Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров

   
В. ЗотовZ-термисторы — новый класс температурных сенсоров

Oдной из наиболее распространенных задач промышленной и бытовой автоматики, решаемых путем температурных измерений, является задачавыделения заданного значения температуры или диапазона температур, в пределах которогоконтролируемые физические процессы протекают нормально, с требуемыми параметрами. Это, впервую очередь, относится к приборам и устройствам, работающим при температурах, определяемыхусловиями жизнедеятельности человека и используемых им при этом приборов машин и механизмов,т.е. –40 ё +100°С, например, кондиционирование температуры жилых, складских и технологическихпомещений, контроль нагрева различных двигателей, трансмиссий, тормозных устройств и т.п.,системы пожарной сигнализации, контроль температуры в медицине, биотехнологиях и сельскомхозяйстве и пр. В качестве чувствительных элементов таких систем в последнее время широкоиспользуются полупроводниковые термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентомили термисторы (NTC-thermistors). Однако, для решения задачи в целом, т.е. получения электрическогосигнала, возникающего при повышении или понижении температуры контролируемого процесса до заданногозначения, термистор должен быть снабжен дополнительными электронными схемами, которые и осуществляютрешение задачи выделения заданного значения температуры. Такова, например, схема, приведенная нарис.1. В Институте проблем управления РАН совместно с фирмой VZ SENSOR Ltd., на основе полупроводниковыхструктур с L-образной вольтамперной характеристикой были разработаны интеллектуальные (функциональные)термисторы (Z-thermistors), которые способны решать задачу выделения заданного значения температурыбез использования дополнительных электронных схем [1,2,3].

Рис. 1

Рис. 2

Z-термисторы представляют собой полупроводниковую p-n структуру, включаемую в прямом направлении(+ к p-области структуры) в цепь источника постоянного напряжения. Структура обладает функцией перехода из одногоустойчивого состояния (с малым током) в другое устойчивое состояние (в 50 ё 100 раз большим током) при еенагреве до заданного значения температуры. Установка требуемого значения температуры срабатывания осуществляетсяпростым изменением напряжения питания. Длительность перехода структуры (Z-термистора) из одного устойчивогосостояния в другое 1 ё 2 мкс. Схема включения Z-термистора состоит из источника питания U и нагрузочногорезистора R, который одновременно служит ограничителем тока Z-термистора при его переходе в состояние с большимтоком (рис. 2). Выходной сигнал (бросок напряжения) может быть снят как с нагрузочного резистора R, так и ссамого Z-термистора, но с обратным знаком. Как уже было сказано, Z-термистор может быть настроен на любое значениетемпературы в диапазоне –40 ё +100°С путем изменения питающего напряжения U. При этом могут быть изготовленыразные типы Z-термисторов, срабатывающие при одной и той же температуре от разных напряжений питания.Для того, чтобы разделить Z-термисторы по типам, было введено понятие базовой температуры. В качестве базовойбыло принято значение комнатной температуры (room temperature) +20°С. Принципиально Z-термисторы могут бытьизготовлены на любые напряжения срабатывания в пределах от 1 до 100 В при базовой температуре, но для удобствапользователей мы ограничились рядом типовых значений напряжения, чаще всего используемых в электронной технике,а именно: 1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В; 24 В (см. таблицу).

Таблица. Технические характеристики Z-термисторов при температуре
+20°C и спротивлениирезистора R = 0.25 + 5 кОм Тип Z-термистора    TZ-1 TZ-3 TZ-4 TZ-12 TZ-18 TZ-24 Пороговое напряжение Uth(B) <1,5 3+-0,5 4,5+-1 12+-2 18+-3 24+-3 Пороговый ток Ith(mA) <0,05 <0,1 <0,15 <0,2 <0,25 <0,35 Вторичное напряжение Uf(B) <0,7 <1,5 <2 <5 <8 <10 Вторичный ток If(mA) >1,5 >1,7 >3 >2,5 >3 >3,5 Выходной сигнал UR(B) >0,5 Uth " " " " " Рассеиваемая мощность P(mBт) <100 " " " " " Длительность перехода Uth-Uf t(мкс) <5 " " " " " Разрешающая способность Т(°C) <0,1 " " <<0,1 " " Чувствительность участка 1 S1(мВ/°C) GT;10 " " >30 " " Чувствительность участка 2 S2(мВ/°C) >20 " " >60 " " Чувствительность участка 3 S3(мВ/°C) >200 " " >400 " " Быстродействие Т(сек) <1 " " <<1 " "

Диапазон рабочих темпертур: -20 + 100 °C
Диапазон пороговых напряжений: 60 - 0,5 B
Размеры Z-термисторов: 1 x 1 x 0,3; 2 x 2 x 0,3; 3 x 1,5 x 0,3 mm
Маркировка Z-термисторов: TZ-(1; 3; 4; 12; 18; 24)
Здесь: T - функциональный тип сенсора (Thermistor);
Z - физический принцип действия (Z-эффект);
(1; 3; 4; 12; 18; 24) - пороговое напряжение при 20°C

Z-термисторы могут быть использованы не толькокак высокоточные, надежные и простые в эксплуатации сигнализаторы заданного значения температуры, но также, кактемпературные сенсоры для непрерывного измерения температуры, приблизительно в том же диапазоне (-40 ё +100°С).Для этого могут быть использованы участки 1,2,3 ВАХ (рис.3). При этом, зная нижний и верх-ний пределы измеренийтемпературы, (например, для медицинского градусника +34° ё +43°С), напряжение питания выбирается таким, чтобызначение токов термистора, соответствующие этим пределам измерений, находились на выбранном участке ВАХ. Точностныевозможности Z-термисторов при их использовании как в пороговом режиме, так и в режиме непрерывных измеренийпрактически полностью определяются стабильностью питающего напряжения и лежат в пределах 0,1 ё 0,01°С.Большой интерес с практической точки зрения представляет собой возможность использования Z-термисторовв частотно-импульс-ном режиме работы. Для этого параллельно Z-термистору подключают емкость С » 0,05 ё 0,15мкФ (рис. 2), что вызывает генерацию пилообразных импульсов большой амплитуды (порядка 0,5 от питающегонапряжения), частота следования которых пропорциональна температуре.

Рис.3. Вольтамперная характеристика (ВАХ) Z-термистора

Многолетние исследования не выявили каких-либо проявлений деградации или дрейфа рабочих характеристикZ-термисторов. Более чем двукратный по отношению к рабочему диапазону перегрев Z-термисторов не приводитк их разрушению либо к изменению характеристик, что говорит об их весьма высокой надежности (робастности).Z-термисторы не имеют аналогов в мировой практике и технологией их производства не обладает ни один иззападных производителей электронных компонентов.

Институт проблем управления РАН
Тел. 954-4760






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.