Температурні датчики. Термістори.

Однією з найбільш поширених завдань промислової, побутової та медичної автоматики, що вирішуються шляхом температурних вимірювань, є завдання виділення заданого значення температури або діапазону температур, в межах якого контрольовані фізичні процеси протікають нормально, з необхідними параметрами. Це, в першу чергу, відноситься до приладів і пристроїв, що працюють при температурах, що визначаються умовами життєдіяльності людини і використовуваних ним при цьому приладів машин і механізмів, тобто -40 € +100 ° С, наприклад, кондиціювання температури житлових, складських і технологічних приміщень, контроль нагріву різних двигунів, трансмісій, гальмівних пристроїв тощо, системи пожежної сигналізації, контроль температури в медицині, біотехнологіях та сільському господарстві та ін У Як чутливі елементи таких систем останнім часом широко використовуються напівпровідникові термоопору з негативним температурним коефіцієнтом або термістори (NTC-thermistors). Однак, для рішення задачі в цілому, тобто отримання електричного сигналу, що виникає при підвищенні або зниженні температури контрольованого процесу до заданого значення, термістор повинен бути забезпечений додатковимиелектронними схемами, які і здійснюють рішення задачі виділення заданого значення температури. В Інституті проблем управління РАН спільно з фірмою VZ SENSOR Ltd., На основі напівпровідникових структур з L-образної вольтамперной характеристикою були розроблені інтелектуальні (функціональні) термістори (Z-thermistors), які здатні вирішувати завдання виділення заданого значення температури без використання додаткових електронних схем.

Схема включення звичайного термістора

Схема включення Z-термістора

Z-термістори являють собою напівпровідникову pn структуру, що включається в прямому напрямку (+ до p-області структури) в ланцюг джерела постійної напруги. Структура має функцію переходу з одного стійкого стану (з малим струмом), в інший стійкий стан (у 50 - 100 разів більшим струмом) при умові її нагрівання до заданого значення температури. Установка необхідного значення температури спрацьовування здійснюється простим зміною напруги живлення. Тривалість переходу структури (Z-термістора) з одного стійкого стану в інше 1 - 2 мкс. Схема включення Z-термістора складається з джерела живлення U і навантажувального резистора R, який одночасно служить обмежувачем струму Z-термістора при його переході в стан з великим струмом (мал.). Вихідний сигнал (кидок напруги) може бути знятий як з навантажувального резистора R, так і з самого Z-термістора, але з протилежним знаком. Як вже було сказано, Z-термістор може бути налаштований на будь-яке значення температури в діапазоні -40 - +100 ° С шляхом зміни живлячої напруги U. При цьому можуть бути виготовлені різні типи Z-термісторів, що спрацьовують при одній і тій же температурі від різних напруг живлення. Для того, щоб розділити Z-термістори за типами, було введено поняття базової температури. В якості базової було прийняте значення кімнатної температури (room temperature) +20 ° С.Принципово Z-термістори можуть бути виготовлені на будь-які напруги спрацьовування в межах від 1 до 100 В при базовій температурі, але для зручності користувачів ми обмежилися поруч типових значень напруги, найчастіше використовуються в електронній техніці, а саме: 1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В, 24 В (див. таблицю).

Таблиця - Технічні характеристики Z-термісторів при температурі +20 ° C і опорі резистора R = 0.25 + 5 кОм

Тип Z-термістора		TZ-1	TZ-3	TZ-4	TZ-12	TZ-18	TZ-24
Порогове напруга	U th (B)	<1,5	3 + -0,5	4,5 + -1	12 + -2	18 + -3	24 + -3
Граничний струм	I th (mA)	<0,05	<0,1	<0,15	<0,2	<0,25	<0,35
Вторинне напруга	U f (B)	<0,7	<1,5	<2	<5	<8	<10
Вторинний струм	I f (mA)	> 1,5	> 1,7	> 3	> 2,5	> 3	> 3,5
Вихідний сигнал	U R (B)	> 0,5 U th	"	"	"	"	"
Потужність, що розсіюється	P (mBт)	<100	"	"	"	"	"
Тривалість переходу U th-U f	t (мкс)	<5	"	"	"	"	"
Роздільна здатність	Т (° C)	<0,1	"	"	<<0,1	"	"
Чутливість ділянки 1	S 1 (мВ / ° C)	> 10	"	"	> 30	"	"
Чутливість ділянки 2	S 2 (мВ / ° C)	> 20	"	"	> 60	"	"
Чутливість ділянки 3	S 3 (мВ / ° C)	> 200	"	"	> 400	"	"
Швидкодія	Т (сек)	<1	"	"	<<1	"	"

Діапазон робочих температур: -20 + 100 ° C

Діапазон граничних напруг: 60 - 0,5 B

Розміри Z-термісторів: 1 x 1 x 0,3; 2 x 2 x 0,3; 3 x 1,5 x 0,3 mm

Маркування Z-термісторів: TZ-(1, 3, 4; 12; 18; 24)

Тут: T - функціональний тип сенсора (Thermistor);

Z - фізичний принцип дії (Z-ефект);

(1, 3, 4; 12; 18; 24) - гранична напруга при 20 ° C

Z-термістори можуть бути використані не тільки як високоточні, надійні і прості в експлуатації сигналізатори заданого значення температури, але також, як температурні сенсори для безперервного вимірювання температури, приблизно в тому ж діапазоні (-40 - +100 ° С). Для цього можуть бути використані ділянки 1,2,3 ВАХ (рис.). При цьому, знаючи нижню і верхню межі вимірювань температури, (наприклад, для медичного термометра +34 ° - +43 ° С), напруга живлення вибирається таким, щоб значення струмів термістора, що відповідають цим межам вимірювань, перебували на обраному ділянці ВАХ. Точнісні можливості Z-термісторів при їх використанні як в пороговому режимі, так і в режимі безперервних вимірювань практично повністю визначаються стабільністю напруги живлення і лежать в межах 0,1 - 0,01 ° С. Великий інтерес з практичної точки зору являє собою можливість використання Z-термісторів в частотно-імпульсному режимі роботи. Для цього паралельно Z-термістори підключають ємність С>> 0,05 - 0,15 мкФ (мал.), що викликає генерацію пилкоподібних імпульсів великої амплітуди (порядку 0,5 від напруги живлення), частота проходження яких пропорційна температурі.

Вольтамперна характеристика (ВАХ) Z-термістора

Багаторічні дослідження не виявили будь-яких проявів деградації або дрейфу робочих характеристик Z-термісторів. Більш ніж дворазове по відношенню до робочого діапазону перегрів Z-термісторів не призводить до їх руйнування або до зміни характеристик, що говорить про їх дуже високої надійності (робастності). Z-термістори не мають аналогів у світовій практиці і технологією їх виробництва не володіє жоден із західних виробників електронних компонентів.

Дата добавления: 2015-08-13