Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 6 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Цифровой интеллектуальный датчик — новый подход в отечественном приборостроении

Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения

В статье рассматриваются принципы построения современных волоконно-оптических датчиков (ВОД) и возможность их применения в различных областях промышленного производства. Подробно рассмотрена современная элементная база оптоэлектроники, а также базовые алгоритмы последетекторной обработки сигналов, применяемые в ВОД. В работе приводятся описания конструкций волоконно-оптических датчиков, нашедших практическое применение в промышленности. Рассмотрены перспективные направления волоконно-оптической сенсорики.

Датчик разбития стекла — всё под контролем

В статье описаны алгоритм распознавания звука разбивающегося стекла и принцип работы системы оповещения. Дана структурная схема датчика разбития стекла на основе недорогого микроконтроллера Texas Instruments.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

21 декабря

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.

Рис. 1. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика NTC-термистора (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.

Рис. 2. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика PTC-термистора (б) [7]

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.

Рис. 3. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика Z-термистора (б) [5]

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.

Рис. 4. Мостовая схема включения NTC-термистора [6]

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]

Рис. 5. Схема налогового и порогового режимов включения Z-термистора

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.

Рис. 6. Схема частотно-импульсного режима включения Z-термистора [5]

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.

Литература

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.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Константин Миронов, аспирант, лаборатория cенсоров и сенсорных систем, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова (ИПУ РАН); Полина Миронова, ст. инженер, аспирант, лаборатория сенсоров и сенсорных систем, ИПУ РАН



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты