Полупроводниковые резисторы.

 

Т е р м о р е з и с т о р ы представляют собой полупроводниковые приборы, сопротивление которых значительно изменяется при измене­нии температуры. Терморезисторы выполняются в виде диска, плоской шайбы, бусинки, цилиндрического стержня. Терморезисторы подраз­деляются на термисторы и позисторы.

 

Рисунок 1.4. ВАХ терморезисторов:

а) с отрицательным ТКС; б) с положительным ТКС.

 

Т е р м и с т о р ы (NTC) имеют отрицательный тем­пературный коэффициент сопротивления (ТКС), т. е. с увеличением темпера­туры сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 1.5, а).

Начальный участок ОА (рис.1.5, б) характеристики практически линейный, так как при малых токах выделяемая мощность мала и прак­тически не влияет на температуру нагрева термистора. С ростом тока температура термистора повышается, нарушается температур­ный баланс, в результате сопротивление его уменьшается.

Как и любой технический прибор, термисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования его для решения определенной технической задачи.

Основные параметры терморезисторов с отрицательным ТКС:

1. Габаритные размеры.

 

2. Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при определенной температуре окружающей среды в t, ^oC, или T, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125-200^oC, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25^oC и величина Rt называется «холодным сопротивлением».

 

 

Рисунок 1.5. Характеристики терморезистора с отрицательным ТКС:

а) температурная; б) Вольтамперная; в)условное обозначение

 

3. Величина ТКС α в процентах на 1^oC. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через αt.

 

4. Постоянная времени Τ (в секундах), характеризует тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100^oC.

 

5. Максимально допустимая температура t_max, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

 

6. Максимально допустимая мощность рассеивания P_max в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью P_max его температура не должна превышать t_max.

7. Коэффициент рассеяния H в Вт на 1^oC. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1^oC.

 

8. Коэффициент температурной чувствительности B, размерность – [К].

 

.

9. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, H и α связаны соотношением:

В самом деле,

 

10. Теплоемкость C в Дж на 1^oC, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1^oС. Можно доказать, что t, H и C связаны между собой следующим соотношением:

Термисторы применяются для измерения и регулирования темпе­ратуры, термокомпенсации, в схемах стабилизации напряжения в це­пях переменного и постоянного токов. На рисунке 1.5,в приведено условное обозна­чение термистора.

На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. Терморезисторы находят применение, как в промышленной, так и судовой электронике, и очень широко в бытовой аппаратуре. Самые первые устройства, где применялись терморезисторы – это датчики для измерения или регулирования температуры Терморезисторы широко используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После соответствующей модификации их можно применять в электронных устройствах задержки с достаточно широким интервалом времени, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности. Итак, терморезисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без терморезисторов. Они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике.

Как правило, для измерения температуры любой среды с применением терморезистора, используется мостовая схема резисторов или мостовая цепь, мост электрический, электрический четырехполюсник, к одной паре зажимов (полюсов) которого подключен источник питания, а к другой — нагрузка.

Рисунок 1.5 Мост Витстона

Давайте вспомним, как выглядит классическая мостовая цепь. Классическая мостовая цепь. состоит из четырёх сопротивлений, соединённых последовательно в виде четырёхугольника (рис.1.6), причём точки а, b, c и d называются вершинами. Ветвь, содержащая источник питания U_П, называется диагональю питания, а ветвь, содержащая сопротивление нагрузки Z_H - диагональю нагрузки или указательной диагональю. Сопротивления Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄, включенные между двумя соседними вершинами, называются плечами мостовой цепи. Схема, представленная на рисунке 1.5, известна в литературе как четырёхплечий мост, или мост Витстона (Уитстона).

Разность потенциалов в точках b и d и, следовательно, ток в диагонали нагрузки будут равны нулю при любых значениях ЭДС источника питания, если сопротивления плеч моста удовлетворяют равенству:

Рисунок 1.6 Мост Витстона

Это равенство называется условием равновесия четырёхплечего моста. В мостовой цепи постоянного тока равновесие может быть достигнуто регулировкой одного из сопротивлений плеч.

В мостовой цепи переменного тока условие равновесия связывает комплексные величины; это условие распадается на два равенства, каждое из которых связывает действительные числа — параметры плеч (сопротивления, индуктивности, ёмкости, частоту). Поэтому в общем случае для уравновешивания мостовой цепи переменного тока требуется регулировка по крайней мере двух параметров моста. На основе уравновешенных мостовых цепей создают главным образом устройства для измерения электрических сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей; в комплекте с первичными преобразователями параметрического типа они широко применяются для измерения неэлектрических величин (температуры, деформаций, ускорений и т. п.)

Примером использования термосопротивления в мостовой цепи может служить устройство для измерения температуры различных сред (см.рис.1.7).

 

Рисунок 1.7. Мостовая схема измерения температуры.

 

Если в одно из плеч моста включить терморезистор, на клеммы с и d подключить милливольтметр, а на точки а и b подключить источник питания со строго контролируемым стабильным напряжением, то из-за рассогласования моста при изменении внутреннего сопротивления терморезистора стрелка милливольтметра, шкала которого разградуирована в градусы по Цельсию, начнет отклоняться в ту или другую сторону, в зависимости от того, что происходит с температурой контролируемой среды, в которой находится терморезистор. Резистором R2 можно уравновесить схему, т.е. скорректировать показания измерительного прибора.

 

П о з и с т о р ы имеют положительный ТКС. На рис. 1.8,а при­ведена температурная характеристика позистора. Вольтамперная ха­рактеристика позистора (рис. 1.8, б) имеет прямолинейный участок ОА и «релейный» участок ВС. На участке ВС сопротивление позистора будет расти.

 

Рисунок 1.8. Характеристики позистора:

а) температурная; б) вольтамперная; в) условное графическое обозначение.

 

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС.

Позисторы применяются для регулирования температуры, термо­компенсации, стабилизации токов.

Основными параметрами терморезисторов являются: температур­ный коэффициент сопротивления, сопротивление при температуре t^o = 19,5°С, максимальная рабочая температура, предельная мощность рассеивания. Керамические терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС) сопротивления(позисторы) – имеют широкий диапазон применения. Так, например:

1. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом ( РТС) для защиты от перегрузки.

 

Рисунок 1.9. Варианты применения позисторов.

 

Керамические терморезисторы РТС применяют вместо традиционных плавких предохранителей для защиты двигателей, трансформаторов и т.д. или электронных цепей от перегрузки (рис.1.9,а). Они не только реагируют на недопустимо высокие токи, но также на превышение установленного температурного предела. Защитные терморезисторы ограничивают рассеиваемую мощность всей цепи посредством увеличения их сопротивления и снижения тока до безопасного остаточного значения.

В отличие от традиционных плавких предохранителей, их не нужно заменять после устранения неисправности, они возобновляют свою защитную функцию сразу же после короткого охлаждения. По сравнению с терморезисторами, выполненными из пластмассовых материалов, керамические РТС всегда возвращаются к исходному значению сопротивления даже после частых циклов нагревания/охлаждения