Современные полупроводниковые термочувствительные элементы
В результате рассмотрения параметров и особенностей включения полупроводниковых термочувствительных элементов — NTC-, PTC- и Z-термисторов в статье делается вывод о предпочтительности использования Z-термисторов в промышленных системах управления. В сравнении с широко используемыми сегодня NTC- и PTC-термисторами Z-термисторы позволяют упростить схемы контроля и измерения температуры, повысить их эффективность и надежность, и, соответственно, сократить расходы на производство и обслуживание.
Приоритетной задачей современных систем управления является контроль и измерение температуры. Для решения различных задач при проектировании систем управления предлагается широкий выбор термочувствительных элементов и устройств. В промышленности часто используются термопары или резистивные термопреобразователи. Они хорошо отвечают условиям, при которых требуется контролировать температуру в широком диапазоне. Однако высокая стоимость, сильная нестабильность (зависимость от влияния внешних факторов, не связанных с контролируемым параметром), слабый выходной сигнал и некоторые другие недостатки исключают их применение при производстве оборудования, где основными критериями являются быстродействие, точность, стабильность, а рабочий температурный диапазон составляет –60…150°С.
Для решения подобных задач чаще всего используют полупроводниковые термочувствительные элементы, среди которых наибольшее распространение получили NTC- и PTC- термисторы, а наиболее перспективными с точки зрения применения в системах управления являются полупроводниковые термочувствительные элементы, получившие название Z-термисторов.
NTC-термистор (Negative Temperature Coefficient) — полупроводниковый термочувствительный элемент с отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что с ростом температуры происходит падение сопротивления элемента [1, 2]. Зависимость сопротивления от температуры и вольтамперная характеристика (ВАХ) NTC-термистора показаны на рисунке 1а, б.
PTC-термистор (Positive Temperature Coefficient) — полупроводниковый термочувствительный элемент с положительным температурным коэффициентом (позистор): с ростом температуры происходит увеличение сопротивления элемента [1, 2]. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ PTC-термистора показаны на рисунке 2а, б.
Z-термисторы — полупроводниковые термочувствительные элементы, функционально реагирующие на изменение температуры и обладающие способностью первичной обработки информации на молекулярном уровне. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ Z-термистора изображены на рисунке 3а, б.
NTC-термисторы в настоящее время в огромных количествах выпускаются многими зарубежными и российскими фирмами и чаще всего применяются в промышленных системах управления, где стоит задача контроля температур в диапазоне: –60…150°С.
Отдельно взятые NTC-термисторы не могут работать в качестве управляющих элементов в системах контроля и измерения температуры. Для получения сигнала управления должна быть использована дополнительная схема, преобразующая изменение сопротивления NTC-термистора в управляющий сигнал. Наиболее распространенной схемой включения NTC-термистора является мостовая схема, в которой одним из плечей моста сопротивлений является NTC-термистор (см. рис. 4). Мост сбалансирован при заданной температуре. При изменении температуры происходит разбаланс моста. После усиления напряжение разбаланса поступает на триггер Шмитта, который вырабатывает управляющий сигнал.
Для контроля температуры в произвольной точке пространства NTC-термистор должен быть вынесен в нее с помощью экранированного провода строго определенной длины, что является существенным недостатком, усложняющим схему включения. Это увеличивает стоимость системы и ограничивает диапазон ее применения. Точность измерения и контроля температуры NTC-термисторами составляет единицы градусов.
PTC-термисторы используются в основном для защиты электродвигателей. На определенном температурном уровне они резко увеличивают свое сопротивление. Применительно к двигателю речь идет о максимально допустимой температуре нагрева обмоток статора для данного класса изоляции. PTC-термисторы соединяются последовательно и подключаются к электронному блоку защиты, который срабатывает на превышение суммарного сопротивления цепочки. [1]
Z-термисторы — новый класс полупроводниковых термочувствительных элементов, принцип работы которых основывается на энергетических процессах, происходящих на молекулярном уровне в кристалле и, как следствие, вызывающих изменение сопротивления самого элемента. В отличие от наиболее распространенных в настоящее время NTC-термисторов Z-термисторы не нуждаются в дополнительных электронных схемах, т.к. реализуют функцию изменения сопротивления элемента на молекулярном уровне, имея на выходе управляющий сигнал достаточной мощности для дальнейшей его обработки. Несомненным преимуществом использования Z-термисторов в системах контроля и измерения температуры является гибкость этих систем с возможностью внесения корректировок в измерительный блок (изменение длины подводящих проводов, изменение количества Z-термисторов) без изменения блока управления (Z-термисторы не нуждаются в схемах балансировки). Обладая высокой помехозащищенностью, Z-термисторы могут быть использованы в блоках контроля и измерения температуры в системах с большими наводками, где до настоящего времени решение подобных задач было связано с необходимостью экранирования не только управляющего блока, но и самого термочувствительного элемента. Точность измерения и контроля температуры Z-термистором составляет сотые доли градуса.
Существует несколько вариантов включения Z-термисторов. Аналоговый и пороговый режимы включения Z-термисторов показаны на рисунке 5. Обычно в качестве источника питания используется источник постоянного напряжения Uп, подключаемый в прямом направлении (+ к р-области) через нагрузочный резистор Rн, который служит для снятия выходного сигнала и ограничения тока термистора. Выходной сигнал составляет в среднем несколько вольт, что позволяет подвергать его дальнейшей обработке, не прибегая к схемам усиления сигнала.[4]
Для реализации задачи непрерывного измерения температуры питающее напряжение выбирается на начальном участке вольт-амперной характеристики, т. е. до Uпор. В свою очередь реализация контроля заданного значения температуры (пороговый режим, термореле) требует выбора значения питающего напряжения непосредственно вблизи Uпор.
Для реализации работы термистора в режиме автогенератора импульсов, частота которых зависит от температуры, параллельно Z-термистору подключается емкость (см. рис. 6). При такой схеме включения могут быть также реализованы пороговая функция и функция непрерывного измерения температуры, но с частотно-импульсным выходным сигналом, что в значительной степени расширяет возможности применения Z-термисторов.
Мы рассмотрели известные полупроводниковые термочувствительные элементы, их параметры и особенности включения. Сравнение параметров позволяет сделать вывод о технико-экономической целесообразности использования Z-термисторов в сравнении с широко используемым в настоящее время NTC- и PTC-термисторами. Это позволит упростить существующие схемы контроля и измерения температуры, повысить их эффективность и надежность и, следовательно, сократить расходы на производство и обслуживание готовых систем.
1. Термочувствительное защитное устройство-термистор//www.meandr.ru, http://www.meandr.ru/products/pcrelay/ptc.html
2. Классификация электронных систем и их элементов//www.promti.ru, http://www.promti.ru/prom/023/92/index.html
3. Зотов В. Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров//Chip News, №1, 1999.
4. Зотов В. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры широкого применения (z-сенсоры)//Chip News , №4, 1998.
5. Зотов В., Кравченко А., Миронова П. Z-термисторы в режиме генератора импульсов//Chip News , №1, 2001.
6. NTC temperature sensors//Philips. Electronic components and materials, 1985.
7. Шифтель И., Текстер-Проскурякова Г., Лейкина Б. Позисторы//Радио, №3, 1971.