Каков основной недостаток полупроводникового терморезистора. Терморезисторы. Наружный диаметр ДТ, мм
Терморезисторы относятся к категории полупроводниковых приборов и широко используются в электротехнике. Для их изготовления применяются специальные полупроводниковые материалы, имеющие значительный отрицательный температурный коэффициент. Если в целом рассматривать терморезисторы, принцип работы этих устройств заключается в том, что электрическое сопротивление данных проводников, полностью зависит от температуры. В данном случае, учитываются формы и размеры терморезистора, а также, физические свойства полупроводника. Отрицательный температурный коэффициент в несколько раз превышает такой же показатель для металлов.
Один из них просто смотрит на таблицу поиска и находит температуру, соответствующую данному сопротивлению. Второй способ преобразования сопротивления температуре - с помощью уравнения. Хотя количество тепла может быть небольшим, это может повлиять на точность измерений. Отказ от самовосстановления увеличивается с более высокими стимулирующими токами и стабилизируется вблизи среды с низкой характерной жарой. Хотя малые токи лучше, когда они меньше 100 мкА, показания напряжения очень малы и их труднее измерить.
Термисторы Термистор - это еще одна модификация резистивных датчиков температуры, обычно используемых в системах сбора данных. Термисторы представляют собой пассивные полупроводниковые элементы. Имеются термисторы, как отрицательные, так и положительные. Могут быть изготовлены термисторы небольших размеров, позволяющие быстро реагировать на небольшие изменения температуры. Однако они подвержены ошибкам, связанным с самоуничтожением. Термисторы также относительно хрупкие, поэтому их следует устанавливать и обрабатывать осторожно, чтобы не повредить их.
Устройство и действие терморезисторов
Наиболее распространенные терморезисторы изготавливаются в виде полупроводникового стержня, покрытого эмалевой краской. К нему подводятся выводы и контактные колпачки, использующиеся только в сухой среде. Отдельные конструкции терморезисторов помещаются в герметичном металлическом корпусе. Они могут свободно применяться в помещениях с любой влажностью и легко переносят влияние агрессивной среды.
Что точнее термометр сопротивления или термопара
Поэтому сопротивление проводов, соединяющих измерительную аппаратуру с термисторами, незначительно, и для достижения высокой точности не требуются специальные методы, такие как входные сигналы с высоким коэффициентом усиления или тройные или квадратурные измерения. Хотя термисторы имеют несколько недостатков, вы должны знать об этих ограничениях, чтобы получить точные и надежные результаты. Они более подходят для применений, требующих чувствительных измерений в относительно ограниченном температурном диапазоне, а не для универсальных измерений.
Герметичность конструкции обеспечивается с помощью стекла и олова. Стержни в таких терморезисторах оборачиваются металлической фольгой, а для токоотвода используется никелевая проволока. Номинальные значения терморезисторов находятся в диапазоне от 1 до 200 кОм, а их температурный диапазон находится в пределах от -100 до +129 градусов.
Следовательно, такие методы, как квадратичные конфигурации и чувствительные чувствительные функции, требуются только в более важных приложениях, поскольку каждое сопротивление соединения относительно невелико по сравнению с собственным сопротивлением термистора. На рисунке 5 показана стандартная двухпроводная структура. Расчет сопротивления термистора - это прямое осуществление закона Ома. В случаях, когда сопротивление последовательного соединения является значительным, можно использовать четырехпроводную конфигурацию.
Ток, протекающий через термистор, должен всегда ограничиваться минимумом, необходимым для получения читаемого напряжения. Поэтому производители периодически поставляют новые кривые резистивной температуры, таблицы или твердые частицы для своих конкретных продуктов. Типичные коэффициенты и термисторы находятся в диапазоне от -2% до -8% на ° С и обычно больше от меньшего конца температурного диапазона. Линейные термисторы также доступны, хотя использование компьютеризированных систем сбора данных и программного обеспечения делает их ненужными, если оборудование считывателя не должно использоваться с линеаризованными типами.
В работе терморезисторов применено свойство проводников, изменять в зависимости от температуры. Для этих приборов применяются металлы в чистом виде, чаще всего, платина и .
Использование терморезисторов
Многие конструкции терморезисторов применяются в приборах, контролирующих и регулирующих температуру. У них имеется источник тока, чувствительный элемент и измерительный уравновешенный мост. В уравновешенное состояние мост приводится путем перемещения движка реостата. В результате, реостатная величина находится в пропорции с измеряемым сопротивлением, которое полностью зависит от температуры.
Наружный диаметр ДТ, мм
Линейные полупроводниковые датчики температуры Монолитные линейные температурные датчики создают еще один тип температурного преобразователя. Обычно они представляют собой двух - или трехконтактные активные электронные схемы, работающие в диапазоне номинального напряжения от 5 до 30 В, обеспечивая выходной ток или напряжение, пропорциональное температуре. Эти датчики доступны в различных корпусах и типах, выходы которых являются токовыми или напряженными. Современные системы настолько откалиброваны, что показания температуры проходят непосредственно в градусах Цельсия или Фаренгейта, что исключает необходимость преобразования температур в желаемый масштаб.
Кроме уравновешенных измерительных мостов, применяется неуравновешенный вариант, у который обладает повышенной надежностью. Однако, у такого прибора, точность измерений значительно ниже, поскольку на него влияют колебания напряжения в источнике тока. Например, термометр сопротивления на основе платины, позволяет измерять температуру в пределах от -10 до +120 градусов. Относительная влажность может доходить до 98%.
Однако в этом поле они чрезвычайно линейны и не требуют каких-либо справочных или сложных вычислений. Хотя эти датчики требуют источника питания, самовосстановление имеет второстепенное значение. Использование монолитных датчиков температуры полностью прямое.
Текущий датчик на рисунке 6 расположен последовательно с резистором, который обеспечивает падение напряжения, которое считывается цифровым вольтметром. Датчик напряжения напрямую выдает напряжение. Термическое истощение Все датчики температуры имеют массу в виде сенсорного элемента, защитной оболочки или корпуса, проводов и других физических компонентов. Когда датчик находится в контакте с окружающей средой для измерения его температуры, он будет поглощать определенное количество тепла от него, тем самым изменяя его температуру и температуру.
Принцип действия такого прибора основан на изменении сопротивления платины в зависимости от изменений температуры. Непосредственная фиксация результатов измерения сопротивления осуществляется с помощью вторичного прибора, оборудованного шкалой.
Этот процесс называется «тепловым байпасом». Термическую перегрузку можно свести к минимуму с помощью самых низких температурных датчиков. Однако выбор иногда идет на уступки. Например, хотя термопары обычно имеют меньшую массу, чем резистивные датчики, они менее точны. Низкомощные резистивные датчики более склонны к самонагреванию, чем более тяжелые датчики. Датчики низкой температуры могут быть более восприимчивыми к повреждениям или другим проблемам.
Выводы. В двух статьях были аппроксимированы различные температурные датчики, их конструкция, принцип работы и способ использования. Измерение температуры осуществляется не напрямую, а путем измерения других физических величин, пропорциональных температуре, и только из таблиц поиска читайте соответствующие значения температуры или специализированное программное обеспечение. Это сложный процесс, на точность которого влияют многие факторы. Рассмотрим длину кабелей, соединяющих измерительный прибор с системой сбора данных, их сопротивление, температурные коэффициенты материалов, входящих в систему, диапазоны температур, к которым предназначены отдельные датчики.
Терморезистор (от греч. therme - тепло, жар; от лат. resisto - сопротивляюсь), – обычно так называют полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.
Кроме того, выбор метода измерения влияет на качество показаний. Из этого следует, что на точность и надежность измерения оказывает решающее влияние разработчик всей системы и что знание зависит от того, подвержены ли результаты большой ошибке или нет. Он также определяет общую стоимость установки.
Измерения с нелинейным датчиком не имеют никакого значения, если они сделаны в узком диапазоне его характеристик. В этом случае вы можете выбрать простой линейный датчик для микропроцессора. Если требуется более интенсивная работа, можно использовать аналоговую линейную схему. Например, резистор, соединенный параллельно или последовательно с нелинейным термистором, в некоторой степени линеаризует некоторые его характеристики.
Термистор был открыт Самьюэлем Рубеном (Samuel Ruben ) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.
Разработаны следующие разновидности терморезисторов:
Термистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.
Позистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.
Эту точку можно выбрать с помощью дополнительного резистора. Этот способ измерения достаточен для многих приложений, но если вам нужно расширить диапазон измерения, вы можете использовать программируемый микроконтроллер и усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Существует два типа термисторов с отрицательными и положительными температурными коэффициентами.
Большинство приложений используют первый режим. В отличие от других, резистивные температурные системы работают в условиях «нулевой мощности». Это означает, что термисторное отопление незначительно. Термистор - это резистор, поэтому он должен быть под напряжением с опорным напряжением или источником тока. Термисторные характеристики на фиг. 1 воспроизводятся в разумных пределах, когда выделяемая в нем энергия удерживается в пределах ее способности рассеиваться. В противном случае термистор будет нагреваться, и его сопротивление будет уменьшаться, искажая показания.
Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.
Терморезистор косвенного подогрева, разогревается от специального дополнительного встроенного нагревателя.
Болометр – терморезистор, чувствительный к воздействию теплового и оптического излучений, содержащий в своем составе активную и компенсационную части.
На графике показана значительная нелинейность сопротивления в зависимости от температуры. Эта нелинейность может быть скорректирована с использованием таблицы коррекции в микроконтроллере, и для этого требуется датчик высокого разрешения. Вы также можете использовать аппаратную линеаризацию перед оцифровкой. Простой, но эффективный способ линеаризации состоит в том, чтобы последовательно включить резистор между термисторами и источником возбуждения, как показано на рисунке. Ток, протекающий через термистор, достаточно мал, чтобы выделяемое тепло не отрицательно влияло на точность измерения.
Широко известны температурные зависимости электропроводности металлов, собственных и примесных полупроводников (германий, кремний и др.). Однако в терморезисторах эти материалы не нашли применения из-за:
недостаточно сильной зависимости подвижности носителей заряда от температуры в проводниках и примесных полупроводниках;
Такие изменения в сопротивлении температуре в рабочем диапазоне термисторов находятся по периметру цепи, что является затруднительным. Однако оба этих способа усложняют систему и увеличивают ее стоимость. Как видно на рисунке 3, при более высоких температурах отношение напряжения к температуре становится слишком медленным. Этот подход использует изменения схемы, а не аппаратные, но программно в микроконтроллере. Поэтому для адаптации системы оплачиваются только усилия разработчика. На рисунке 5 показана блок-схема алгоритма микроконтроллера.
несоответствия типовому диапазону рабочих температур от -60 0 С до +60 0 С областей экспоненциального изменения концентрации носителей в примесных полупроводниках (область истощения примесей – менее 100 К, область перехода к собственной проводимости – более 400 К);
высокой нестабильности величин сопротивлений технически изготавливаемых собственных полупроводников.
Если изменение не было, программа продолжает работать. На рисунке 6 показана точность этой системы. Формат интерполяции в десятых дает хорошее разрешение. В конечном решении дизайнер может представить результаты в десятых градусах или только в градусах.
Получение надежных данных от нелинейного датчика всегда было проблемой для дизайнера. Линеаризация - относительно простая задача, если вы не должны измерять ее с помощью широкого диапазона нелинейностей датчиков. Использование микроконтроллера и усилителя с программируемым коэффициентом усиления позволяет преодолеть нелинейность термистора в широком температурном диапазоне. Этот метод хорошо подходит для термисторов, но может также использоваться для других нелинейных датчиков.
Принцип действия терморезисторов
Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор.
Измерения показывают, что температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температур или в его части аппроксимируется выражением:
R T =А ·eхр(B \T ),
где R T – величина сопротивления терморезистора при температуреТ , К, постояннаяА =А 0 ·l \S – зависит от физических свойств материала и габаритов терморезистора (1 – расстояние между электронами в см иS – площадь поперечного сечения полупроводникового элемента терморезистора в см); постояннаяВ зависит от физических свойств материала и может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.
Прологарифмировав выражение, получим lgR T =lgА + 0,4343B \T . Это выражение в координатахR T и 1\T представляет уравнение прямой, что значительно облегчает определение интервала температур, в котором формула с необходимой точностью аппроксимирует действительную зависимостьR T (Т ). По результатам измеренийR T иТ строят график зависимости lgR T =f (1/T ). Если через полученные экспериментально точки можно провести прямую, то считают, что в данном интервале температур выражение дляR T справедливо.
Для практических расчетов удобно исключить постоянную А . Написав формулу для RT для двух температурТ 1 иТ 2 и разделив одно на другое, получим:
R Т 2 =R Т 1 еxp(B ·(Т 1 -Т 2)/Т 1 ·Т 2)
Величина В определяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурахТ 1 иТ 2 . Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить
B = (2,303·ΔlgR )/ Δ(1/T ),
где ΔlgR =lgRT 2 -lgRT 1 ,а Δ(1/T ) = 1/Т 2 -1/Т 1 . В – это коэффициент температурной чувствительности, чаще используется размерностьВ в Кельвинах.
Если определить ТКС терморезистора α как это обычно принято: ТКС = α T = (1/R )(dR /dT ), то следует, что α T = -B /T 2 .
Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.
Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону:
R T =А· eхр(αT ) ,
где А – постоянная, α – температурный коэффициент сопротивления при температуре 1°С в абсолютных единицах.