Схеми для дослідження варисторів
Схема на рис. 5.3.1 дозволяє зняти вольтамперні I = f (U)і ампер-температурні характеристики варисторів I = f (θ). Величина напруги джерела живлення Еі опір навантаження R Hвибираються в залежності від типу досліджуваного варістора.
При дослідженні температурних залежностей варістор поміщається в термостат.
термістор (терморезистор) - це напівпровідниковий резистор, в якому використовується залежність електричного опору напівпровідника від температури.
У термисторах прямого підігріву опір змінюється або під впливом тепла, або в результаті зміни температури термістора через зміни теплового опромінення термистора (наприклад, при зміні температури довкілля). Найбільш широко застосовуються термістори, основною особливістю яких є значне зменшення опір зі збільшенням температури, тобто термістори з негативним температурним коефіцієнтом опору.
Зменшення опору напівпровідника зі збільшенням температури може бути обумовлено різними причинами - збільшенням концентрації носіїв заряду, збільшенням їх рухливості або фазовими перетвореннями напівпровідникового матеріалу.
I. Перше явище характерне для термісторів, виготовлених з монокристалів ковалентних напівпровідників (кремній, германій, карбід кремнію, сполуки типу А III B V і ін.). Такі напівпровідники мають негативним температурним коефіцієнтом опору в діапазоні температур, відповідних примесной електропровідності, коли не всі домішки іонізовані, коли концентрація носіїв через іонізації власних атомів напівпровідника. І в тому і в іншому випадку залежність опору напівпровідника визначається в основному зміна концентрації носіїв заряду, так як температурні зміни рухливості при цьому нехтує малі.
У цих діапазонах температур залежність опору напівпровідника від температури відповідає рівнянню
, (6.1.1)
де В- коефіцієнт температурної чутливості; R¥ - постійна, що залежить від матеріалу і розмірів термистора.
При неповної іонізації і відсутності компенсації 
,
де DE п- енергія іонізації домішок (донорів або акцепторів).
Для скомпенсованого напівпровідника при неповній іонізації домішок
.
При власній електропровідності
,
де DE- ширина забороненої зони напівпровідника.
II. Основна частина термісторів, що випускаються промисловістю, виготовлена з полікристалічних окисних напівпровідників - з оксидів так званих металів перехідної групи таблиці Менделєєва (від титану до цинку). Термістори в формі стрижнів, трубок, дисків або пластинок отримують методом керамічної технології, тобто шляхом випалу заготовок при високій температурі.
Електропровідність окисних напівпровідників з переважаючою іонним зв'язком між атомами відрізняється від електропровідності ковалентних напівпровідників. Для металів перехідної групи характерні наявність незаповнених електронних оболонок і змінна валентність. В результаті при утворенні оксиду в певних умовах (наявність домішок, відхилення від стехіометрії) в однакових кристалографічних положеннях виявляються іони з різними зарядами. Електропровідність таких металів пов'язана з обміном електронами між сусідніми іонами. Енергія, необхідна для такого обміну, мала. Тому всі електрони (або дірки), які можуть переходити від одного іона до іншого, можна вважати вільними носіями заряду, а їх концентрацію - постійної в робочому діапазоні температур термистора.
Через сильний впливу носіїв заряду з іонами рухливість в Окісна полупроводнике виявляється малої і експериментально зростаючої з ростом температури. В результаті температурна залежність опору термістора з окисного напівпровідника виявляється такою ж, як і у термісторів з ковалентних напівпровідників (рис. 6.1.1), але коефіцієнт температурної чутливості характеризує в цьому випадку зміна рухливості носіїв заряду, а не зміна їх концентрації.
III. У окислах ванадію V 2 O 2і V 2 O 3при температурі фазових перетворень (68 о С і -110 ° С) спостерігається зменшення питомої опору на кілька порядків. Це явище також може бути використано для створення термісторів з великим негативним температурним коефіцієнтом опору в діапазоні температур, відповідних фазового перетворення.
6.2 .Характерістікі і параметри термисторов прямого підігріву
Температурна характеристика термістора- це залежність його опору від температури. Приклад температурної характеристики одного з термісторів наведено на рис. 6.2.1.
Номінальний опір термістора- це його опір при певній температурі (зазвичай 20 о С). Термістори виготовляють з допустимим відхиленням від номінального опору ± 20, 10 і 5%. Номінальні опору різних типів термісторів мають значення від декількох Ом до декількох сотень кіло.
Коефіцієнт температурної чутливості В- це коефіцієнт в показнику експоненти температурної характеристики термістора (1). Значення цього коефіцієнта, що залежить від властивостей матеріалу термистора, практично постійно для даного термистора в робочому діапазоні температур і для різних типів термісторів знаходиться в межах від 700 до 15 00 К. Коефіцієнт температурної чутливості може бути знайдений експериментально шляхом вимірювання опору термістора при двох температурах Т проі Тза формулою
. (6.2.1)
Температурний коефіцієнт опору термісторапоказує відносну зміну опір термістора при зміні температури на один градус:
ТК 
.(6.2.2)
Температурний коефіцієнт опору залежить від температури, тому його необхідно записувати індексом, що вказує температуру, при якій має місце дане значення. Залежність температурного коефіцієнта від температури можна отримати з рівнянь (6.2.1) і (6.2.2):
ТК R = - B / T 2 (6.2.3)
Значення температурного коефіцієнта опору при кімнатній температурі різних термісторів знаходяться в межах (0,8¸6,0) × 10 -2 До -1.
Коефіцієнт розсіювання термистора Нчисельно дорівнює потужності, що розсіюється термістором при різниці температур термистора і навколишнього середовища в один градус, або, іншими словами, чисельно дорівнює потужності, яку треба виділити в термісторі від проходить через нього струму в умовах теплового рівноваги між термістором і навколишнім середовищем
На ріс.6.2.2. показані статичні вольтамперні характеристики термісторів. Лінійність характеристик при малих токах і напруги пояснюється тим, що виділяється в термісторі потужність недостатня для істотної зміни його температури. При збільшенні струму, що проходить через термістор, що виділяється в ньому потужність підвищує його температуру. Опір термістора визначається, таким чином, сумарною температурою навколишнього середовища і температурою підігрівача термистора. При цих токах опір термістора зменшується зі збільшенням струму і темпе-ратури відповідно до (6.2.2), лінійність статичної вольтамперної характеристики порушується. При подальшому збільшенні струму і великий температурної чувст-вітельно термистора може спостерігатися падаючу ділянку статичної вольт-амперної характеристики, тобто умень-шення напруги на термісторі зі збільшенням проходить через нього струму.
Максимально допустима температура термістора- це температура, при якій ще не відбувається незворотних змін параметрів і характеристик термистора. Максимально допустима температура визначається не тільки властивостями вихідних матеріалів термистора, але і його конструктивними особливостями.
Максимально допустима потужність розсіювання термистора- це потужність, при якій термистор, що знаходиться в спокійному повітрі при температурі 20 о С, розігрівається при проходженні струму до максимально допустимої температури. При зменшенні температури навколишнього повітря, а також при роботі термистора в среда, що забезпечують кращий тепловідвід, потужність розсіювання може перевищувати максимально допустиме значення.
Коефіцієнт енергетичної чутливості термистора Gчисельно дорівнює потужності, яку необхідно підвести до термістора для зменшення його опору на 1%. Коефіцієнт енергетичної чутливості пов'язаний з коефіцієнтом розсіювання і температурним коефіцієнтом опору співвідношенням G = H / TK R.
Величина коефіцієнта енергетичної чутливості залежить від режиму роботи термистора, тобто буде різна в кожній точці статичної вольтамперної характеристики.
Постійна часу термістора- це час, протягом якого температура термістора зменшитися на 63% (в ераз) по відношенню до різниці температур термистора і навколишнього середовища (наприклад, при перенесенні термистора з повітряного середовища з температурою 120 ° С в повітряне середовище з температурою 20 о С). Теплова інерційність термистора, яка характеризується його постійної часу, визначається конструкцією і розмірами термистора і залежить від теплопровідності середовища, до якої знаходиться термистор. для різних типівтермисторов постійна часу лежить в межах від 0,5 до 140 с.
6.3. Термістори непрямого підігріву
Термістор непрямого підігріву - це термистор, що має додаткове джерело тепла - підігрівач.
Конструктивне виконання термисторов непрямого підігріву може бути різним. Часто підігрівач роблять у вигляді обмотки на ізоляційної трубці, всередині якої розташований термистор. В інших випадках термистор зроблений у вигляді трубки, усередині якої проходить нитка підігрів. Загальним для всіх конструкцій термисторов непрямого підігріву є наявність у них електрично ізольованих один від одного ланцюгів - керуючої і керованої.
Крім таких параметрів, як номінальний опір і коефіцієнт температурної чутливості, термістори непрямого підігріву мають свої специфічні характеристики і параметри.
Статичні вольтамперні характеристикитермистора непрямого підігріву знімають при різних токах через підігрівач. (Рис 6.3.1.).
Подогревним характеристика -це залежність опору термістора непрямого підігріву від потужності, що виділяється в спіралі подогревним обмотки (рис. 6.3.2.).
Для отримання найбільшої чутливості термистора непрямого підігріву, тобто найбільшого зміни опору, його слід використовувати в режимах, при яких потужністю, що виділяється в самому термочутливому елементі проходить через нього струмом, можна було знехтувати.
Коефіцієнт теплової зв'язку- це відношення потужності РТ, необхідної для розігріву термочутливого елемента до деякої температури при прямому нагріві, до потужності Рпід, необхідної для розігріву до тієї ж самої температури при непрямому підігріві, тобто шляхом пропускання струму через підігрівач:
К = РТ / Рпід.
Зазвичай для визначення коефіцієнта теплової зв'язку термистор непрямого підігріву розігрівають до так званого гарячого опору термістора при максимальній потужності, що виділяється в підігрівачі. Коефіцієнт теплової зв'язку зазвичай знаходитися в межах від 0,5 до 0,97, тобто менше одиниці, так як частина тепла, що виділяється підігрівачем, неминуче втрачається. Термістори непрямого підігріву в даний час практично не використовуються через їх великих розмірів, необхідності використання додаткового джерела живлення для підігріву термістора, великий споживаної потужності.
Схема для дослідження термисторов прямого підігріву, наведена на рис. 6.3.3, дає можливість зняти вольтамперні характеристики термісторів при різній температурі навколишнього середовища.
Напруга на термистор подається від джерела постійної напруги Uблоку живлення. Напруга плавно регулюється потенціометром Rв блоці живлення .
Доброго вам дня! Сьогодні в цій статті буде простий спосіб перевірки термистора. Напевно, всім радіоаматорам відомо, що термістори бувають двох типів NTC(Негативний температурний коефіцієнт) і PTC(Позитивний температурний коефіцієнт). Як випливає з їхніх назв, опір термистора NTCбуде зменшуватися з підвищенням температури, А опір термістора PTC з зростанням температури - збільшиться. Грубо перевірити термістори NTC і PTC можна за допомогою будь-якого мультиметра і паяльника.
Для цього потрібно переключити мультиметр в режим вимірювання опору і підключити його клеми до висновків термистора (полярність не має значення). Запам'ятайте опір і піднесіть нагрітий паяльник до термістора і в цей же час дивіться за опором, воно повинно збільшуватися, або зменшуватися. Залежно від того якого типу термистор перед вами PTC або NTC. Якщо все, так як описано вище - термистор справний.
Тепер як це буде на практиці, а для практики я взяв перший-ліпший термистор це виявився NTC термістор MF72. Насамперед я підключив його до мультиметру, для того щоб зняти процес перевірки та через відсутність крокодилів на мультиметри, мені довелося припаяти до термісторі дроти і потім просто прикрутити до контактів мультиметра.
Як видно з фото при кімнатній температурі опір термістора 6.9 Ом, це значення навряд чи вірне, так як світиться індикатор розрядженого батареї. Потім я підніс паяльник до термістора і трохи доторкнувся до висновку, щоб якнайшвидше передати тепло від паяльника до термістора.
Опір початок не поспішаючи зменшуватися і зупинилося на значенні 2 Ома, мабуть при такій температурі паяльника це мінімальне значення. Виходячи з цього, я майже на всі сто впевнений, що даний термистор справний.
Якщо зміна опору буде не плавним або взагалі не буде, будь-яких змін означає, термістор не справний.
Запам'ятайте це тільки груба перевірка. Для ідеальної перевірки вам потрібно вимірювати температуру і відповідне опір термістора, потім ці значення порівняти з даташіта на даний термистор.
Термістори що це таке
Термістори та їх застосування
Термістори - це по суті термометри опору, виконані на основі змішаних оксидів перехідних металів. Два основні типи термисторов - NTC (з негативним температурним коефіцієнтом опору) і PTC (з позитивним коефіцієнтом). Найбільш поширений тип - NTC. РТС термістори використовуються тільки в дуже вузьких діапазонах температур, в кілька градусів, в основному в системах сигналізації і контролю.
Слово «термістор» зрозуміло саме по собі: термічні резистори -
пристрій, опір якого змінюється з температурою.
Термістори є в значній мірі нелінійними приладами і
часто мають параметри з великим розкидом. Саме тому багато, навіть
досвідчені інженери і розробники схем відчувають незручності при роботі з
цими приладами. Однак, познайомившись ближче з цими пристроями, можна
бачити, що термістори насправді є цілком простими пристроями.
Спочатку необхідно сказати, що не всі пристрої, що змінюють
опір з температурою, називаються термісторами. наприклад,
резистивні термометри, які виготовляються з маленьких котушок кручений
дроту або з напилених металевих плівок. Хоча їх параметри залежать
від температури, однак, вони працюють не так, як термістори. зазвичай термін
«Термістор» застосовується по відношенню до чутливих до температури
напівпровідникових пристроїв.
Є два основні класи термісторів: з негативним ТКС
(Температурним коефіцієнтом опору) і з позитивним ТКС.
Існують два принципово різних типи випускаються термісторів з
позитивним ТКС. Одні виготовляються подібно термісторів з негативним
ТКС, інші ж робляться з кремнію. Термістори з позитивним ТКС будуть
описані коротко, а основна увага буде приділена більш поширеним
термістори з негативним ТКС. Таким чином, якщо відсутні особливі
вказівки, то мова буде йти про термисторах з негативним ТКС.
Термістори з негативним ТКС є високочутливими,
нелінійними пристроями з вузьким діапазоном, опір яких
зменшується при збільшенні температури. На рис.1 зображена крива,
що показує зміну опору в залежності від температури і
представляє собою типову температурну залежність опору.
Чутливість - приблизно 4-5% / оС. Є великий діапазон
номіналів опорів, і зміна опору може досягати багатьох
ом і навіть килоом на градус.
Рис.1 Термістори з негативним ТКС дуже чутливі і значною
Ступені нелінійні. Rо може бути в Омасі, кілоомах або
мегоомах:
1-відношення опорів R / Rо; 2 температура в оС
По суті термістори являють собою
напівпровідникову кераміку. Вони виготовляються на основі порошків окислів
металів (зазвичай оксидів нікелю та марганцю), іноді з добавкою невеликої
кількості інших окислів. Порошкоподібні окисли змішуються з водою і
різними сполучними речовинами для отримання рідкого тіста, якому
надається необхідна форма і яке обпалюється при температурах понад
1000 оС.
Приварюється проводить металеве покриття (звичайно срібне), і
приєднуються висновки. Закінчений термістор звичайно покривається епоксидною
смолою або склом або полягає в який-небудь інший корпус.
Є безліч типів термісторів.
Термістори мають вид дисків і шайб діаметром від 2.5 до приблизно 25.5
мм, форму стрижнів різних розмірів.
Деякі термістори спочатку виготовляються у вигляді великих пластин,
а потім ріжуться на квадрати. Дуже маленькі бусінковие термістори
виготовляються шляхом безпосереднього випалювання краплі тіста на двох
висновках з тугоплавкого титанового сплаву з наступним опусканням
термистора в скло з метою одержання покриття.
Типові параметри
Говорити «типові параметри» - не зовсім правильно, тому що для
термисторов існує лише кілька типових параметрів. для безлічі
термисторов різних типів, розмірів, форм, номіналів і допусків
існує таке ж велика кількість технічних умов. Більш того,
найчастіше термістори, що випускаються різними виробниками, не є
взаємозамінними.
Можна придбати термістори з опорами (при 25 оС -
температури, при якій зазвичай визначається опір термістора) від
одного ома до десяти мего і більш. Опір залежить від розміру і
форми термістора, однак, для кожного певного типу номінали
опору можуть відрізнятися на 5-6 порядків, що досягається шляхом
простої зміни оксидної суміші. При заміні суміші також і змінюється і
вид температурної залежності опору (R-T крива) і змінюється
стабільність при високих температурах. На щастя термістори з високим
опором, достатнім для того, щоб використовувати їх при високих
температурах, також володіють, як правило, більшою стабільністю.
Недорогі термістори зазвичай мають досить великі допуски
параметрів. Наприклад, допустимі значення опорів при 25 ° С
змінюються в діапазоні від (20% до (5%. При більш високих або низьких
температурах розкид параметрів ще більше збільшується. для типового
термистора, що має чутливість 4% на градус Цельсія, відповідні
допуски вимірюваної температури міняються приблизно від (5 про до (1,25
оС при 25 ° С. Високоточні термістори будуть розглядатися в даній
статті нижче.
Раніше було сказано, що термістори є пристроями з вузьким
діапазоном. Це необхідно пояснити: більшість термісторів працює в
діапазоні від -80 ° С до 150 ° С, і є прилади (як правило, з
скляним покриттям), які працюють при 400 оС і високих температурах.
Однак для практичних цілей велика чутливість термісторів
обмежує їх корисний температурний діапазон. опір типового
термистора може змінюватися в 10000 чи 20000 разів при температурах від -80
оС до +150 оС. Можна уявити собі труднощі при проектуванні схеми,
яка забезпечувала б точність вимірів на обох кінцях цього діапазону
(Якщо не використовується переключення діапазонів). Опір термістора,
номінальне при нулі градусів, не перевищить значення декількох ом при
400 оС.
У більшості термісторів для внутрішнього приєднання висновків
використовується пайка. Очевидно, що такий термістор не можна використовувати для
вимірювання температур, що перевищують температуру плавлення припою. навіть без
пайки, епоксидне покриття термісторів зберігається лише при температурі не
більше 200 оС. Для більш високих температур необхідно використовувати
термістори зі скляним покриттям, що мають приварені або вплавлені
висновки.
Вимоги до стабільності також обмежують застосування термисторов
при високих температурах. Структура термісторів починає змінюватися при
впливі високих температур, і швидкість і характер зміни в
значною мірою визначаються оксидної сумішшю і способом виготовлення
термистора. Деякий дрейф термісторів з епоксидним покриттям починається
при температурах понад 100 ° С або близько того. Якщо такий термістор
безперервно працює при 150 оС, то дрейф може вимірюватися кількома
градусами за рік. Низькоомні термістори (наприклад, не більше 1000 Ом при 25
оС) найчастіше ще гірше - їх дрейф може бути помічений при роботі
приблизно при 70 ° С. А при 100 оС вони стають ненадійними.
Недорогі пристрої з великими допусками виготовляються з меншим
увагою до деталей і можуть дати навіть гірші результати. З іншого боку,
деякі правильно розроблені термістори зі скляним покриттям мають
прекрасну стабільність навіть при більш високих температурах. Бусінковие
термістори зі скляним покриттям володіють дуже хорошою стабільністю,
так само, як і недавно з'явилися дискові термістори зі скляним
покриттям. Слід пам'ятати, що дрейф залежить як від температури, так і від
часу. Так, наприклад, зазвичай можна використовувати термістор з епоксидним
покриттям при короткочасному нагріванні до 150 ° С без значного дрейфу.
При використанні термісторів необхідно враховувати номінальне
значення постійної розсіюється. Наприклад, невеликий термістор з
епоксидним покриттям має постійну розсіювання, рівну одному мілівата
на градус Цельсія в нерухомому повітрі. Іншими словами один милливатт
потужності в термісторі збільшує його внутрішню температуру на один градус
Цельсія, а два мілівата (на два градуси і так далі. Якщо подати
напруга в один вольт на термістор в один кіло, що має постійну
розсіювання один милливатт на градус Цельсія, то вийде помилка
вимірювання в один градус Цельсія. Термістори розсіюють велику потужність,
якщо вони опускаються в рідину. Той же вищезгаданий невеликий термістор з
епоксидним покриттям розсіює 8 мВт / оС, перебуваючи в добре
перемішують маслі. Термістори з великими розмірами мають постійне
розсіювання краще, ніж невеликі пристрої. Наприклад термистор у вигляді
диска або шайби може розсіювати на повітрі потужність 20 або 30 мВт / оС
слід пам'ятати, що аналогічно тому, як опір термістора
змінюється в залежності від температури, змінюється і його розсіюється
потужність.
Рівняння для термісторів
Точного рівняння для опису поведінки термистора не існує, -
є тільки наближені. Розглянемо два широко використовуваних
наближених рівняння.
Перше наближене рівняння, експоненціальне, цілком
задовільно для обмежених температурних діапазонів, особливо
- при використанні термісторів з малою точністю.
Друге рівняння, зване рівнянням Стейнхарта-Харта, забезпечує
прекрасну точність для діапазонів до 100 оС.
Опір термістора з негативним ТКС зменшується
приблизно по експоненті зі збільшенням температури. В обмежених
температурних діапазонах його R-T-залежність досить добре описується
наступним рівнянням:
RT2 = RT1 е ((I / T2 - I / T1),
Де Т1 і Т2 - абсолютні температури в градусах Кельвіна (° С +273);
RT1 і RT2 - опору термістора при Т1 і Т2; (- константа,
який визначається шляхом вимірювання опору термістора при двох відомих
температурах.
Якщо (і RT1 відомі, то це рівняння можна перетворити і
використовувати для обчислення температури, вимірюючи опір:
Бета є великим, позитивним числом і має розмірність в
градусах Кельвіна. Типові значення змінюються від 3000 до 5000 ок.
Виробники часто включають значення для бета в специфікації, однак,
так як експоненціальне рівняння є лише приблизними, значення
бета залежить від двох температур, використаних при його обчисленні.
Деякі виробники використовують значення 0 і 50 оС; інші - 25 і 75 оС.
Можна використовувати інші температури: можна обчислити самостійно
значення бета на підставі таблиць залежності опору від температури,
які пропонує виробник. Рівняння, як правило узгоджується з
виміряними значеннями в межах (1 оС на ділянці в 100 оС. Рівняння
не можна використовувати з достовірністю при температурах, сильно відрізняються
від тих, що були використані для визначення бета.
Перед тим, як перейти до рівняння Стейнхарта-Харта, розглянемо два
інших параметра, часто використовуваних для опису термісторів: альфа (() і
коефіцієнт опору. Альфа просто визначається нахилом R-T- кривої,
тобто є чутливістю при певній температурі. Альфа
зазвичай виражається в «відсотках на градус». Типові значення змінюються від 3
% До 5% оС. Так само, як і бета, альфа залежить від температур, при яких
вона визначається. Її значення кілька зменшаться при більш високих
температурах.
Під коефіцієнтом опору мається на увазі відношення
опору при одній температурі до опору при іншій, більш
високій температурі.
Для точних термісторів зазвичай є таблиця значень опору
(Для кожного градуса) в залежності від температури, яка поставляється
виробником разом з іншою інформацією. Однак іноді зручно мати
точне рівняння при виконанні конструкторських розрахунків або (особливо) при
використанні ЕОМ для перерахунку опору термістора в температуру.
Крім як для дуже вузьких діапазонів температур, експоненціальне рівняння
з одним параметром незадовільний - необхідна більша кількість
параметрів.
Найкращим наближеним виразом, широко використовуваним в даний
час, є рівняння Стейнхарта-Харта:
Де Т- абсолютна температура(В градусах Кельвіна), R - опір
термистора; а, b і з експериментальної отримані константи.
Перетворення рівняння з метою висловлення опору у вигляді
функції температури призводить до досить громіздкою на вигляд висловом.
Однак, з ним легко звертатися при використанні ЕОМ або програмованого
калькулятора:
Необхідно відзначити, що дані значення для альфа і бета НЕ
відносяться до параметрів альфа і бета, використовуваним в експоненнціальном
рівнянні з одним параметром.
Хоча рівняння Стейнхарта-Харта - більш складне, воно, як правило,
узгоджується з реальними значеннями в межах декількох тисячних градуса в
діапазонах до 1000 оС. Звичайно, воно може бути настільки хорошим, якщо
тільки експериментальні значення параметрів термистора також точні.
Температури з точністю до тисячних градуса можна отримати тільки в
першокласних лабораторіях. Швидше користувач погодиться користуватися
паспортними таблицями, ніж захоче провести власні виміри.
Для визначення a, b і з необхідно знати точне опір
термистора при трьох температурах і підставити кожен набір даних (R і Т)
в рівняння Стейнхарта-Харта для визначення трьох невідомих. потім
необхідно використовувати математичні засоби для одночасного вирішення
трьох рівнянь і отримання значень трьох констант. При використанні
паспортних таблиць потрібно вибирати значення R в залежності від Т на краях і в
середині температурного діапазону, який буде використовуватися.
Виробники зазвичай не вказують паспортні значення для цих констант, так
як ці значення змінюються в залежності від використовуваного температурного
діапазону.
прецизійні термістори
Параметри звичайних термісторів вказуються тільки з відхиленнями від + -
5% до + -20% при 25 ° С, а при інших температурах допуски збільшуються.
Однак при відповідному контролі над технологією і вимірах можна
отримати значно вищу точність. Є три типи точних
термисторов: прецизійні взаємозамінні дискові термістори,
прецизійні бусінковие термістори і погоджені бусінковие пари. точні
термістори забезпечують електронну калібрування вимірювальних інструментів,
не вимагаючи точних нагрівальних приладів. Взаємозамінні термістори також
дозволяють замінити термістор без повторного калібрування електронних схем.
Прецизійні взаємозамінні дискові термістори виготовляються при
ретельний контроль і зміні R-T - параметрів і стабільності оксидной
суміші. Суміші, які не задовольняють строгим вимогам, не
використовуються. Термістори змішуються, формуються і обпікаються за допомогою
звичайних технологій. Потім кожен термістор опускається в рідинну ванну
при ретельно контрольованій температурі для доведення опору до
номінального значення. Перед відправкою параметри кожного термистора
вимірюються при двох або трьох температурах, і, якщо вони не відповідають
паспортним, термістор бракується.
Можна придбати готові, стандартизовані термістори з допусками (0,2
оС або (0,1 оС в діапазоні 0 -70 оС і меншою точністю при -80 ° С і +150
оС. Є спеціальні високостабільні дискові термістори зі скляним
покриттям, що мають допуски не більше 0,05 оС. Дані високоточні,
взаємозамінні термістори випускаються тільки у вигляді дисків або квадратів
невеликого розміру, покритих епоксидною смолою або (для більш високої
стабільності) склом. Кілька виробників пропонують деякі або всі
з перерахованих нижче номіналів (при 25 ° С): 100, 300, і 500 Ом; 1.0,
2.252, 3.0, 5.0, 10.0, 30.0, 50.0, 100.0 і 300.0 килоом і 1 мегаом.
Термістори з номіналами 2,252; 3,0; і 5,0 кіло взаємозамінні для
різних виробників; інші термістори, як правило, - немає. є
велика кількість температурних датчиків, в яких використовується термістор
з номіналом 2.252 Ком.
Бусінковие термістори можуть бути дуже точними і стабільними, проте
їх малий розмір і способи виготовлення унеможливлюють доведення до
точного значення. Якщо користувачеві необхідно виконувати точні вимірювання
за допомогою бусінкових термісторів (які мають найбільш малі розміри і
найкращі можливості роботи при високих температурах), він може попросити
виготовлювача провести зміни і надрукувати значення R-T- кривий для
кожного термистора. Або ж можна вказати термістори, обрані з ряду
номіналів і мають певний допуск при деякій температурі.
Іншим способом, за допомогою якого виробники забезпечують точність
і взаємозамінність, є постійне вимірювання параметрів кожного
термистора і подальше з'єднання обраних узгоджених пар паралельно
або послідовно з метою забезпечення кривої певної форми.
температурні характеристики
Термістори - це резистори, і вони підкоряються закону Ома (E = IxR) -
якщо не змінюється їх температура. Слід пам'ятати, що досить лише
декількох милливатт потужності для того. Щоб збільшити температуру
термистора на один градус і більш, і що опір зменшується
приблизно на 4% на градус Цельсія. Якщо до термістора підключити
джерело струму і повільно збільшувати струм, то буде видно, що напруга
збільшується все більше і більше повільно, так як опір термістора
зменшується. Очевидно, що напруга зовсім перестане збільшуватися і
потім практично почне зменшуватися при подальшому збільшенні струму. на
графіку на рис. 4 представлені типові вольт-амперні криві. при малому
струмі і малої потужності крива відповідає лінії постійного опору,
бо свідчить про те, що термістор нагрівається слабо. при збільшенні
потужності видно, що опір термістора починає падати. В області
великої потужності термістор в деякому сенсі, працює, як негативне
опір, тобто напруга на ньому зменшується при збільшенні струму.
Використання термісторів
Термістори знаходять застосування в багатьох областях. Практично жодна
складна друкована плата не обходиться без термісторів. Вони використовуються в
температурних датчиках, термометрах, практично в будь-який, пов'язаної з
температурними режимами, електроніці.
У протипожежній техніці існують стандартні температурні
датчики. Подібний датчик містить два термістора з негативним
температурним коефіцієнтом, які встановлені на друкованій платі в білому
полікарбонатному корпусі. Один виведений назовні - відкритий термістор, він
швидко реагує на зміну температури повітря. інший
термістор знаходиться в корпусі і реагує на зміну температури
повільніше.
При стабільних умовах обидва термистора знаходяться в термічному
рівновазі з температурою повітря і мають деякий опір. якщо
температура повітря швидко підвищується, то опір відкритого
термистора стає менше, ніж опір закритого термістора.
Ставлення опорів термісторів контролює електронна схема, і якщо
це відношення перевищує пороговий рівень, встановлений на заводі, вона
видає сигнал тривоги. Надалі такий принцип дії буде
називатися "реакцією на швидкість підвищення температури". якщо температура
повітря підвищується повільно, то відмінність опорів термісторів
незначно. Однак, ця різниця стає вище, якщо з'єднати
послідовно з закритим термістором резистор з високою температурною
стабільністю. Коли відношення суми опорів закритого термістора і
стабільного резистора й опору відкритого термістора перевищує
поріг, виникає режим тривоги. Датчик формує режим «Тривога» при
досягненні зовнішньої температури 60 ° С незалежно від швидкості наростання
температури.
Таким чином, термістори повсюдно використовуються в багатьох
приладах, що оточують нас.
Список літератури
Шашков А.Г., Терморезистори і їх застосування. М.1967.
Термоелектричні вимірювальні перетворювачі. Лекція по курсу
«Електричні вимірювання механічних величин». Ростов - на - Дону.1977
Семі К. Вимірювальні термопари і терморезистори. Переклад з журналу
Отомесён 1988. Т.33. №5.
Поділіться посиланням на книгу зі своїми друзями:
Послати посилання на цю книгу другу по ICQ або E-Mail:Розмістити у себе на ресурсі чи в ЖЖ:
Дізнайтеся про термисторах і про те, як запрограмувати Arduino для вимірювання їх даних.
Ви коли-небудь замислювалися над тим, як деякі пристрої, такі як термостати, нагрівальні майданчика 3D принтерів, автомобільні двигуни і печі вимірюють температуру? У цій статті ви можете це дізнатися!
Знати температуру може бути дуже корисно. Знання температури може допомогти регулювати температуру в приміщенні до комфортного значення, гарантувати, що нагрівальна майданчик 3D принтера була досить гарячою, щоб такі матеріали, як ABS, прилипали до її поверхні, а також запобігти перегріву двигуна або не допустити спалювання готується їжі.
У даній статті ми розглядаємо тільки один тип датчика, здатного вимірювати температуру. Цей датчик називається термістором.
Термістор володіє опором, яке набагато сильніше залежить від температури, ніж опір інших типів резисторів.
Ми буде використовувати Arduino для вимірювання і обробки показань термистора, після чого ми перетворимо ці свідчення в зручний для читання формат одиниць вимірювання температури.
Нижче наведена фотографія термистора, який ми збираємося використовувати:
необхідні компоненти
комплектуючі
- Arduino (Mega або Uno або будь-яка інша модель);
- кілька перемичок;
- паяльник і припой (можливо, знадобиться, якщо ваш термистор НЕ буде влазити в роз'єми на платі Arduino).
Програмне забезпечення
- Arduino IDE
теорія
При типовому використанні резистора ви не хочете, щоб його опір змінювалося при зміні температури. Це не реально в реальному житті, можна лише забезпечити невелика зміна опору при великому зміні температури. Якби це було не так, то резистори дивно впливали б на роботу схем, наприклад, світлодіод міг би світитися набагато яскравіше або тьмяніше в міру зміни температури навколишнього середовища.
Але що, якщо ви дійсно хочете, щоб яскравість світлодіода була функцією температури? Тут з'являється термистор. Як ви могли здогадатися, у термистора опір сильно змінюється при невеликій зміні температури. Щоб проілюструвати це, нижче приведена крива зміни опору термістора:
На малюнку показані лише одиниці виміру без фактичних значень, так як діапазон опорів залежить від типу конкретного термистора. Як ви можете помітити, у міру збільшення температури опір терморезистора зменшується. Це є характерною властивістю резистора з негативним температурним коефіцієнтом (Negative Temperature Coefficient), або, коротко, NTC термістора.
Існують також терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом (Positive Temperature Coefficient, PTC), опір яких збільшується в міру зростання температури. Однак, PTC термістори мають свого роду точку перелому і сильно змінюють опір при деякій температурі. Це робить взаємодію з PTC термісторами трохи складнішим. З цієї причини в більшості дешевих вимірювачів температури краще використовувати NTC термістори.
У решти статті, як ви можете здогадатися, ми будемо говорити про терморезисторами типу NTC.
Чотири підходи до знаходження формули для побудови кривої
Тепер, коли ми краще розуміємо поведінку термісторів, ви можете здивуватися, як ми можемо використовувати Arduino для вимірювання температури. Крива на графіку вище нелінійна і, отже, просте лінійне рівняння нам не підходить (насправді ми можемо вивести рівняння, але про це пізніше).
Так що ж робити?
Перш ніж продовжити, подумайте, як би ви це зробили на Arduino або навіть в схемі без мікропроцесорних компонентів.
Існує кілька способів вирішення цієї проблеми, які перераховані нижче. Це далеко не повний списоквсіх методик, але він покаже вам деякі популярні підходи.
метод 1
Деякі виробники надають настільки повну інформацію, що в ній міститься весь графік, що відображає певні діапазони цілочисельних значень температури і опору (типові значення). Один такий термістор може бути знайдений в технічному описі від компанії Vishay.
Як, маючи такі докладні дані, можна було б реалізувати вимір температури на Arduino. Вам потрібно було б жорстко прописати в коді всі ці значення у величезній таблиці пошуку або дуже довгих структурах управління "switch ... case" або "if ... else".
А якщо виробник не спромігся надати детальну таблицю, то вам доведеться самостійно виміряти кожну точку для формування такої таблиці. Цей день буде для програміста досить сумний. Але цей метод не так вже й поганий і має місце в використанні. Якщо поточний проект перевіряє лише кілька точе або навіть невеликий діапазон, цей спосіб може бути кращим. Наприклад, одна така ситуація виникає, якщо ви хочете виміряти, чи знаходяться значення вибраних діапазонах температур, і запалити світлодіод для індикації цього стану.
Але в нашому проекті ми хочемо вимірювати температуру в майже безперервному діапазоні і відправляти свідчення на монітор послідовного порту, тому цей метод використовувати не будемо.
метод 2
Ви можете спробувати «линеаризовать» реакцію термистора, додавши до нього додаткову схему.
Одним з популярних способів виконання цього є підключення резистора паралельно термісторі. Деякі мікросхеми пропонують зробити це за вас.
Визначення того, як вибрати і линеаризовать ділянку кривої, разом з вибором правильного номіналу резистора - це тема для окремої статті. Цей підхід хороший, якщо мікропроцесор не може обчислювати вирази з плаваючою комою (наприклад, PICAXE), оскільки він спрощує реакцію в деякому діапазоні температур до лінійного характеру. Це також спрощує проектування схеми, в якій немає мікропроцесора.
Але у нас в цій статті мікропроцесор використовується, і ми хочемо вимірювати температуру у всьому діапазоні.
метод 3
Ви можете взяти дані з таблиці в технічному описіабо (якщо подобаються збочення) сформувати власну таблицю, виконавши самостійні вимірювання і відтворивши графік в чомусь типу Excel. Потім ви можете використовувати функцію підгонки кривої для створення формули цієї кривої. Це непогана ідея, і вся виконана робота дасть красиву формулу, яку ви зможете використовувати в програмі. Але це займе якийсь час для попередньої обробки даних.
Хоча це розумний підхід, ми не хочемо залежати від аналізу всіх цих даних. Крім того, кожен термістор трохи відрізняється (але, звичайно, це не проблема, якщо допуск досить низький).
метод 4
Виявляється, є загальна формула для підгонки кривої, призначена для пристроїв типу термісторів. Вона називається рівнянням Штейнхарта-Харта. Нижче представлена його версія (в інших версіях використовуються члени в другій і ступеня):
\ [\ Frac (1) (T) = A + B \ ln (R) + C (\ ln (R)) ^ 3 \]
де R - опір терморезистора при температурі T (в Кельвіна).
Це загальне рівняння кривої, що підходить для всіх типів NTC термісторів. Апроксимація зв'язку температури і опору «досить підходить» для більшості застосувань.
Зверніть увагу, що рівняння має потребу в константах A, B і C. Для різних термисторов вони різняться і повинні бути або задані, або обчислені. Оскільки ми маємо три невідомих, вам необхідно виконати три виміри опору при певних температурах, які потім можуть бути використані для створення трьох рівнянь і визначення значень цих констант.
Навіть для тих з нас, хто добре знають алгебру, це все ще дуже трудомістким.
Замість цього, є ще більш просте рівняння, яке менш точно, але містить тільки одну константу. Ця константа позначена як β, і тому рівняння називається β-рівнянням.
\ [\ Frac (1) (T) = \ frac (1) (T_o) + (\ frac (1) (\ beta)) \ cdot \ ln \ left (\ frac (R) (R_o) \ right) \ ]
де R 0 - опір при контрольній температурі T 0 (наприклад, опір при кімнатній температурі). β зазвичай вказується в технічному описі; а якщо немає, то вам необхідно лише один вимір (одне рівняння) для розрахунку цієї константи. Це рівняння я буду використовувати для взаємодії з нашим термістором, оскільки воно є найпростішим з тих, з якими я зіткнувся, і не потребує лінеаризації реакції термистора.
Вимірювання опору за допомогою Arduino
Тепер, коли ми вибрали метод побудови кривої, ми повинні з'ясувати, як реально виміряти опір за допомогою Arduino, перш ніж ми зможемо передати інформацію про опір в β-рівняння. Ми можемо зробити це використовуючи дільник напруги:
Це буде наша схема взаємодії з термістором. Коли термистор визначить зміна температури, це відіб'ється на вихідному напрузі.
Тепер, як зазвичай, ми використовуємо формулу для подільника напруги.
Але нам нецікаво вихідна напруга V вихід, нас цікавить опір термістора R термистор. Тому ми висловимо його:
Це набагато краще, але нам необхідно виміряти наше вихідна напруга, а також напруга живлення. Так як ми використовуємо вбудований АЦП Arduino, то можемо уявити напруга, як числове значення на певній шкалі. Отже, кінцевий вигляд нашого рівняння показаний нижче:
Це працює тому, що не має значення, як ми уявляємо напруга (у вольтах або в цифрових одиницях), ці одиниці скорочуються в чисельнику і знаменнику дробу, залишаючи безрозмірне значення. Потім ми множимо його на опір, щоб отримати результат в Омасі.
D max у нас буде так само 1023, так як це найбільше число, яке може видати наш 10-розрядний АЦП. D виміряний - це виміряне значення аналого-цифровим перетворювачем, яке може бути в діапазоні від нуля до 1023.
Всі! Тепер можна приступити до складання!
зберемо це
Я використовував термистор TH10K.
Також я використовував резистор 10 кОм як R баланс в нашому делителе напруги. Константи β у мене не було, тому я розрахував її сам.
Нижче приведена повна схема пристрою. Вона досить проста.
А так виглядає кінцевий макет:
Код програми для Arduino
Код забезпечений великою кількістю коментарів, щоб допомогти вам зрозуміти логіку програми.
В основному він вимірює напругу на дільнику, обчислює температуру, а потім показує її в терміналі послідовного порту.
Для забави додані також деякі оператори "if ... else", щоб показати, як ви можете діяти в залежності від діапазону температур.
// ================================================ =============================== // Константи // ============== ================================================== =============== // пов'язані з термістором: / * Тут у нас кілька констант, які спрощують редагування коду. Пройдемося по ним. Читання з АЦП може дати одне значення при одній вибірці, а потім трохи відрізняється значення при наступній вибірці. Щоб уникнути впливу шумів, ми можемо зчитувати значення з виведення АЦП кілька разів, а потім усереднювати значення, щоб отримати більш постійне значення. Ця константа використовується в функції readThermistor. * / Const int SAMPLE_NUMBER = 10; / * Щоб використовувати бета рівняння, ми повинні знати номінал другого резистора в нашому делителе. Якщо ви використовуєте резистор з великим допуском, наприклад, 5% або навіть 1%, виміряйте його і помістіть результат в Омасі сюди. * / Const double BALANCE_RESISTOR = 9710.0; // Це допомагає обчислювати опір термістора (детальна інформація в статті). const double MAX_ADC = 1023.0; / * Ця константа залежить від термістора і повинна бути в технічному описі, або дивіться статтю, як розрахувати її, використовуючи бета-рівняння. * / Const double BETA = 3974.0; / * Необхідна для рівняння перетворення в якості "типовий" кімнатної температури. * / Const double ROOM_TEMP = 298.15; // кімнатна температура в Кельвінах / * Термістори мають типовим опором при кімнатній температурі, вкажемо його тут. Знову ж таки, необхідно для рівняння перетворення. * / Const double RESISTOR_ROOM_TEMP = 10000.0; // ================================================ =============================== // Змінні // ============== ================================================== =============== // Тут ми будемо зберігати поточну температуру double currentTemperature = 0; // ================================================ =============================== // Оголошення висновків // ============= ================================================== ================ // Входи: int thermistorPin = 0; // Вхід АЦП, вихід дільника напруги // ======================================== ======================================= // Ініціалізація // ====== ================================================== ======================= void setup () (// Встановити швидкість порту для відправки повідомлень Serial.begin (9600);) // ==== ================================================== ========================= // Основний цикл // =================== ================================================== ========== void loop () (/ * Основний цикл досить простий, він друкує температуру в монітор послідовного порту. Серце програми знаходиться у функції readThermistor. * / CurrentTemperature = readThermistor (); delay (3000); / * Тут описуємо, що робити, якщо температура занадто висока, занадто низька або ідеально підходить. * / 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 ( "It is"); Serial.print (currentTemperature); Serial.println ( "C. I feel like a hot tamale!");) Else (Serial.print ( "It is") ; Serial.print (currentTemperature); Serial.println ( "C. Brrrrrr, it" s COLD! ");)) // ===================== ================================================== ======== // Функції // ===================================== ========================================== //////// ///////////////////// ////// readThermistor /////// /////////////// ////////////// / * Ця функція зчитує значення з аналогового виведення, як показано нижче. Перетворює вхідна напруга в цифрове представлення за допомогою аналого-цифрового перетворення. Однак, це виконується кілька разів, щоб ми могли усереднити значення, щоб уникнути помилок вимірювання. Це усереднене значення потім використовується для розрахунку опору термістора. Після цього опір використовується для розрахунку температури термістора. Нарешті, температура перетвориться в градуси Цельсія. * / double readThermistor () (// змінні double rThermistor = 0; // Зберігає значення опору термістора double tKelvin = 0; // Зберігає розраховану температуру double tCelsius = 0; // Зберігає температуру в градусах Цельсія double adcAverage = 0; // Зберігає середнє значення напруги int adcSamples; // Масив для зберігання окремих результатів // вимірювань напруги / * Розрахувати середню опір термістора: Як згадувалося вище, ми будемо зчитувати значення АЦП кілька разів, щоб отримати масив вибірок. Невелика затримка використовується для коректної роботи функції analogRead. * / 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 }Можливі наступні кроки
Все в даній статті показує досить простий спосіб вимірювання температури за допомогою дешевого термистора. Є ще пара способів поліпшити схему:
- додати невеликий конденсатор паралельно виходу подільника. Це стабілізує напругу і може навіть усунути необхідність усереднення великої кількості вибірок (як було зроблено в коді) - або, принаймні, ми зможете усереднювати меншу кількість вибірок;
- використовувати прецизійні резистори (допуск менше 1%), щоб отримати більш передбачувані вимірювання. Якщо вам критична точність вимірювань, майте на увазі, що самонагрівання термистора може вплинути на вимірювання; в даній статті самонагрев не компенсується.
Звичайно, термістори - це тільки один з датчиків, що використовуються для вимірювання температури. Інший популярний вибір - це мікросхеми датчиків (приклад роботи з однією з них описаний). В цьому випадку вам не доведеться мати справу з лінеаризацією і складними рівняннями. Два інших варіанти - це термопара і інфрачервоний тип датчика; останній може вимірювати температуру без фізичного контакту, але він вже не так дешевий.
Сподіваюся, стаття виявилася корисною. Залишайте коментарі!
