Схеми за тестване на варистори
Диаграмата на фиг. 1 ви позволява да премахнете волт-ампер I = f (U)и ампер-температурни характеристики на варистори I = f (θ)... Стойност на захранващото напрежение Eи устойчивост на натоварване R Hсе избират в зависимост от типа на изследвания варистор.
При изследване на температурните зависимости варисторът се поставя в термостат.
Термистор (термистор) Е полупроводников резистор, който използва температурната зависимост на електрическото съпротивление на полупроводник.
В термисторите с директно изгаряне съпротивлението се променя или поради топлина, или поради промяна в температурата на термистора поради промяна в термичното облъчване на термистора (например поради промяна в температурата околната среда). Най -широко използваните термистори са термистори, чиято основна характеристика е значително намаляване на съпротивлението с повишаване на температурата, тоест термистори с отрицателен температурен коефициент на съпротивление.
Намаляването на съпротивлението на полупроводник с повишаване на температурата може да се дължи на различни причини - увеличаване на концентрацията на носители на заряд, увеличаване на тяхната подвижност или фазови трансформации на полупроводников материал.
I. Първото явление е типично за термистори, направени от монокристали на ковалентни полупроводници (силиций, германий, силициев карбид, съединения тип A III B V и др.). Такива полупроводници имат отрицателен температурен коефициент на съпротивление в температурния диапазон, съответстващ на електрическата проводимост на примесите, когато не всички примеси са йонизирани, когато концентрацията на носителя се дължи на йонизацията на собствените атоми на полупроводника. И в двата случая зависимостта на съпротивлението на полупроводника се определя главно от промяната в концентрацията на носители на заряд, тъй като температурните промени в подвижността са незначителни в този случай.
В тези температурни диапазони зависимостта на съпротивлението на полупроводника от температурата съответства на уравнението
, (6.1.1)
където V- коефициент на температурна чувствителност; R¥ е константа в зависимост от материала и размера на термистора.
С непълна йонизация и без компенсация 
,
където DE n- йонизационната енергия на примесите (донори или акцептори).
За компенсиран полупроводник с непълна йонизация на примеси
.
Със собствена електрическа проводимост
,
където DE- ширината на забранената зона на полупроводника.
II. Повечето термистори, произвеждани от индустрията, са изработени от поликристални оксидни полупроводници - от оксиди на т. Нар. Преходни метали от периодичната система (от титан до цинк). Термисторите под формата на пръти, тръби, дискове или плочи се произвеждат по керамична технология, тоест чрез изпичане на детайли при висока температура.
Електрическата проводимост на оксидните полупроводници с преобладаваща йонна връзка между атомите се различава от електрическата проводимост на ковалентните полупроводници. Преходните метали се характеризират с наличието на незапълнени електронни обвивки и променлива валентност. В резултат на това, когато се образува оксид при определени условия (наличие на примеси, отклонение от стехиометрията), йони с различни заряди се появяват в еднакви кристалографски позиции. Електрическата проводимост на такива метали е свързана с обмена на електрони между съседните йони. Енергията, необходима за такъв обмен, е малка. Следователно, всички електрони (или дупки), които могат да преминат от един йон в друг, могат да се считат за свободни носители на заряд и тяхната концентрация е постоянна в работния температурен диапазон на термистора.
Поради силния ефект на носителите на заряд с йони, подвижността на носителите на заряд в оксиден полупроводник се оказва малка и експериментално се увеличава с повишаване на температурата. В резултат на това температурната зависимост на съпротивлението на оксиден полупроводников термистор е същата като тази на термистор, изработен от ковалентни полупроводници (фиг. 6.1.1), но коефициентът на температурна чувствителност характеризира в този случай промяна в подвижността на носители на заряд, а не промяна в концентрацията им.
III. Във ванадиеви оксиди V 2 O 2и V 2 O 3при температурата на фазовите преобразувания (68 o C и –110 o C) се наблюдава намаляване на съпротивлението с няколко порядъка. Това явление може да се използва и за създаване на термистори с голям отрицателен температурен коефициент на съпротивление в температурния диапазон, съответстващ на фазовото преобразуване.
6.2.Характеристики и параметри на термисторите с директно нагряване
Характеристика на температурата на термистораТова е зависимостта на неговото съпротивление от температурата. Пример за температурната характеристика на един от термисторите е показан на фиг. 6.2.1.
Номинално съпротивление на термистора- това е неговата устойчивост при определена температура (обикновено 20 ° C). Термисторите се произвеждат с допустимо отклонение от номиналното съпротивление ± 20, 10 и 5%. Номиналните съпротивления на различни видове термистори варират от няколко ома до няколкостотин килоома.
Коефициент на температурна чувствителност BЕ коефициентът в степента на температурната характеристика на термистора (1). Стойността на този коефициент, в зависимост от свойствата на материала на термистора, е практически постоянна за даден термистор в работния температурен диапазон и за различни видове термистори е в диапазона от 700 до 15 00 K. Коефициентът на чувствителност към температурата може да бъде открит експериментално чрез измерване на съпротивлението на термистора при две температури Чеи Tспоред формулата
. (6.2.1)
Температурен коефициент на съпротивление на термисторапоказва относителната промяна в съпротивлението на термистора, когато температурата се промени с една степен:
TC 
.(6.2.2)
Температурният коефициент на съпротивление зависи от температурата, затова трябва да бъде записан с индекс, показващ температурата, при която се появява тази стойност. Зависимостта на температурния коефициент от температурата може да бъде получена от уравнения (6.2.1) и (6.2.2):
TC R = - B / T 2 (6.2.3)
Стойността на температурния коефициент на съпротивление при стайна температура на различни термистори е в диапазона (0.8 -6.0) × 10 -2 K -1.
Фактор на разсейване на термистора Hчислово равна на мощността, разсейвана от термистора, когато температурната разлика между термистора и околната среда е една степен, или, с други думи, тя е числено равна на мощността, която трябва да бъде разпределена в термистора от тока, преминаващ през него под условия на термично равновесие между термистора и околната среда
Фигура 6.2.2. показва статичните токово-напрежени характеристики на термисторите. Линейността на характеристиките при ниски токове и напрежения се обяснява с факта, че мощността, освободена в термистора, е недостатъчна за значителна промяна в температурата му. С увеличаване на тока, преминаващ през термистора, освободената в него мощност увеличава неговата температура. Следователно съпротивлението на термистор се определя от комбинираната температура на околната среда и температурата на нагревателя на термистор. При тези токове съпротивлението на термистора намалява с увеличаване на тока и температурата в съответствие с (6.2.2), линейността на статичната характеристика волт-ампер се нарушава. При по-нататъшно увеличаване на тока и висока температурна чувствителност на термистора може да се наблюдава падащ участък от статичната характеристика ток-напрежение, тоест намаляване на напрежението на термистора с увеличаване на тока, преминаващ през него .
Максимално допустима температура на термисторДали температурата, при която все още не настъпват необратими промени в параметрите и характеристиките на термистора. Максимално допустимата температура се определя не само от свойствата на суровините на термистора, но и от неговите конструктивни характеристики.
Максимално допустимо разсейване на мощността на термистора- това е мощността, при която термисторът, разположен в спокоен въздух при температура 20 ° C, се нагрява, когато токът премине към максимално допустимата температура. Когато температурата на околната среда се понижи, както и когато термисторът работи в среда, която осигурява по -добро разсейване на топлината, разсейваната мощност може да надхвърли максимално допустимата стойност.
Коефициент на енергийна чувствителност на термистора Gчислено равна на мощността, която трябва да бъде подадена към термистора, за да се намали съпротивлението му с 1%. Коефициентът на енергийна чувствителност е свързан с коефициента на разсейване и температурния коефициент на съпротивление чрез връзката G = H /ТЗ Р.
Стойността на коефициента на енергийна чувствителност зависи от режима на работа на термистора, тоест той ще бъде различен във всяка точка на статичната характеристика ток-напрежение.
Временна константа на термистораТова е времето, през което температурата на термистора намалява с 63% (в дпъти) във връзка с температурната разлика между термистора и околната среда (например, когато термисторът се прехвърли от въздушна среда с температура 120 ° C във въздушна среда с температура 20 ° C). Топлинната инерция на термистор, характеризираща се с неговата времева константа, се определя от конструкцията и размерите на термистора и зависи от топлопроводимостта на средата, към която се намира термисторът. За различни видоветермистори, времевата константа е в диапазона от 0,5 до 140 s.
6.3. Термистори за непряко нагряване
Термистор за непряко нагряване е термистор, който има допълнителен източник на топлина - нагревател.
Дизайнът на термисторите за непряко нагряване може да бъде различен. Често нагревателят е направен под формата на намотка върху изолационна тръба, вътре в която е разположен термистор. В други случаи термисторът е направен под формата на тръба, вътре в която преминава нагревателна нишка. Общото за всички конструкции на термистори за непряко нагряване е, че те имат електрически изолирани електрически вериги един от друг - управляващи и контролирани.
В допълнение към такива параметри като номинално съпротивление и коефициент на чувствителност към температура, термисторите за непряко нагряване имат свои специфични характеристики и параметри.
Характеристики на статично напрежение-токтермисторът за непряко нагряване се отстранява при различни токове през нагревателя. (Фигура 6.3.1.).
Отоплителна характеристика -това е зависимостта на съпротивлението на термистора за непряко нагряване от мощността, освободена в нагревателната бобина (фиг. 6.3.2.).
За да се получи най -голямата чувствителност на термистора за непряко нагряване, тоест най -голямата промяна в съпротивлението, той трябва да се използва в режими, при които мощността, освободена в самия термочувствителен елемент от тока, преминаващ през него, може да бъде пренебрегната.
Коефициент на термично свързванеСъотношението на мощността ли е R T, необходимо за нагряване на чувствителния към температурата елемент до определена температура по време на директно нагряване, до мощността Rпод, необходим за нагряване до същата температура с непряко нагряване, тоест чрез преминаване на ток през нагревателя:
K = P T / Rпод.
Обикновено, за да се определи коефициентът на термично свързване, термисторът за непряко нагряване се нагрява до така нареченото горещо съпротивление на термистора при максималната мощност, освободена в нагревателя. Коефициентът на термично свързване обикновено е в диапазона от 0,5 до 0,97, тоест по -малко от единица, тъй като част от топлината, генерирана от нагревателя, неизбежно се губи. Понастоящем термисторите за непряко отопление практически не се използват поради големия им размер, необходимостта от използване на допълнителен източник на енергия за загряване на термистора и високата консумация на енергия.
Схемата за изучаване на термистори с директно нагряване, показана на фиг. 6.3.3, дава възможност да се четат характеристиките на токово напрежение на термисторите при различни температури на околната среда.
Напрежението към термистора се подава от източник на постоянно напрежение Uзахранване. Напрежението се регулира безкрайно с потенциометър Rв захранването .
Добър ден! Днес тази статия ще има лесен начин да проверите термистор... Вероятно всички радиолюбители знаят, че има два типа термистори. NTC(Отрицателен температурен коефициент) и PTC(Положителен температурен коефициент). Както подсказват имената им, съпротива NTC термисторще намалява с повишаване на температурата, и съпротивлението на PTC термистора с повишаване на температурата - ще се увеличи... Можете грубо да проверите термисторите NTC и PTC, като използвате всеки мултицет и поялник.
За да направите това, трябва да превключите мултицета в режим на измерване на съпротивлението и да свържете клемите му към клемите на термистора (полярността няма значение). Запомнете съпротивлението и донесете нагрятия поялник към термистора и в същото време погледнете съпротивлението, то трябва да се увеличи или намали. В зависимост от типа термистор, който имате пред себе си, е PTC или NTC. Ако всичко е както е описано по -горе - термистор добър.
Сега, как ще бъде на практика, но за практика взех първия термистор, на който попаднах, се оказа NTC термистор MF72. Първо, свързах го с мултицет, за да заснема процеса на проверка и поради липсата на крокодили на мултицета, трябваше да запоя проводници към термистора и след това просто да ги завинтвам към контактите на мултицета.
Както можете да видите от снимката при стайна температура, съпротивлението на термистора е 6.9 ома, тази стойност едва ли е правилна, тъй като индикаторът за изтощена батерия свети. След това донесох поялника до термистора и докоснах малко терминала, за да прехвърля топлината от поялника към термистора по -бързо.
Съпротивлението започна бавно да намалява и спря на стойност 2 Ohm, очевидно при тази температура на поялника това е минималната стойност. Въз основа на това съм почти сто процента сигурен, че този термистор работи правилно.
Ако промяната в съпротивлението не е плавна или изобщо не е, всички промени означават, че термисторът не работи правилно.
Помня това е само груба проверка... За идеален тест трябва да измерите температурата и съответното съпротивление на термистора, след което да сравните тези стойности с листа с данни за този термистор.
Термистори какви са те
Термистори и техните приложения
Термисторите са по същество съпротивителни термометри, базирани на смесени оксиди на преходни метали. Двата основни типа термистори са NTC (отрицателен температурен коефициент на съпротивление) и PTC (положителен коефициент). Най -често срещаният тип е NTC. PTC термисторите се използват само в много тесни температурни диапазони, няколко градуса, главно в алармени и контролни системи.
Думата "термистор" е обяснима от само себе си: ТЕРМИЧЕН РЕЗИСТОР
устройство, чието съпротивление се променя с температурата.
Термисторите са до голяма степен нелинейни устройства и
често имат параметри с голям разсейване. Затова дори мнозина
опитни инженери и дизайнери на вериги изпитват неудобства при работа с
с тези устройства. Въпреки това, след като опознаете по -добре тези устройства, можете
вижте, че термисторите всъщност са доста прости устройства.
Първо, трябва да се каже, че не всички устройства, които се променят
съпротивление с температура се наричат термистори. Например,
съпротивителни термометри, които са направени от малки усукани намотки
тел или от напръскани метални филми. Въпреки че техните параметри зависят
на температура обаче те работят по различен начин от термисторите. Обикновено терминът
"Термистор" се отнася за чувствителни към температура
полупроводникови устройства.
Има два основни класа термистори: NTC
(температурен коефициент на съпротивление) и с положителен TCR.
Има два фундаментално различни типа термистори, налични с
положителен TCS. Някои са произведени като отрицателни термистори.
TCS, други са изработени от силиций. PTC термисторите ще
са описани накратко, с акцент върху по -често срещаните
термистори с отрицателен TCS. По този начин, ако няма специални
инструкции, ще говорим за термистори с отрицателни TCS.
NTC термисторите са много чувствителни,
нелинейни устройства с тесен диапазон, чието съпротивление
намалява с повишаване на температурата. Фигура 1 показва кривата
показва промяната в съпротивлението в зависимост от температурата и
което е типична температурна зависимост на съпротивлението.
Чувствителността е приблизително 4-5% / oC. Налична широка гама
рейтинги на съпротивление и промяната в съпротивлението може да достигне много
ома и дори килоома на градус.
Фиг. 1 NTC термисторите са много чувствителни и имат значителни
Степените са нелинейни. Ro може да бъде в ома, килоома или
megoomah:
1 съотношение на съпротивление R / Rо; 2- температура в оС
По същество термисторите са
полупроводникова керамика. Те са направени на базата на оксидни прахове
метали (обикновено оксиди на никел и манган), понякога с добавяне на малко
количеството на другите оксиди. Прахообразните оксиди се смесват с вода и
различни свързващи вещества за получаване на течно тесто, което
предвид необходимата форма и който се изпича при температури над
1000 oC.
Заварява се проводимо метално покритие (обикновено сребро) и
кабелите са свързани. Готовият термистор обикновено е покрит с епоксидна смола
смола или стъкло, или затворени в друго заграждение.
Има много видове термистори.
Термисторите са под формата на дискове и шайби с диаметър от 2,5 до приблизително 25,5
мм, формата на пръти с различни размери.
Някои термистори първо се правят като големи плочи,
и след това се нарязва на квадратчета. Много малки термистори за мъниста
се правят чрез директно изгаряне на капка тесто върху две
заключения от огнеупорна титанова сплав с последващо понижаване
термистор в стъкло за получаване на покритие.
Типични параметри
Казването на „типични параметри“ не е напълно правилно, тъй като за
термистори, има само няколко типични параметри. За много
термистори от различни видове, размери, форми, оценки и допустими отклонения
има еднакво голям брой спецификации. Освен това,
често термистори от различни производители не са
взаимозаменяеми.
Термистори с съпротивления могат да бъдат закупени (при 25 oС -
температура, при която обикновено се определя съпротивлението на термистора) от
един ом до десет мегаома или повече. Съпротивлението зависи от размера и
формата на термистора, но за всеки конкретен тип оценките са
съпротивленията могат да се различават с 5-6 порядъка, което се постига чрез
проста смяна на оксидната смес. При смяна на сместа, тя също се променя и
вид температурна зависимост на съпротивлението (R-T крива) и промени
стабилност при високи температури... За щастие, термистори с висок
устойчивост, достатъчна, за да ги използвате при високи
температурите също са по -стабилни.
Евтините термистори обикновено имат доста големи отклонения.
параметри. Например допустимите стойности на съпротивление при 25 ° C
варират от (20% до (5%. При по -високо или по -ниско
при температури разпространението на параметрите се увеличава още повече. За типичен
термистор с чувствителност 4% на градус по Целзий, съответстващ
измерените температурни допуски варират приблизително (5 o до (1.25
oC при 25 oC. Тук ще бъдат разгледани високоточни термистори
статия по -долу.
Преди беше казано, че термисторите са тесни
диапазон. Това трябва да се изясни: повечето термистори работят в
варират от -80 ° C до 150 ° C и има инструменти (обикновено с
стъклено покритие), които работят при 400 ° C и високи температури.
За практически цели обаче високата чувствителност на термисторите
ограничава техния полезен температурен диапазон. Типична съпротива
термисторът може да се промени 10 000 или 20 000 пъти при температури от -80
оС до +150 оС. Човек може да си представи трудностите при проектирането на верига,
което би гарантирало точността на измерването в двата края на този диапазон
(освен ако не се използва превключване на лентата). Съпротивление на термистора,
номинална при нула градуса, няма да надвишава няколко ома при
400 oC.
В повечето термистори за вътрешна терминална връзка
се използва запояване. Очевидно за такъв термистор не може да се използва
измервания на температури, надвишаващи точката на топене на спойката. Дори и без
запояване, епоксидното покритие на термисторите се запазва само при температура не
над 200 ° C. За по -високи температури е необходимо да се използва
термистори със стъклено покритие, заварени или споени
изводи.
Изискванията за стабилност също ограничават използването на термистори.
при високи температури. Структурата на термисторите започва да се променя, когато
излагане на високи температури и скоростта и естеството на промяната в
до голяма степен се определят от оксидната смес и метода на производство
термистор. Започва известно отклонение от термистори с епоксидно покритие
при температури над 100 ° C или така. Ако такъв термистор
работи непрекъснато при 150 ° C, отклонението може да бъде измерено с няколко
степени годишно. Термистори с ниско съпротивление (например не повече от 1000 ома при 25
oC) често е дори по -лошо - тяхното отклонение може да се види по време на работа
при приблизително 70 ° C. И при 100 ° C те стават ненадеждни.
Евтините устройства с големи отклонения се произвеждат с по -малко
внимание към детайлите и може да даде още по -лоши резултати. От друга страна,
някои правилно проектирани термистори със стъклено покритие имат
отлична стабилност дори при по -високи температури. Мънисто
Термисторите със стъклено покритие имат много добра стабилност,
както и наскоро въведените стъклени дискови термистори
с покритие. Трябва да се помни, че отклонението зависи както от температурата, така и от
време. Например, обикновено може да се използва епоксиден термистор.
покритие с краткотрайно нагряване до 150 ° C без значително отклонение.
Когато използвате термистори, номиналната
постоянна стойност на разсейване на мощността. Например, малък термистор с
епоксидно покритие има константа на разсейване от един миливат
на градус по Целзий във неподвижен въздух. С други думи, един миливат
мощността в термистора увеличава вътрешната му температура с един градус
Целзий и два миливата (две градуса и т.н. Ако подадете
напрежение от един волт на един килоомов термистор с постоянна стойност
разсейване на един миливат на градус по Целзий, получавате грешка
измервания в един градус по Целзий. Термисторите разсейват много енергия,
ако потънат в течност. Същият гореспоменат малък термистор с
епоксидно покритие разсейва 8 mW / oC, като е в добро състояние
разбъркващо масло. Големите термистори имат константа
дисперсията е по -добра от малките устройства. Например, термистор във формата
диск или шайба могат да разсейват мощност от 20 или 30 mW / oC във въздуха
трябва да се помни, че по същия начин като съпротивлението на термистор
варира в зависимост от температурата и се разсейва
мощност.
Уравнения на термисторите
Няма точно уравнение за описание на поведението на термистор, -
има само приблизителни. Помислете за две често използвани
приблизителни уравнения.
Първото приблизително уравнение, експоненциално, е напълно
задоволителни за ограничени температурни диапазони, особено
- когато използвате термистори с ниска точност.
Второто уравнение, наречено уравнение на Steinhart-Hart, осигурява
отлична точност за диапазони до 100 ° C.
Съпротивлението на NTC термистора намалява
приблизително експоненциално с повишаване на температурата. В ограничен
температурни диапазони, неговата R-T-зависимост е описана доста добре
чрез следното уравнение:
RT2 = RT1 e ((I / T2 - I / T1),
Където T1 и T2 са абсолютни температури в градуси по Келвин (оС +273);
RT1 и RT2 - съпротивления на термистора при T1 и T2; (- постоянен,
се определя чрез измерване на съпротивлението на термистора с два известни
температури.
Ако (и RT1 са известни, тогава това уравнение може да се трансформира и
използвайте за изчисляване на температурата чрез измерване на съпротивлението:
Бета е голямо, положително число и има измерение в
градуси по Келвин. Типичните стойности варират от 3000 до 5000 kK.
Производителите често включват стойности за бета в своите спецификации, но
тъй като експоненциалното уравнение е само приблизително, стойността
бета зависи от двете температури, използвани за изчисляването му.
Някои производители използват стойности 0 и 50 ° C; други - 25 и 75 ° C.
Могат да се използват и други температури: можете да изчислите сами
бета стойност въз основа на таблици на съпротивление спрямо температура,
предлагани от производителя. Уравнението обикновено е в съответствие с
измерени стойности в рамките на (1 ° C в участък от 100 ° C. Уравнение
не може да се използва надеждно при много различни температури
от тези, които са били използвани за определяне на бета.
Преди да преминете към уравнението на Steinhart-Hart, помислете за две
други параметри, често използвани за описване на термистори: алфа (() и
коефициент на съпротивление. Алфата се дефинира просто от наклона на R-T кривата,
тоест това е чувствителност при определена температура. Алфа
обикновено се изразява като "процент на степен". Типичните стойности варират от 3
% до 5% oC. Точно като бета, алфа зависи от температурите, при които
е определено. Стойността му ще намалее леко при по -високо
температури.
Коефициентът на съпротивление означава съотношението
съпротивление при една температура до съпротивление при друга, повече
висока температура.
За прецизни термистори обикновено има таблица със стойностите на съпротивлението.
(за всяка степен) в зависимост от подадената температура
производител заедно с друга информация. Въпреки това, понякога е удобно да имате
точно уравнение при извършване на проектни изчисления или (особено) кога
използване на компютър за преобразуване на съпротивлението на термистора в температура.
С изключение на много тесни температурни диапазони, експоненциалното уравнение
с един параметър не е задоволителен - изисква се по -голям брой
параметри.
Най -добрият приблизителен израз, широко използван днес
време, е уравнението на Steinhart-Hart:
Където T- абсолютна температура(в градуси по Келвин), R - съпротивление
термистор; a, b и c са експериментално получени константи.
Трансформация на уравнението, за да се изрази съпротивлението под формата
функцията на температурата води до доста тромав израз.
Въпреки това е лесно да се борави с компютър или с програмируем
калкулатор:
Трябва да се отбележи, че тези стойности за алфа и бета не са
се отнасят до алфа и бета параметрите, използвани в експоненциална
уравнение с един параметър.
Въпреки че уравнението на Steinhart-Hart е по-сложно, обикновено е така
в съответствие с реалните стойности в рамките на няколко хилядни от степен в
варира до 1000 ° C. Разбира се, може да бъде толкова добре, ако
само експерименталните стойности на параметрите на термистора също са точни.
Температури с точност до хилядни от градуса могат да бъдат получени само в
първокласни лаборатории. По -скоро потребителят се съгласява да използва
паспортни таблици, отколкото иска да си направи собствените измервания.
За да определите a, b и c, трябва да знаете точното съпротивление
термистор при три температури и замества всеки набор от данни (R и T)
в уравнението на Steinhart-Hart за определяне на трите неизвестни. Тогава
е необходимо да се използват математически средства за едновременно решаване
три уравнения и получаване на стойностите на три константи. Използвайки
паспортни таблици, трябва да изберете стойностите на R в зависимост от Т по ръбовете и в
средата на температурния диапазон, който ще се използва.
Производителите обикновено не посочват стойностите на табелката за тези константи, така че
как тези стойности се променят в зависимост от използваната температура
диапазон.
Прецизни термистори
Параметрите на обикновените термистори са посочени само с отклонения от + -
5% до + -20% при 25 ° C, а при други температури допуските се увеличават.
При подходящ контрол върху технологиите и измерванията обаче е възможно
получават значително по -висока точност. Има три вида прецизност
термистори: прецизни сменяеми дискови термистори,
прецизни термистори от мъниста и съвпадащи двойки перли. Точно
термисторите осигуряват електронно калибриране на измервателни уреди,
без да се изискват прецизни отоплителни устройства. Сменяеми термистори също
ви позволява да смените термистора, без да калибрирате отново електрониката.
Прецизни сменяеми дискови термистори се произвеждат с
внимателен контрол и промяна на R -T - параметри и стабилност на оксида
смеси. Смеси, които не отговарят на строгите изисквания, не
са използвани. Термисторите са смесени, оформени и изстреляни с помощта
конвенционални технологии. След това всеки термистор се спуска в течна баня
при внимателно контролирана температура, за да се регулира съпротивлението
номинална стойност. Преди изпращане параметрите на всеки термистор
измерени при две или три температури и ако те не съответстват
паспорт, термисторът се отхвърля.
Готови, стандартизирани термистори с допустими отклонения (0.2
oC или (0,1 oC в диапазона 0 -70 oC и по -малка точност при -80 oC и +150
оС. Има специални високо стабилни дискови термистори със стъкло
покритие с допуски, които не надвишават 0,05 ° C. Данни с висока точност,
сменяемите термистори се предлагат само в дискове или квадратчета
малък размер, с епоксидно покритие или (за по -високи
стабилност) стъкло. Няколко производители предлагат някои или всички
от следните стойности (при 25 ° C): 100, 300 и 500 Ohm; 1,0,
2.252, 3.0, 5.0, 10.0, 30.0, 50.0, 100.0 и 300.0 килоома и 1 мегаом.
Термистори с рейтинги 2.252; 3,0; и 5,0 килоома са взаимозаменяеми за
различни производители; други термистори обикновено не го правят. Има
голям брой температурни сензори, които използват термистор
с номинална стойност 2.252 Ком.
Термисторите от мъниста обаче могат да бъдат много точни и стабилни
малкият им размер и производствените методи правят невъзможно фината настройка
точна стойност. Ако потребителят трябва да направи точни измервания
използване на термистори за мъниста (които имат най -малките размери и
най -добро представяне при високи температури), може да попита той
сменете производителя и отпечатайте R-T стойности- крива за
всеки термистор. Като алтернатива можете да посочите термистори, избрани от обхвата
стойности и с определен толеранс при определена температура.
Друг начин производителите да гарантират точност
и взаимозаменяемост, е постоянното измерване на параметрите на всеки от тях
термистор и последващо свързване на избрани съвпадащи двойки паралелно
или последователно, за да се осигури крива с определена форма.
Температурни характеристики
Термисторите са резистори и те се подчиняват на закона на Ом (E = IxR) -
ако температурата им не се промени. Трябва да се помни, че само
няколко миливата мощност за това. За повишаване на температурата
термистор с една степен или повече и че съпротивлението намалява
приблизително 4% на градус по Целзий. Ако се свържете към термистора
източник на ток и бавно увеличаване на тока, ще се види, че напрежението
нараства все по -бавно, тъй като съпротивлението на термистора
намалява. Очевидно напрежението изобщо ще спре да се увеличава и
тогава той практически ще започне да намалява с по -нататъшно увеличаване на тока. На
графиката на фиг. 4 показва типични волта-амперни криви. За малки
ток и ниска мощност, кривата съответства на линията на постоянно съпротивление,
което показва, че термисторът не е достатъчно горещ. При увеличаване
мощност, можете да видите, че съпротивлението на термистора започва да пада. В района на
голям термистор на мощност в известен смисъл работи като отрицателен
съпротивление, тоест напрежението върху него намалява с увеличаване на тока.
Използване на термистори
Термисторите се използват в много области. Почти никакви
сложна печатна платка не е пълна без термистори. Те се използват в
температурни сензори, термометри, в почти всички свързани
температурни условия, електроника.
В противопожарната технология има стандартна температура
сензори. Подобен сензор съдържа два отрицателни термистора.
температурен коефициент, които са инсталирани на печатната платка в бяло
корпус от поликарбонат. Изважда се един - отворен термистор, го
бързо реагира на промените в температурата на въздуха. Друг
термисторът се намира в корпуса и реагира на температурните промени
по -бавно.
При стабилни условия и двата термистора са в термичен режим
равновесие с температурата на въздуха и имат известно съпротивление. Ако
температурата на въздуха се повишава бързо, след това съпротивлението на отвореното
термисторът става по -малък от съпротивлението на затворения термистор.
Съотношението на съпротивлението на термисторите се следи от електронната схема и ако
това съотношение надвишава праговото ниво, зададено фабрично, то
издава аларма. В бъдеще този принцип на действие ще бъде
наричан „реакция на повишаване на температурата“. Ако температурата
въздухът се издига бавно, разликата в съпротивлението на термисторите
незначително. Тази разлика обаче става по -голяма, ако се свържете
високотемпературен резистор последователно със затворен термистор
стабилност. Когато съотношението на сумата от съпротивленията на затворения термистор и
стабилен резистор и съпротивлението на отворения термистор надвишава
праг, възниква алармен режим. Сензорът генерира режим "Аларма", когато
достигане на външна температура от 60 ° C независимо от скоростта на покачване
температура.
По този начин термисторите са повсеместни в много
устройства около нас.
Библиография
Шашков А. Г., Термистори и тяхното приложение. Москва 1967 г.
Термоелектрически измервателни преобразуватели. Курсова лекция
„Електрически измервания на механични величини“. Ростов на Дон.1977 г.
Samy K. Измервателни термодвойки и термистори. Превод от списанието
Otomesen 1988. Т. 33. № 5.
Споделете връзката към книгата с приятелите си:
Изпратете връзка към тази книга на приятел чрез ICQ или имейл:Поставете на вашия ресурс или в LJ:
Научете за термисторите и как да програмирате Arduino за измерване на техните данни.
Чудили ли сте се някога как някои устройства като термостати, нагревателни подложки за 3D принтери, двигатели на автомобили и фурни измерват температурата? Можете да разберете в тази статия!
Познаването на температурата може да бъде много полезно. Познаването на температурата може да помогне за регулиране на стайната температура до комфортна температура, да се гарантира, че нагревателната подложка на 3D принтера е достатъчно гореща, за да могат материали като ABS да залепнат по повърхността й, и да предотврати прегряването на двигателя или изгарянето на храната, която се готви.
В тази статия разглеждаме само един тип сензор, способен да измерва температурата. Този сензор се нарича термистор.
Термисторът има съпротивление, което е много по -зависимо от температурата, отколкото други видове резистори.
Ще използваме Arduino за измерване и обработка на показанията на термистора и след това преобразуваме тези показания в лесен за четене формат на единица температура.
По -долу е снимка на термистора, който ще използваме:
Необходими компоненти
Компоненти
- Arduino (Mega или Uno или друг модел);
- няколко джъмпера;
- поялник и спойка (може да са необходими, ако вашият термистор няма да се побере в конекторите на платката Arduino).
Софтуер
- Arduino IDE
Теория
При типично използване на резистор не искате неговата устойчивост да се променя с промяната на температурата. Това не е реалистично в реалния живот, можете да осигурите само малка промяна в съпротивлението с голяма промяна в температурата. Ако това не беше така, тогава резисторите биха повлияли странно на работата на веригите, например светодиодът би могъл да свети много по -ярко или по -слабо при промяна на температурата на околната среда.
Но какво, ако наистина искате яркостта на светодиода да бъде функция на температурата? Тук влиза термисторът. Както може би се досещате, съпротивлението на термистора се променя драстично с малка промяна в температурата. За да илюстрираме това, следната е крива на съпротивление на термистор:
Фигурата показва само мерни единици без действителни стойности, тъй като обхватът на съпротивлението зависи от типа на конкретния термистор. Както можете да видите, с повишаване на температурата съпротивлението на термистора намалява. Това е отличителният белег на резистора с отрицателен температурен коефициент или за кратко NTC термистор.
Съществуват и термистори с положителен температурен коефициент (PTC), чието съпротивление се увеличава с повишаване на температурата. Въпреки това, PTC термисторите имат вид точка на прегъване и много променят съпротивлението при определена температура. Това прави свързването с PTC термистори малко по -трудно. Поради тази причина термисторите NTC са предпочитани в повечето евтини измерватели на температура.
За останалата част от тази статия, както се досещате, ще говорим за термистори тип NTC.
Четири подхода за намиране на формула на крива
Сега, когато разбираме по -добре поведението на термисторите, може да се чудите как можем да използваме Arduino за измерване на температурата. Кривата в графиката по-горе е нелинейна и следователно просто линейно уравнение не работи за нас (всъщност можем да извлечем уравнението, но повече за това по-късно).
Та какво правиш?
Преди да продължите, помислете как бихте го направили на Arduino или дори във верига без микропроцесорни компоненти.
Има няколко начина за решаване на този проблем, които са изброени по -долу. Това далеч не е пълен списъкна всички техники, но той ще ви покаже някои популярни подходи.
Метод 1
Някои производители предоставят толкова пълна информация, че съдържа цяла графика, показваща конкретни диапазони от целочислени стойности на температурата и съпротивлението (типични стойности). Един такъв термистор може да се намери в листа с данни на Vishay.
Как с такива подробни данни би било възможно да се приложи измерване на температурата на Arduino. Ще трябва да кодирате твърдо всички тези стойности в огромна таблица за търсене или много дълги структури за управление „превключване ... случай“ или „ако ... друго“.
И ако производителят не си направи труда да предостави подробна таблица, тогава ще трябва да измерите всяка точка сами, за да оформите такава таблица. Този ден ще бъде доста скучен за програмист. Но този метод не е толкова лош и има къде да се използва. Ако настоящият проект проверява само няколко точки или дори малък диапазон, този метод може да е за предпочитане. Например, една такава ситуация възниква, ако искате да измерите дали стойностите са в избрани температурни диапазони и да светнете светодиод, който показва това състояние.
Но в нашия проект искаме да измерваме температурата в почти непрекъснат диапазон и да изпращаме показанията до монитора на серийния порт, така че няма да използваме този метод.
Метод 2
Можете да опитате да "линеаризирате" отговора на термистора, като добавите към него допълнителна схема.
Един популярен начин да направите това е чрез свързване на резистор паралелно с термистора. Някои чипове предлагат да направят това вместо вас.
Определянето как да изберете и линеаризирате част от кривата, заедно с избора на правилната стойност на резистора, е тема за отделна статия. Този подход е добър, ако микропроцесорът не може да изчисли изрази с плаваща запетая (като PICAXE), тъй като опростява реакцията в определен температурен диапазон до линейност. Също така улеснява проектирането на схема, която няма микропроцесор.
Но ние имаме микропроцесор в тази статия и искаме да измерим температурата в целия диапазон.
Метод 3
Можете да вземете данни от таблицата в техническо описаниеили (ако харесвате извращения) създайте своя собствена таблица, като направите независими измервания и пресъздадете графиката в нещо като Excel. След това можете да използвате функцията за настройка на кривата, за да създадете формула за тази крива. Това не е лоша идея и цялата свършена работа ще ви даде хубава формула, която можете да използвате във вашата програма. Но предварителната обработка на данни ще отнеме известно време.
Въпреки че това е разумен подход, ние не искаме да разчитаме на анализ на всички тези данни. Също така, всеки термистор е малко по -различен (но разбира се това не е проблем, ако толерансът е доста нисък).
Метод 4
Оказва се, че има обща формула за приспособяване на кривите за устройства като термистори. Нарича се уравнение на Steinhart-Hart. По -долу е негова версия (в други версии се използват термини във втора и степен):
\ [\ frac (1) (T) = A + B \ ln (R) + C (\ ln (R)) ^ 3 \]
където R е съпротивлението на термистора при температура T (в Келвин).
Това е общо уравнение на кривата, подходящо за всички видове NTC термистори. Сближаването на връзката между температура и съпротивление е „достатъчно добро“ за повечето приложения.
Имайте предвид, че уравнението се нуждае от константи A, B и C. Те са различни за различните термистори и трябва или да бъдат посочени, или изчислени. Тъй като имаме три неизвестни, трябва да направите три измервания на съпротивлението при специфични температури, които след това могат да бъдат използвани за създаване на три уравнения и определяне на стойностите на тези константи.
Дори за тези от нас, които знаят добре алгебрата, това все още отнема много време.
Вместо това има още по -просто уравнение, което е по -малко точно, но съдържа само една константа. Тази константа се обозначава като β и следователно уравнението се нарича β-уравнение.
\ [\ frac (1) (T) = \ frac (1) (T_o) + (\ frac (1) (\ beta)) \ cdot \ ln \ наляво (\ frac (R) (R_o) \ вдясно) \ ]
където R 0 - съпротивление при контролната температура T 0 (например съпротивление при стайна температура). β обикновено е посочено в листа с данни; ако не, тогава имате нужда само от едно измерение (едно уравнение), за да изчислите тази константа. Ще използвам това уравнение, за да взаимодействам с нашия термистор, тъй като е най -простото, което съм срещал и няма нужда да линеаризира реакцията на термистора.
Измерване на съпротивлението с Arduino
Сега, след като сме избрали метода на крива, трябва да разберем как всъщност да измерваме съпротивлението с Arduino, преди да можем да подадем информацията за съпротивлението в β-уравнението. Можем да направим това с помощта на делител на напрежение:
Това ще бъде нашата верига за взаимодействие на термистори. Когато термисторът усети промяна в температурата, тя ще се отрази на изходното напрежение.
Сега, както обикновено, използваме формулата на делителя на напрежението.
Но ние не се интересуваме от изходното напрежение V на изхода, ние се интересуваме от съпротивлението на термистора R термистор. Затова ще го изразим:
Това е много по -добре, но трябва да измерим нашето изходно напрежение, както и захранващото напрежение. Тъй като използваме вградения ADC на Arduino, можем да представим напрежението като числова стойност в конкретна скала. И така, последната форма на нашето уравнение е показана по -долу:
Това работи, защото независимо от това как представяме напрежението (във волтове или в цифрови единици), тези единици се анулират в числителя и знаменателя на дробата, оставяйки безразмерна стойност. След това го умножаваме по съпротивлението, за да получим омовия резултат.
Ще имаме D max, равен на 1023, тъй като това е най-големият брой, който нашият 10-битов ADC може да произведе. D измерено е измерената стойност на аналогово-цифровия преобразувател, която може да варира от нула до 1023.
Всичко! Сега можете да започнете сглобяването!
Нека го съберем
Използвах термистор TH10K.
Използвах и 10k резистор като R баланс в нашия делител на напрежение. Нямах константата β, затова я изчислих сам.
По -долу е представена пълна схема на устройството. Това е доста просто.
И така изглежда окончателното оформление:
Код на Arduino
Кодът има много коментари, които да ви помогнат да разберете логиката на програмата.
Той основно измерва напрежението през разделителя, изчислява температурата и след това го показва в терминала на серийния порт.
За забавление са добавени и някои изявления „ако ... друго“, които показват как можете да действате в зависимост от температурния диапазон.
// ================================================ =============================== // Константи // ============== = =================================================== = =============== // Свързан с термистора: / * Тук имаме някои константи, които улесняват редактирането на кода. Нека преминем през тях. Четенето от ADC може да даде една стойност за една проба, а след това малко различна стойност за следващата проба. За да избегнем влиянието на шума, можем да прочетем стойностите от щифта на ADC няколко пъти и след това да усредним стойностите, за да получим по -постоянна стойност. Тази константа се използва във функцията readThermistor. * / const int SAMPLE_NUMBER = 10; / * За да използваме бета уравнението, трябва да знаем стойността на втория резистор в нашия делител. Ако използвате резистор с голям толеранс като 5% или дори 1%, измерете го и поставете показанието на ома тук. * / const двоен BALANCE_RESISTOR = 9710.0; // Това помага при изчисляване на съпротивлението на термистора (вижте статията за подробности). const double MAX_ADC = 1023.0; / * Тази константа зависи от термистора и трябва да бъде в листа с данни, или вижте статията за това как да го изчислите с помощта на бета уравнението. * / const double BETA = 3974.0; / * Изисква се за уравнението за преобразуване като "типична" стайна температура. * / const double ROOM_TEMP = 298.15; // стайна температура в Келвин / * Термисторите имат типично съпротивление при стайна температура, ние го посочваме тук. Отново е необходимо за уравнението на трансформацията. * / const double RESISTOR_ROOM_TEMP = 10000.0; // ================================================ =============================== // Променливи // ============== ================================================== =============== // Тук ще съхраняваме текущата температура двоен currentTemperature = 0; // ================================================ =============================== // Декларация за заключения // ============ == ================================================ == ================ // Входове: int thermistorPin = 0; // ADC вход, изход на делител на напрежение // ======================================= = ===================================== // Инициализация // ====== = ================================================= = ====================== void setup () (// Задайте скорост на порта за изпращане на съобщения Serial.begin (9600);) // ==== = ================================================= = ========================= // Основен контур // =================== = =================================================== = ========== void loop () (/ * Основният контур е доста прост, той отпечатва температурата на серийния монитор. Сърцето на програмата е във функцията readThermistor. * / currentTemperature = readThermistor (); забавяне (3000); / * Ето какво да направите, ако температурата е твърде висока, твърде ниска или перфектна. * / if (currentTemperature> 21.0 && currentTemperature< 24.0) { Serial.print("It is "); Serial.print(currentTemperature); Serial.println("C. Ahhh, very nice temperature."); } else if (currentTemperature >= 24.0) (Serial.print ("Това е"); Serial.print (currentTemperature); Serial.println ("C. Чувствам се като гореща тамала!");) Друго (Serial.print ("Това е") ; Serial.print (currentTemperature); Serial.println ("C. Brrrrrr," COLD! ");)) // ===================== ================================================== ======== // Функции // ===================================== ========================================== //////// //////////////////////// // ////// readThermistor /////// ///////////////// ///////////////// * Тази функция чете стойностите от аналоговия изход, както е показано по-долу. Преобразува входното напрежение в цифрово представяне, използвайки аналогово-цифрово преобразуване. Това обаче се прави няколко пъти, за да можем да усредним стойността, за да избегнем грешки при измерването. Тази усреднена стойност след това се използва за изчисляване на съпротивлението на термистора. След това съпротивлението се използва за изчисляване на температурата на термистора. Накрая температурата се преобразува до градуса по Целзий. * / двоен readThermistor () (// променливи double rThermistor = 0; // Съхранява стойността на съпротивлението на термистора двойно tKelvin = 0; // Съхранява изчислената температура двойно tCelsius = 0; // Съхранява температурата в градуси по Целзий double adcAverage = 0; // Съхранява средната стойност на напрежението int adcSamples; // Масив за съхраняване на отделни резултати // от измервания на напрежение / * Изчислете средното съпротивление на термистора: Както бе споменато по -горе, ще прочетем стойностите на ADC няколко пъти, за да получим масив от проби. Използва се малко забавяне, за да може функцията analogRead да работи правилно. * / for (int i = 0; i< SAMPLE_NUMBER; i++) { adcSamples[i] = analogRead(thermistorPin); // прочитать значение на выводе и сохранить delay(10); // ждем 10 миллисекунд } /* Затем мы просто усредняем все эти выборки для "сглаживания" измерений. */ for (int i = 0; i < SAMPLE_NUMBER; i++) { adcAverage += adcSamples[i]; // складываем все выборки. . . } adcAverage /= SAMPLE_NUMBER; // . . . усредняем их с помощью деления /* Здесь мы рассчитываем сопротивление термистора, используя уравнение, описываемое в статье. */ rThermistor = BALANCE_RESISTOR * ((MAX_ADC / adcAverage) - 1); /* Здесь используется бета-уравнение, но оно отличается от того, что описывалось в статье. Не беспокойтесь! Оно было перестроено, чтобы получить более "красивую" формулу. Попробуйте сами упростить уравнение, чтобы поупражняться в алгебре. Или просто используйте показанное здесь или то, что приведено в статье. В любом случае всё будет работать! */ tKelvin = (BETA * ROOM_TEMP) / (BETA + (ROOM_TEMP * log(rThermistor / RESISTOR_ROOM_TEMP))); /* Я буду использовать градусы Цельсия для отображения температуры. Я сделал это, чтобы увидеть типовую комнатную температуру, которая составляет 25 градусов Цельсия. */ tCelsius = tKelvin - 273.15; // преобразовать кельвины в цельсии return tCelsius; // вернуть температуру в градусах Цельсия }Възможни следващи стъпки
Всичко в тази статия показва доста прост начин за измерване на температурата с помощта на евтин термистор. Има още няколко начина за подобряване на веригата:
- добавете малък кондензатор, паралелен на изхода на разделителя. Това стабилизира напрежението и дори може да премахне необходимостта от усредняване на голям брой проби (както беше направено в кода) - или поне можем да усредним по -малко проби;
- използвайте прецизни резистори (по -малко от 1% толеранс) за по -предвидими измервания. Ако сте критични към точността на измерване, имайте предвид, че самозагряването на термистора може да повлияе на измерването; самозагряването не се компенсира в тази статия.
Разбира се, термисторите са само един от сензорите, използвани за измерване на температурата. Друг популярен избор са сензорните чипове (описан е пример за работа с един от тях). В този случай не е нужно да се занимавате с линеаризация и сложни уравнения. Другите две опции са тип термодвойка и инфрачервен сензор; последният може да измерва температурата без физически контакт, но вече не е толкова евтин.
Надявам се статията да е била полезна. Оставете вашите коментари!
