Nếu thiết bị sẽ hoạt động trong một thời gian ngắn (bật, nhìn, tắt) thì cũng có thể sử dụng pin 9 volt của loại “Krona”, trong trường hợp này có thể loại trừ các mạch ổn định ra khỏi mạch.
Bản chất của thiết bị như sau: tất cả các điện trở trong mạch là cố định, chỉ có điện trở của cảm biến nhiệt độ, vai trò của nó là do bóng bán dẫn, là thay đổi.Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, dòng điện qua cảm biến nhiệt độ sẽ thay đổi. Hơn nữa, dòng điện sẽ thay đổi cả hướng lên khi nhiệt độ tăng lên và hướng xuống khi nhiệt độ giảm. Hóa ra nó chỉ duy trì bằng cách chọn các điện trở của cầu đo và điều chỉnh điện trở điều chỉnh R1 để thiết lập các số đọc của thiết bị. mũi tên về không ở 0 độ C.
Khi thiết lập thiết bị, bạn có thể sử dụng các khuyến nghị sau - đá tan chảy từ tủ lạnh có thể được sử dụng làm tham chiếu cho nhiệt độ "không". Cũng không khó để đạt được nhiệt độ 40 ... 50 độ C. Bạn chỉ cần làm nóng lò đến nhiệt độ mong muốn. Do đó, bạn có thể đặt vị trí 0 của thiết bị và cực đại dương bằng cách tạo các dấu thích hợp trên thang đo. Dấu “trừ” có thể được thực hiện ở cùng khoảng cách với dấu “cộng”, vì thang đo sẽ là tuyến tính.
Tất cả các bộ phận của nhiệt kế được gắn trên một bảng mạch in làm bằng giấy bạc một mặt, bản phác thảo của nó được thể hiện trong hình.
Hình dáng gần đúng của thiết bị được thể hiện trong hình sau.
Đối với nhiệt kế này, một microam kế loại M4206 cho dòng điện 50 μA với số 0 ở giữa thang đo là phù hợp nhất. Nếu đột nhiên thiết bị này không có sẵn, thì bạn có thể sử dụng bất kỳ microam kế nào khác cho dòng điện được chỉ định (tốt nhất là với thang đo lớn), nhưng sau đó một nút bổ sung sẽ cần được đưa vào mạch để có thể điều khiển tích cực và nhiệt độ âm riêng biệt, như thể hiện trong hình
Cuối cùng thì: nếu cần, thiết bị có thể được trang bị một số cảm biến nhiệt độ bằng cách bật chúng theo sơ đồ sau
Do đó, chúng ta sẽ có thể kiểm soát nhiệt độ ở một số đối tượng - ví dụ: ở nhà và trên đường phố.
Cảm biến nhiệt trên bóng bán dẫn trong mạch MK
Bản chất vật lý của vật liệu bán dẫn là các thông số của chúng phụ thuộc khá mạnh vào nhiệt độ. Trong các mạch khuếch đại thông thường, hiện tượng này xảy ra, trong khi ở các máy đo nhiệt độ, chúng được khuyến khích. hệ số lý thuyết là 2,1 mV / ° C. Sự thay đổi thực tế tỷ lệ với tỷ lệ 1000 | mV | / Gx1 K], trong đó Gx là nhiệt độ trung bình trên thang Kelvin.
Ví dụ tính toán. Đặt điện áp giữa đế và cực phát của bóng bán dẫn silicon tiêu chuẩn ở nhiệt độ 7;) = 20 ° C là ^^^
Khi nhiệt độ của vỏ tăng lên đến G, \ u003d 35 ° C, điện áp này giảm đi 49m V: i
Điện áp thực tế có thể khác một chút so với điện áp được tính toán, tùy thuộc vào vị trí của điểm hoạt động của bóng bán dẫn và loại của nó. Trong mọi trường hợp, nên giảm và ổn định dòng điện chạy qua điểm nối /? - / 7 để loại bỏ hiệu ứng tự phát nhiệt của tinh thể.
Cơm. 3,67. Các sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt bóng bán dẫn với MK:
a) đo nhiệt độ trong khoảng -30… + 150 ° C. Cảm biến nhiệt độ là bóng bán dẫn VTI, trong đó điện áp (/ [^ e "trôi dạt" với hệ số khoảng 2 mV / ° C. Điện trở R4 và 7 đặt dải nhiệt độ và điện áp hiệu chuẩn +3 V ở đầu vào MK tại nhiệt độ phòng + 25 ° C. Transistor VTI có vỏ bằng kim loại, phần cuối của nó có thể được ép vào một ống nhựa chịu nhiệt và toàn bộ cấu trúc có thể được sử dụng như một đầu dò hoặc đầu dò bên ngoài;
b) cảm biến nhiệt độ dựa trên bóng bán dẫn một điểm nối VTI cung cấp phép đo nhiệt độ tuyến tính trong phạm vi 0… + 100 ° С;
c) Bóng bán dẫn VTI được sử dụng đặc biệt có kích thước nhỏ gắn trên bề mặt (SMD). Điều này là cần thiết để giảm quán tính nhiệt của cảm biến. Ví dụ, một bóng bán dẫn SMD đi vào chế độ nhiệt ổn định một phút sau khi nhiệt độ tăng 10 ° C (một bóng bán dẫn “lớn” điển hình mất nhiều thời gian hơn).Điện trở / ^ / cân bằng mạch vi sai bao gồm các bóng bán dẫn VTI, VT2 \
Trên hình. 3.67, a ... d cho thấy sơ đồ kết nối của cảm biến nhiệt bóng bán dẫn với MK.
d) Bóng bán dẫn VT1 có một lỗ trên thân của nó, qua đó nó có thể được cố định bằng vít trên bề mặt của đối tượng được đo. Bộ thu của bóng bán dẫn được kết nối điện với cơ thể của nó, điều này phải được tính đến trong quá trình lắp đặt. Hệ số chuyển đổi nhiệt độ tỷ lệ thuận với tỷ lệ điện trở R3 / R2 (trong mạch này, khoảng 20 mV / ° C).
Cảm biến nhiệt trên bóng bán dẫn lõi E
Trong bài viết này, tôi sẽ nói về việc sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực làm cảm biến nhiệt độ. Mô tả được đưa ra trong bối cảnh sử dụng nó để đo nhiệt độ của bộ tản nhiệt (tản nhiệt).
Ưu điểm chính của cảm biến nhiệt độ trên bóng bán dẫn là nó cung cấp sự tiếp xúc nhiệt tốt với bộ tản nhiệt và việc sửa chữa nó trên nó tương đối dễ dàng và bóng bán dẫn lưỡng cực không đắt.
Dưới đây là sơ đồ chuyển mạch transistor và bộ xử lý tín hiệu trên op-amp. VT1 là cảm biến nhiệt độ bóng bán dẫn, được gắn vào bộ tản nhiệt.
Bóng bán dẫn được sử dụng một cách có chủ đích trong cấu trúc p-n-p. bộ tản nhiệt thường được kết nối với dây chung của mạch và bộ thu của bóng bán dẫn trong gói TO-220 được kết nối với bộ tản nhiệt và khi gắn bóng bán dẫn, không cần phải cách ly điện khỏi bộ tản nhiệt, giúp đơn giản hóa thiết kế hơn nữa.
Điện áp giảm qua đường giao nhau p-n thay đổi khi nhiệt độ của nó tăng lên với độ dốc xấp xỉ -2 mV / độ (tức là giảm khi nhiệt độ tăng). Sự thay đổi điện áp nhỏ như vậy không thuận tiện lắm để xử lý bộ ADC, hơn nữa, nó thuận tiện hơn khi sự phụ thuộc trực tiếp, tức là khi nhiệt độ tăng, tín hiệu nhiệt độ tăng.
Mạch trên thiên vị, đảo ngược và khuếch đại tín hiệu từ bóng bán dẫn, cung cấp sự gia tăng điện áp đầu ra khi nhiệt độ tăng và hoạt động như sau.
Từ điện áp tham chiếu được tạo ra bởi bộ chia R1R2, điện áp rơi trên bóng bán dẫn được trừ đi và kết quả của phép trừ được khuếch đại. Điện áp tham chiếu được chọn ngay trên điện áp rơi trên bóng bán dẫn ở nhiệt độ 25 độ, đảm bảo rằng điện áp được đo dưới 25 độ.
Độ lợi của mạch được xác định bằng tỷ số R5 / R4 + 1 và đối với mạch này bằng 11. Độ dốc cuối cùng của tín hiệu nhiệt độ là 2 * 11 = 22mV / độ. Như vậy, để đảm bảo đo nhiệt độ từ 0 độ, tín hiệu đầu ra ở 25 độ tối thiểu phải là 25 * 0,022 = 0,55V. Sự vượt quá của điện áp phân cực trên sự sụt giảm trên bóng bán dẫn ở 25 độ ít nhất phải là 0,05V.
Điện áp giảm trên bóng bán dẫn ở 25 độ là 0,5-0,6V và phụ thuộc vào loại bóng bán dẫn cụ thể và dòng điện qua nó, và có thể không thể chọn điện áp tham chiếu "đang bay", do đó, ở giai đoạn gỡ lỗi, cần phải chọn điện trở R1R2 cho một loại bóng bán dẫn cụ thể và dòng điện chạy qua nó, từ bóng bán dẫn này sang bóng bán dẫn khác, giá trị này có thể thay đổi, nhưng điều này đã có thể được sửa chữa bằng phương pháp phần mềm.
Cường độ dòng điện qua tranzito được xác định bằng điện trở của biến trở R3, trong đoạn mạch này cường độ dòng điện xấp xỉ bằng 15mA. Giá trị đề nghị của dòng điện qua bóng bán dẫn là 10-20mA.
Mạch trên được điều chỉnh cho một ADC có điện áp tham chiếu là 3,3V, nhưng cũng có thể được sử dụng cho điện áp tham chiếu 5V, vì điều này, cần phải tăng độ lợi của mạch, dựa trên phạm vi nhiệt độ yêu cầu.
Trên các phần tử R6VD1, một mạch giới hạn điện áp đầu ra được lắp ráp trong trường hợp khẩn cấp, ví dụ, đứt dây đối với bóng bán dẫn. Nếu điện áp cung cấp của op-amp không vượt quá điện áp tham chiếu của ADC, thì chúng có thể bị loại trừ.
Như DA1, có thể sử dụng bất kỳ amp op nào cung cấp hoạt động với nguồn điện đơn cực và điện áp đầu vào từ 0V. Ví dụ, LM358 giá rẻ và thông dụng.
Là một bóng bán dẫn, bất kỳ bóng bán dẫn không phức hợp nào có cấu trúc p-n-p đều có thể được sử dụng.
