Температурна характеристика

Температурна характеристика визначає залежність опору терморезисторів від температури: Rт(Т). Цю залежність добре апроксимує вираз:

Rт = , (1)

де А,B – константи, що визначаються властивостями напівпровідникового матеріалу терморезистора і його конструкції;

B = ∆E/2k (∆E – енергія активації, k – постійна Больцмана); B – коефіцієнт температурної чутливості, Т – температура.

При Т = отримаємо Rт = A = і логарифмуючи (1) отримаємо вираз:

LnRт = +B/T (2)

Зробимо заміну: LnRт = y; =a; B=k; =x

Тоді (2) має вигляд :

y = a+kx (3)

Таким чином рівняння (3) , а значить і (2) представляє собою рівняння прямої лінії.

Температурна характеристика терморезистора (рис.2) будується по даних вимірювання опору терморезистора, який встановлюють в термостат. Для обчислення значень і результати вимірювання і Т представляють у вигляді точок, нанесених в координатах і . То нахилу проведеної лінії визначають значення В:

,(4)

де – опори терморезистора при температурах Т₁ і Т₂.

Внаслідок нелінійності рівняння (1) швидкість зміни опору при зміні температури непостійна і залежить від Т:

(5)

де називається температурним коефіцієнтом опору, що характеризує чутливість опору терморезистора до зміни температури.

Таким чином в залежності від виду температурної характеристики температурний коефіцієнт опору може мати додатне або від’ємне значення.

Для термисторів (рис. 2).

Для позисторів за границями від’ємного діапазону температур коефіцієнт має від’ємне значення (рис. 3).

ВАХ терморезисторів

ВАХ терморезисторів прямого підігріву із від’ємним різних типів (рис.3) мають лінійний характер в області малих струмів,що пояснюється незначним нагрівом. З ростом струму температура терморезистора підвищується,а його опір зменшується,в результаті чого лінійність ВАХ порушується. В залежності від характеру R(T) розрізняють три типи ВАХ. У терморезисторів з ВАХ першого типу (крива1) із збільшенням струму зростає напруга. Ці прилади використовують у вимірювальних схемах. У терморезисторів з ВАХ другого типу (крива2) у відповідному діапазоні струмів напруга практично не змінюється. Ці прилади використовують в якості стабілізаторів напруги. У терморезисторів третього типу (крива3) після досягнення максимуму з ростом струму зменшується напруга. Ці прилади використовуються в системах автоматичного регулювання.

Рис.4. ВАХ термісторів (α<0) Рис.5. ВАХ позисторів (α>0)

Якщо послідовно з терморезистором включити лінійний резистор (рис.6),то коло характеризується релейним ефектом – стрибкоподібною зміною струму при зміні навколишньої температури або прикладеної напруги (рис.7)

Рис.6 Просте коло з терморезистором Рис.7 Виникнення релейного ефекту

Струм I можна визначити із розв’язку системи рівнянь:

E = Uт + Ur = Uт + IR (6)

Uт = ƒ(I) , (7)

де, Uт – спад напруги на терморезисторі.

На рис.6. показані ВАХ терморезистора,які відповідають температурам навколишнього середовища Т1 (крива І) і Т2 (крива ІІ),причому Т2>Т1. Лінія ІІІ відповідає рівнянню

Uт = E-IR (8)

При температурі Т1 в колі І1,визначається абсцисою точки 1 перетину ВАХ терморезистора І і прямої ІІІ. При збільшені зовнішньої температури від Т1 до Т2 ВАХ терморезистора опускається. При цьому струм спочатку зростає і плавно до значення І2 в точці 2,яка відповідає нестійкому станові схеми,і дані (при невеликому зростані температури) стрибком зростає до І3 в точці 3,де зберігає стійке значення при постійній температурі. Це явище називається прямим релейним ефектом.

Зменшення температури приводить до плавного зменшення струму до значення І1 в точці 4 і дальше – до стрибкоподібного зменшення струму до І1 (точка 1). Це називається зворотнім релейним ефектом.

Основними параметрами терморезисторів являються:

· Номінальний (холодний) опір – опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20°С,Ом.

· Температурний коефіцієнт опору αт,який виражає в процентах зміну абсолютної величини опору терморезистора при зміні його температури на 1°С.

= - , (9)

де, B – коефіцієнт температурної чутливості,що залежить від фізичних властивостей матеріалу, К.

· Найбільша потужність розсіювання – потужність,при який терморезистор,що знаходиться при t=20°C,розігрівається струмом максимальної робочої температури.

· Максимальна робоча температура – температура,при який характеристики терморезистора залишаються стабільними протягом тривалого часу.

· Постійна часу τ – час,протягом якого температура терморезистора зменшується в е раз відносно вибраного переходу температур. Параметр τ характеризує теплову інерцію терморезистора.

· Постійна часу τ представляє собою відношення теплоємності С до коефіцієнту розсіювання б

τ = (10)

· Теплоємність С – кількість тепла,яку необхідно надати терморезистору,щоб підняти температуру робочого тіла на 1°С, Дж/°С.

· Коефіцієнт розсіювання б – потужність,що розсіюється терморезистором при різниці температур робочого тіла і навколишнього середовища на 1°С,Вт/град.

На рис.8 приведена схема використання позистора. В цій схемі позистор RK,увімкнутий послідовно з опором навантаження Rн,використовується в якості обмежувача струму. Коли опір навантаження падає нижче відповідного значення,в колі зростає струм і збільшується температура позистора. Опір позистора при цьому зростає,що зменшує струм в колі навантаження.

Рис.8. обмежувач струму на позисторі.

Форми,габарити і конструктивні особливості сучасних терморезисторів досить різні і їх виготовлюють у виді дисків,мініатюрних бусинок,плоских прямокутників і др.(рис.9.). Для захисту від дії зовнішнього середовища поверхню терморезисторів покривають спеціальними емалями і лаками або розміщують в герметичні корпуса.

Рис.9. Зовнішній вид терморезисторів.

Терморезистори і позистори не мають вентильних властивостей. За матеріалами,що використовуються для створення терморезисторів їх можна розділити на два основних типи:

- полікристалічні терморезистори;

- монокристалічні терморезистори;

Найбільш поширені полікристалічні терморезистори,виготовлені на мідно-марганцевих (ММТ),кобальто-марганцевих (КМТ) напівпровідникових композиціях (термістори) та на основі титану-барія BaTiO3 (позистори).

Терморезистори широко використовують для регулювання і вимірювання температури,температурної компенсації,в схемах стабілізації напруги і рівня сигналу,а також в якості чутливих елементів газованих затворів,вимірювачів рівня рідини і т.д. Нижче приведені області використання деяких терморезисторів:

Тип терморезистора Область використання

ММТ-1; ММТ-4; ММТ-6; КМТ-1; Вимірювання і регулювання температури

КМТ-4; КМТ-14; КМТ-17; СТ1-17;

СТ1-18; СТ1-19; СТ3-17; СТ3-18; СТ-25;

ММТ-8; ММТ-9; ММТ-12; ММТ-13; Температурна компенсація

КМТ-8; КМТ-12 СТ-17; СТ3-17; СТ3-23

КМТ-10; КМТ-11; СТ1-21; СТ3-21; Тепловий контроль

СТ3-22; СТ3-27; СТ5-1; СТ6-1; СТ6-2;

Фоторезистори

Фоторезистори – напівпровідникові прилади, опір яких міняється під дією світлового потоку або проникаючого випромінювання. Принцип роботи фото резистора ґрунтується на фото резистивному ефекті.

Конструкція фоторезисторів складається із діелектричної підкладки, на яку нанесено світлочутливий шар напівпровідника, до якого припаяні зовнішні виводи (електроди). Для захисту від вологи світлочутливий шар покривають прозорим лаком. Підкладку з напівпровідниковим шаром розміщують в металічний або пластмасовий корпус, що має вікно для проходження світлового потоку. Для виготовлення світлочутливого шару використовують сульфід кадмію, сірчистий свинець і селенід кадмію.

На рис.1. приведено конструкція фото резистора.

Фоторезистори вмикають в коло послідовно з джерелом напруги і опором навантаження (рис.2.)

Рис. 1. Конструкція фоторезистора

Рис.2. Схема вмикання фоторезистора

Параметри фоторезисторів:

· При відсутності світла (ф=0) фоторезистор має великий темновий опір R_T і через нього протікає темновий струм:

(1)

де Е – е.р.с. – джерела живлення;

R_T – темновий опір фоторезистора (ф=0);

R_Н – опір навантаження.

· При наявності світлового потоку (ф > 0) опір фоторезистора зменшується до R_С і через нього протікає світловий струм:

(2)

· Різниця між світловим і темновим струмами визначаєфотострум:

(3)

· Інтегральна чутливість фоторезисторів:

(4)

Так як фотострум визначається не тільки світловим потоком, але й прикладеною напругою, то використовують поняття питомої чутливості до одиниці напруги

(5)

На рис.3. приведені характеристики фоторезисторів:

а) вольт-амперна: І_Ф = f(U) │Ф = const

б) світлова характеристика: І_Ф = f(Е_осв) │U = const

в) спектральна характеристика

Вольт-амперні характеристики фоторезисторів в робочому діапазоні лінійні, а світлові характеристики – нелінійні.

Рис.3. Характеристики фоторезисторів

Варистори

Варистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого залежить від прикладеної напруги.

Варистори представляють собою напівпровідникові резистори з струмопровідним елементом, виконаним з карбіду кремнію і керамічного зв’язуючого матеріалу. Схема ввімкнення варистора приведена на рис.10. Зі збільшенням напруги опір варистора зменшується, а струм в колі – зростає . Основною особливістю варистора являється нелінійність його вольт-амперної характеристики, яка пояснюється явищами, які відбуваються на контактах і на поверхні кристалів карбіду кремнію.

Рис.10. Схема ввімкнення (а) і типова вольт-амперна характеристика варистора (б).

При підвищені напруги, прикладеної до варистора, зростає напруженість електричного поля між окремими кристалами. Все це приводить до підвищення провідності варистора, полярність прикладеної напруги суттєвого значення немає, – нелінійне зростання струму через прилад спостерігається при підвищені напруги будь-якої полярності. Так як вольт-амперна характеристика симетрична, варистор може використовуватись в колах постійного і змінного струмів.

Основні параметри варисторів:

· Статичний опір – значення опору варистора при сталих величинах струму і напруги:

· Динамічний опір – опір варистора для змінного струму:

Динамічний опір в даній точці вольт-амперної характеристики можна визначити за тангенсом кута нахилу дотичної до вольт-амперної характеристики.

· Коефіцієнт не лінійності – відношення статичного опору у вибраній точці вольт-амперної характеристики, до динамічного опору в тій самій точці:

(11)

· Показник нелінійності – величина обернена коефіцієнту нелінійності:

(12)

В широкому діапазоні напруг і струмів вираз для ВАХ варистора може бути представлено у виді

(13)

де А і В – постійні коефіцієнти, зв’язані між собою співвідношенням

(14)

· Температурний коефіцієнт струму– характеризує зміну (підвищення) електропровідності варистора з ростом температури

(15)

де - струм при температурі ;

- струм при температурі .

· Допустима потужність розсіювання – потужність, при якій вартість зберігає свої параметри в заданих технічних умовах на протязі терміну служби.

Сучасні варистори використовуються в різних електронних схемах для захисту приладів і елементів схем від перенапруги; стабілізації напруги і струму; регулювання і перетворення електричних сигналів.

Поиск по сайту: