Часть 1

МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ РАССЕЯНИЯ

Pmax – наибольшая мощность, которую может рассеивать термистор, не вызывая необратимых изменений параметров. Максимальную мощность можно выразить через коэффициент рассеяния:

Pmax = dTH ×(Tmax - TA) .

КОЭФФИЦИЕНТ РАССЕЯНИЯ δTH

Коэффициент рассеяния равен мощности, рассеиваемой на термисторе, при которой его температура повышается на 1 °C:

δTH = dTdP .

ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ ОХЛАЖДЕНИЯ tС

Постоянная времени tС в значительной степени зависит от конструкции термистора. Она равна времени, в течение которого температура электрически ненагруженного термистора изменится на 63,2 % от разности температуры термистора и температуры окружающей среды. Для определения tС резистор внутренне разогревается до температуры 85 °C и измеряется время, за которое термистор охладится до 47,1 °С при окружающей температуре 25 °C. Чем меньше размер прибора, тем меньше время охлаждения.

ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ tА

Постоянная времени tA равна времени, в течение которого температура электрически ненагруженного термистора, помещенного в среду с температурой 85 °C, изменится от 25 °C до 62,9 °C. Для определения величины постоянной tA определяется сопротивление термистора при минимальной мощности (для исключения эффекта саморазогрева) при температурах 25 °C и 62,9 °C. Термистор помещается в жидкость с температурой 25±0,1 °C, измеряется его сопротивление для подтверждения достижения температуры жидкости, затем его сразу помещают в жидкость с температурой 85±0,1 °C и, определяя сопротивление при минимальной мощности, измеряют время, за которое его температура достигнет 62,9 °C. Полученное в результате время есть постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность термистора.

Применение термисторов

Термисторы с отрицательным ТКС могут быть широко использованы для температурных измерений.

41

Вбытовой электронике – в рефрижераторах и морозильниках, стиральных машинах, электрических плитах, фенах и др. В автомобильной электронике – для измерения температуры охлаждения воды или масла, для слежения за температурой выхлопных газов, нагрева цилиндров и тормозной системы, для контроля температуры в пассажирском отсеке и др.

Всистемах нагрева и кондиционирования – в распределении затрат на нагрев, для слежения за температурой в помещениях, за температурой форсунок, выхлопных газов, в качестве наружных датчиков и др.

Впромышленной электронике – для температурной стабилизации лазерных диодов и фотоэлементов, компенсации рабочей точки термоэлемента и др.

ПРИМЕНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ (РЕЖИМ САМОРАЗОГРЕВА)

Ограничение токов включения

Импульсные источники питания, электрические моторы и трансформаторы имеют чрезмерно высокие токи при включении, которые могут привести к выходу этих устройств из строя. Применяя термисторы с отрицательным ТКС, можно значительно снизить токи включения, для чего следует подсоединить последовательно с нагрузкой термистор.

Термисторы, специально разработанные для такого применения, имеют достаточно высокое сопротивление в холодном состоянии. При протекании тока термистор разогревается и его сопротивление уменьшается в 10…50 раз, снижая потери мощности.

Рис 2.7. Форма тока (вверху) и напряжения (внизу) на нагрузке

Температурная компенсация

Все полупроводники имеют относительно высокие температурные коэффициенты. Поэтому термисторы с отрицательным ТКС применяются для компенсации неблагоприятных реакций на изменения температуры, тем самым термисторы позволяют эффективно управлять токами включе-

42

ния посредством фиксирующего резистора без потерь мощности и не учитывать влияние малого сопротивления резистора в процессе дальнейшей работы.

Ограничение тока включения используется в промышленной электронике и инженерном оборудовании. Например, во флуоресцентных, прожекторных и галогенных лампах, для ограничения частоты вращения кухонных комбайнов, обеспечения мягкого пуска моторов и импульсных источников питания и т.д.

Параллельное и последовательное включение

Термисторы для ограничения тока всегда включаются последовательно. Если для ограничения тока недостаточно одного термистора, то два или более термисторных элемента включаются последовательно. Параллельное включение нескольких термисторов недопустимо, так как невозможно правильно распределить нагрузку. Термисторы, пропускающие больший ток, могут значительно разогреться и выйти из строя, поэтому параллельное включение термисторов возможно, если они не разогреваются.

Рис. 2.8. Схема включения термисторов в защитную цепь по питанию

Позисторы – это полупроводниковые резисторы, чувствительные к изменению температуры. Сопротивление позисторов резко (на несколько порядков) возрастает после достижения определенной (опорной) температуры. Позисторы изготавливаются легированием поликристаллической керамики на основе титаната бария (BaTiO3). Керамика, как известно, является хорошим изолятором с высоким сопротивлением. Полупроводящие свойства или низкое сопротивление достигаются легированием керамики примесями редкоземельных элементов. При увеличении концентрации примесей изменяется структура материала, происходит разукрупнение кристаллов и увеличение удельного сопротивления. Резкое увеличение сопротивления титаната бария в узком диапазоне температур происходит изза фазового превращения в диапазоне температур выше точки Кюри. Увеличивая содержание примесей, можно смещать точку Кюри в сторону более низких температур и влиять на параметры позисторов.

43

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЗИСТОРОВ

Протекающий через позистор ток приводит к разогреву прибора и увеличению его температуры выше температуры окружающей среды. Эффект саморазогрева позистора необходимо учитывать при практическом применении. Характеристики позисторов, приведенные ниже, различаются для электрически нагруженных и электрически ненагруженных позисторов. Для электрически ненагруженных позисторов вводится термин «характеристики при нулевой мощности».

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НЕНАГРУЖЕННЫЕ ПОЗИСТОРЫ Температурная зависимость сопротивления

Сопротивление при нулевой мощности RT – это сопротивление, измеренное при данной температуре T и при такой малой нагрузке, что дальнейшее ее уменьшение практически не влияет на величину сопротивления.

Тестовое напряжение различается для конкретных типов позисторов (обычно ≤ 1,5 В).

На рис. 2.9 представлена типовая зависимость сопротивления при нулевой мощности от температуры. Из-за резкого изменения сопротивления позисторов (в десятки раз) для сопротивления используется логарифмическая шкала (ордината), а для температуры – линейная (абсцисса).

PTC-01

Ω

RPTC

RREF

RN

Rmin

TN	TRmin TREF TPTC ° C
	T

Рис. 2.9. Зависимость сопротивления позистора от температуры:

RN – номинальное сопротивление (сопротивление при температуре TN = 25 °С); Rmin – минимальное сопротивление (сопротивление при температуреTRmin); TRmin – температура, при которой сопротивление минимальное (температурный коэффициент сопротивления α становится положительным); RREF – опорное сопротивление (сопротивление при температуре TREF); TREF – опорная температура (сопротивление резко возрастает); RPTC – сопротивление в области

резкого увеличения TPTC; TPTC – температура, при которой гарантируется величина RPTC

44

T 2 - T1

Номинальное сопротивление RN

Номинальное сопротивление RN – это величина сопротивления при температуре TN. Позисторы классифицируются по величине этого сопротивления. Если специально не указанно, то температура TN равна 25 °С.

Минимальное сопротивление R min

Начало температурного диапазона с положительным ТKС характеризуется температурой TRmin. Величина сопротивления позистора при этой температуре обозначается Rmin. Это наименьшее сопротивление позистора при минимальной мощности.

Опорное сопротивление RREF при опорной температуре TREF

Начало области резкого увеличения сопротивления обозначается температурой TREF. Этой температуре приблизительно соответствует ферроэлектрическая точка Кюри. Для позисторов RREF вычисляется по формуле:

RREF = 2 Rmin.

Сопротивление RPTC при температуре TPTC

Эта величина характеризует типовое сопротивление позистора в области резкого изменения характеристики: RPTC = f(TPTC). Для конкретных типов позисторов это минимальная величина.

Температурный коэффициент сопротивления α

Температурный коэффициент сопротивления (ТKС) или α характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус. α – отношение первой производной сопротивления термистора по температуре к его сопротивлению при заданной температуре:

a = R1 × ddTln R = ln10 × ddTlg R .

В области резкого увеличения сопротивления между RREF и RPTC ТKС приблизительно постоянен. Тогда выполняется следующее соотношение:

RREF £ R1, R2 £ RPTC ® a = ln(R2R1) .

В пределах этого температурного диапазона выполняется обратная зависимость:

R2 = R1×e[a×(T 2-T1)] .

Температурный коэффициент α можно использовать для практического применения только в области резкого увеличения сопротивления, когда выполняется экспоненциальная зависимость.

45

Номинальная пороговая температура

Для некоторых типов позисторов вводятся величины TNAT и RNAT вместо TREF и RREF. Температура, относящаяся к участку с резким увеличением значения сопротивления, обозначается как номинальная пороговая температура TNAT.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫЕ ПОЗИСТОРЫ

Если через позистор протекает ток, то прибор разогревается вследствие рассеяния мощности. Эффект саморазогрева зависит не только от приложенной нагрузки, но и от коэффициента рассеяния позистора δ и его геометрических размеров. Эффект саморазогрева позистора в результате электрической нагрузки можно описать аналогичной зависимостью для термисторов.

Температура поверхности TSURF

TSURF – температура, которой достигает поверхность позистора при работе его при оговоренном напряжении в состоянии теплового равновесия с окружающей средой за длительный период времени. Обычно эта величина указывается для температуры окружающей среды 25 °С.

Вольт-амперные характеристики

Свойства электрически нагруженного позистора лучше описываются вольт-амперными характеристиками, нежели R/T-характеристиками. Ниже приводятся зависимости тока от напряжения в состоянии теплового равновесия при температуре 25 °С в спокойном воздухе, если не указано другой температуры.

Рис 2.10. ВАХ позистора:

IK – ток ограничения при напряжении VK; IR – ток насыщения при напряжении Vmax; Vmax – максимальное рабочее напряжение; VN – номинальное напряжение (VN < Vmax); VC – напряжение пробоя (VC > Vmax)

46

Ток ограничения IK

Ток ограничения IK – ток, протекающий через позистор при приложенном напряжении VK, при этом приложенная мощность достаточно высока, так что достигается температура выше опорной температуры TREF.

Номинальный ток IN и ток переключения IS

Допуск на механические и электрические компоненты зависит от допусков на ток ограничения. Зная граничные допуски, можно подобрать соответствующий позистор. На практике необходимо знать не только гарантированный ток ограничения, но и ток, при котором позистор находится в режиме малого сопротивления, и ток, при котором позистор переходит в режим высокого сопротивления.

Номинальный ток IN – при токах ≤ IN позистор находится в режиме малого сопротивления.

Ток переключения IS – при токах ≥ IS позистор находится в режиме высокого сопротивления.

Обычно эти токи приводятся для температуры окружающей среды 25 °С.

Ток насыщения IR

Ток насыщения IR – это ток через позистор при рабочем напряжении Vmax и тепловом равновесии (установившийся режим).

Импульсная прочность VP

Импульсная прочность VP определяется на основе приложения стандартных импульсов напряжения по стандарту IEC 60-2, VDE 0433 при времени нарастания импульса 8 мкс и времени полуспада импульса 20 мкс.

Постоянная времени охлаждения tС

Постоянная времени охлаждения tС равна времени, в течение которого температура электрически ненагруженного позистора изменится на 63,2 % от разности температуры позистора и температуры окружающей среды.

Постоянная времени tА

Постоянная времени tА равна времени, в течение которого температура электрически ненагруженного термистора изменится от начальной температуры (25 °C) до опорной температуры TREF или номинальной температуры TNAT при внешнем разогреве.

Время отклика tR

Время отклика tR – время, за которое позистор достигнет заданного состояния при изменении приложенной мощности.

47

Время установления tE

Время установления tE – время, за которое позистор достигнет рабочего состояния после приложения напряжения (только для датчиков уровня).

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЗИСТОРОВ

Позисторы различаются: 1. По функциям:

а) позисторы прямого разогрева – мощные приборы, тепло выделяется на самом позисторе; применяются там, где электрическое сопротивление определяется током, текущим через позистор;

б) позисторы косвенного подогрева – температурные датчики, разогрев осуществляется извне; применяются, когда сопротивление позистора определяется температурой окружающей среды.

2. По применению – табл. 2.1.

					Таблица 2.1
		Применение позисторов
	Мощные позисторы			Датчики
		Защита от коротких	Датчики		Тепловая защита
	Предохранители	замыканий
					Измерение
			температуры
		и ограничение тока			и контроль
		Пуск моторов	Пороговые датчики		Защита моторов
	Импульсные схемы
		Размагничивание			Защита
			температуры
		Временные задержки			от перегрева
		Маломощные
	Нагреватели	нагреватели
		Темостаты
	Датчики уровня	Пороговые индикаторы

2.3. Магниторезисторы

Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на явлении изменения электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля. Эти компоненты ранее выпускали только зарубежные фирмы, такие как Matsushita, Hitachi, Panasonic (Япония), Robert Bosch, Siemens (Германия), RTC (Франция), Samsung (Южная Корея) и др.

Магниторезисторы находят широкое применение в качестве чувствительных элементов магнитных датчиков электрического тока и напря-

48

жения, скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре и устройствах считывания информации ЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре, системах автоматического управления, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированных игрушках и др.

Основные преимущества магниторезисторов по сравнению с другими преобразователями физических величин – это простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля. Кроме того, магниторезисторам свойственны высокие быстродействие, чувствительность и надежность, малые энергопотребление и габариты, а также небольшая стоимость.

В настоящее время отечественные и зарубежные производители выпускают много типов магниторезисторов, отличающихся конструкцией и технологией изготовления магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно широка гамма зарубежных магниторезисторов.

Явление изменения электрического сопротивления полупроводникового материала при воздействии на него магнитного поля обнаружено известным английским физиком Томсоном еще в 1858 году. В дальнейшем оно получило наименование эффекта Гаусса, но практически применять его начали только во второй половине XX-го столетия.

Механизм изменения сопротивления очень сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа составляющих, к тому же он различен для разных типов приборов, разной технологии и разных материалов. В общем виде магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (рис. 2.11, а). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке изоляционным лаком и защищен снаружи слоем лака. Для увеличения сопротивления магниторезистора элемент выполняют в форме меандра (см. рис. 2.11, б, в). На рис. 2.11, г схематически показано устройство матниторезистивного моста. Элементы, изображенные на рис. 2.11, в – г, предназначены для работы в устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции.

49

Рис. 2.11. Конструкции магниторезисторов

Наиболее широкое распространение сейчас получили две структурные разновидности магниторезисторов – монолитные и пленочные.

Монолитные изготавливают из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относят антимонид индия (InSb) и его соединения, арсенид индия (InAs) и некоторые другие. Технология изготовления магниторезисторов также сложна и требует использования высокоточного современного оборудования. Для монолитных приборов она в общем случае представляет собой ряд операций по механической и химико-механической обработке – шлифование, полирование, травление, химическое полирование и т.д. – с целью получения из исходной заготовки толщиной 500...650 мкм изделия толщиной 10 мкм.

Для формирования «рисунка» магниточувствительного элемента широкое распространение получил метод электроэрозионной резки, а в более современных процессах – метод фотолитографии. Внешние выводы к элементу присоединяют микропайкой.

Сопротивление прибора зависит как от значения магнитной индукции воздействующего поля (рис. 2.12, а), так и от угла между вектором индукции и плоскостью элемента (см. рис. 2.12, б). Монолитные магниторезисторы увеличивают свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля.

Основные параметры некоторых типов отечественных магниторезисторов с монолитным элементом приведены в табл. 2.2.

50