термистор. Термистор. Rт Аехр (ВТ)

• Название: Rт Аехр (ВТ)
• Анкор: термистор
• Дата: 04.11.2021
• Размер: 1.56 Mb.
• Имя файла: Термистор.rtf
• Тип: Документы; #263136

Термистор

Введение

Термистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Изменение сопротивления Rт полупроводника при изменении температуры характеризуется зависимостью:

Rт= Аехр (В/Т),

где: А - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника, размеров и формы термистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т - температура термистора, °С. Температурный коэффициент α полупроводникового термистора отрицательный.

Он достигает значений от 2,5 до 4% °С, что в 6-10 раз больше температурного коэффициента металлов, и зависит от температуры:

α = В/Т^2.

Устройство термисторов серий ММТ и КМТ. Термисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти выводы термисторов могут быть использованы только в сухих помещениях. Термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 смонтированы в металлический корпус 6 и герметизированы. Они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной по отношению к корпусу. Герметизация осуществляется стеклом 8 и оловом 9. Стержень 5 в термисторе типа ММТ-4 обернут металлической фольгой 4. Токоотвод 7 выполнен из никелевой проволоки. Эти термисторы выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1 до 200 кОм (при 20 °С) и могут быть использованы для работы в диапазоне температур от -100 до 129°С.

Общие основы работы измерительных преобразователей температуры - полупроводниковых термисторов.

1 Принцип работы полупроводникового термистора

1.1 Описание физических основ работы термистора. Полупроводниковый термистор, методика градуировки

Термистором называют устройство, состоящее из проводника, электрическое сопротивление которого зависит от температуры и до которого подсоединены электрические выводы. Широкое применение находят полупроводниковые термисторы. В этом случае в качестве проводника электрического тока служит полупроводник в виде пленки на изолирующей подложке или в объемном исполнении. Чаще всего применяют такие полупроводники: Ge, GaAs, Si. Общие размеры термисторов могут быть менее 1 мм^3, электрическое сопротивление от нескольких Ом до 100 кОм, токи питания, как правило, 10 - 100мкА, чувствительность от 5 %/К в области комнатной температуры до 100 %/К в области криогенных температур, инерционность может достигать нескольких десятков миллисекунд.

Полупроводниковые термисторы широко применяются для измерения и контроля температуры в широком диапазоне, но, как правило, не выше 200 °С, так как при высокой температуре наступает собственная проводимость и температурная зависимость сопротивления резко падает, становится не монотонной, не стабильной. В широком диапазоне температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры R(T) имеет сложный характер и зависит от типа легирующей примеси и уровня легирования. Поэтому невозможно выразить зависимость R(T) простой формулой, которая бы позволила выполнить градуирование с высокой точностью. Как правило, весь интервал температуры разбивают на отдельные участки, на которых зависимость R(T) описывается своей интерполяционной формулой.

Методику градуировки можно рассмотреть на следующем примере. В области комнатной температуры зависимость R(T) для полупроводниковых термисторов можно выразить:

R=Ro * e ^ B/T

Для градуирования термистора (получения таблиц зависимости электрического сопротивления от температуры) преобразуем формулу (1):

lnR = lnRo + B(1 /T )

Полученное выражение является уравнением прямой в координатах 1/T и LnR.

LnRо - величина логарифма сопротивления когда Т стремится к бесконечности. Коэффициент В равен тангенсу угла α наклона прямой к оси 1/Т. Если при двух фиксированных температурах Т1 и Т2 измерять сопротивления термистора R1 и R2 соответственно, то можно построить зависимость LnR(1/T) по двум точкам:

Используя формулу и полученный график можно находить для любого значения R из интервала от R1 до R2 соответствующее ему значение температуры (составить градуировочные таблицы).

Для точных измерений температуры градуировку термистора проводят в специализированных лабораториях с применением соответствующих аппроксимирующих формул для нужного диапазона температур, компьютерной обработки данных и др. В широком диапазоне температур температурная зависимость сопротивления полупроводникового термистора имеет достаточно сложный характер.



Рисунок 1 - График уравнения прямой

1.2 Принцип действия

Термисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменении температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Наиболее подходящим и распространенным материалом для изготовления термисторов являются полупроводники, обладающие более высоким температурным коэффициентом сопротивления.



Рисунок 2 - Основная классификация термисторов

Различают два типа термисторов: термистор, сопротивление которого падает с ростом температуры, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает (рис.2).

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора вследствие изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Термисторы же косвенного подогрева имеют дополнительный источник теплоты - подогреватель. Конструктивное исполнение может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях сам термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Нужно отметить, что общим для термисторов косвенного подогрева всех возможных конструкций является то, что у них есть две электрически изолированные друг от друга цепи: управляющая и управляемая.

Нужно отметить, что термисторы изготовляются как из монокристаллов ковалентных полупроводников, так и методом керамического обжига заготовок (оксидные полупроводники) при высоких температурах.

Позистор – это термистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В массовом производстве позисторы делают на основе керамики из титаната бария.

У термисторов уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано различными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

В диапазонах температур, где полупроводники обладают отрицательным коэффициентом сопротивления, зависимость сопротивления от температуры соответствует уравнению, где B – коэффициент температурной чувствительности (определяет физические свойства материала), - коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора. Для позисторов действует та же формула. Различают термисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температурах ниже 170 К), среднетемпературные (170—510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют термисторы, предназначенные для работы при 4.2 К и ниже и при 900—1300 К. Наиболее, широко используются среднетемпературные термисторы с ТКС от — 2,4 до —8,4 % К^-1 и с номинальным сопротивлением 1 —10⁶ Ом.

Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников – оксидов металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (от титана до цинка). Термистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок.

1.3 Применение и основные схемы включения

термистор преобразователь градуировка полупроводниковый

Режим работы термисторов зависит от того, на каком участке статической ВАХ выбрана рабочая точка. Термисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Термисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов, температуры и напряжения. Режим работы термистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления термистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для термисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких термисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с термистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена термистора со средой. Термистор с косвенным подогревом используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Позисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

В тех случаях, когда термисторы используют в качестве датчика, они могут работать в следующих двух режимах:

1. Когда температура термистора практически определяется только температурой окружающей среды (ток, проходящий через термистор, имеет очень малую величину);

2. Когда термистор нагревается проходящим по нему током, а температура термистора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, что связано с температурой окружающей среды.

В первом случае термистор используется в качестве датчика температуры, который получил название термометра сопротивления. Термометры сопротивления широко применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред в трубопроводах, резервуарах и помещениях. В авиации они применяются для измерения температуры воды, масла, окружающего воздуха и др. Наибольшее распространение получили платиновые и медные термометры сопротивления.

Во втором случае термисторы обычно применяются в качестве датчиков для измерения различных неэлектрических величин, тем или иным способом изменяющих отвод тепла от термистора. На этом принципе построены различные датчики, измеряющие скорость потока газа, вакуума и др.

2. Чувствительность мостовой схемы

Чувствительность уравновешенного моста определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста (например, на рис. 2.2): . В уравновешенном мосте После изменения на ток прибора определяется по (2.7) или (2.8):



Преобразуем числитель этого выражения, учитывая условие равновесия



Следовательно, , и чувствительность уравновешенного моста по току

(2.12)

В некоторых случаях (например, в мостах с автоматическим уравновешиванием) входным сигналом мостовой схемы служит напряжение в измерительной диагонали БГ. Тогда следует определять чувствительность по напряжению: Оценим влияние сопротивлений плеч моста на чувствительность мостовой уравновешенной схемы. Для этого удобно выразить сопротивления всех плеч моста относительно измеряемого сопротивления R4.

Положим ; ; . Так как в уравновешенном мосту , то . Подставим значения сопротивлении в (2.12).

1. Для высокоомного моста (полагая )



Анализ уравнения (2.15) показывает, что чувствительность возрастает с увеличением напряжения питания и уменьшением сопротивлений плеч моста. Эти выводы достаточно очевидны. При этом следует иметь в виду, что с уменьшением сопротивлений мост уже не будет высокоомным и к нему неприменимо уравнение (2.15). Менее очевидно, но представляет большой интерес влияние коэффициентов я, т, q. Рассмотрим функцию (2.16). При уменьшении я чувствительность схемы увеличивается. При неизменных коэффициентах п к q чувствительность моста максимальна при



Уравнение (2.17) можно получить продифференцировав по т и приравняв нулю.

На рис. 2.4, а показаны номограммы для случая , с помощью которых можно определить т и я, т. е. сопротивления мостовой схемы. По виду кривых можно судить о том, что при известном и достаточно большом диапазоне изменения значений и чувствительность мостовой схемы изменяется незначительно.

Чувствительность низкоомного моста (при )





Рис. 2.4 Номограммы к расчету чувствительности мостовой схемы

Анализ уравнения (2.19) показывает, что при увеличении т. чувствительность схемы возрастает. При неизменных значениях и чувствительность моста максимальна при

(2.20)

Уравнение (2.20) можно получить продифференцировав по я

и приравняв нулю. Номограммы для случая показаны на рис. 2.4, б.

Рассмотрим теперь чувствительность неуравновешенного моста. Датчики с изменяющимся сопротивлением можно включить в разные плечи моста. Рассмотрим различные варианты подключения датчиков (рис. 2.5).

1. Чаще всего используется простая (рис. 2.5, а) схема равноплечего ( ) моста с одним датчиком где — сопротивление датчика, соответствующее начальному значению измеряемой неэлектрической величины.

Воспользуемся уравнением для определения изменения тока через из
мерительный прибор:







Для малых приращений можно пренебречь в знаменателе слагаемыми и по сравнению с другими слагаемыми

Чувствительность схемы

(2.21)

Примем чувствительность моста с одним датчиком за исходную и выразим чувствительность всех других вариантов мостовых схем через

2. На схеме рис. 2.5, б одинаковые датчики с изменяющимся сопротивлением включены в противоположные плечи моста. В этом случае приращение тока в измерительном приборе



т. е. чувствительность увеличивается вдвое. Такое же увеличение чувствительности получается в схеме рис. 2.5, в, где второй датчик включен не в противоположное, а в соседнее плечо и его сопротивление не увеличивается, а уменьшается: В схемах по рис. 2.5, а—в чувствительность непостоянна, т. е. зависимость нелинейна.



3. Если датчики с изменяющимися сопротивлениями включить в соседние плечи моста по схеме рис. 2.5, г ( —в плечо , а —в плечо ), то чувствительность его по-прежнему в два раза больше , а зависимость близка к линейной в довольно широких пределах.

Недостаток схемы в том, что если датчиками являются сопротивления с подвижным контактом, то питание к схеме подводится именно через этот подвижный контакт, что снижает надежность схемы.

4. При включении датчиков по схемам, показанным на рис. 2.5, д, е, изменение сопротивления одновременно в обоих плечах не приводит к изменению тока в измерительном приборе, т. е. Такое подключение датчиков является ошибочным.

5. Если включить четыре одинаковых датчика во все четыре плеча моста так. как показано на рис. 2.5, ж, то изменение тока в измерительном приборе При этом обеспечивается максимальная чувствительность