Терморезисторы-термисторы

Тема №6 Нелинейные полупроводниковые приборы.

· 6.1. Общие сведения.

· 6.2. Терморезисторы-термисторы.

· 6.3.Позисторы.

· 6.4. Болометры.

· 6.5. Варисторы.

· 6.6. Применение нелинейных полупроводниковых приборов на ж.д. транспорте.

Общие сведения.

Нелинейные полупроводниковые приборы (Н.П.П.) представляют обширный класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять своё сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

К наиболее распространенным Н.П.П. относятся: терморезисторы (термисторы), позисторы, болометры, варисторы.

Основные параметры Н.П.П.: номинальное сопротивление; температурный коэффициент сопротивлений, наибольшая мощность рассеивания, максимальная рабочая температура; постоянная времени; теплоёмкость; коэффициент рассеивания.

Область применения Н.П.П.: измерение и регулирование температуры; термокомпенсация элементов в энергетических схемах; стабилизация напряжения; измерение мощности СВЧ колебаний; индикация лучистой энергии; ограничение и стабилизация тока; защита элементов схем от перенагрева; бесконтактное и дистанционное измерение температуры; приемники лучистой энергии в спектроскопии, аппаратуре пеленгации; стабилизация высоковольтных источников питания; стабилизация тока; в системах авторегинировании.

 

Терморезисторы-термисторы.

Полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется при изменении его температуры, называют терморезистором. В полупроводниковой структуре термистора с увеличением температуры возрастает термогенерация носителей заряда и ее электрическое сопротивление резко уменьшается.

В зависимости от способа управления температурой полупроводникового элемента термисторы подразделяют на три группы: приборы, реагирующие на изменение температуры окружающей среды (термисторы с внешним подогревом); приборы, нагреваемые проходящим через них током (термисторы прямого подогрева) и приборы с внутренним подогревом от изолированного подогревателя (термисторы косвенного подогрева).

Полупроводниковые элементы термисторов имеют форму столбиков, нитей, дисков и шайб из спрессованных порошкообразных полупроводниковых материалов—окислов СиО, Мn₃0₄, Со₃0₄, NiO и других с высокими температурными коэффициентами. Иногда полупроводниковый элемент помещают в вакуумный стеклянный баллон, это уменьшает старение и повышает стабильность параметров и характеристик термисторов (табл. 12.1).

Термистор косвенного подогрева представляет собой две электрические цепи —управляющую цепь подогревателя и управляемую цепь терморезисторного элемента, расположенные в одном баллоне.

Свойства термисторов с внешним подогревом характеризует зависимость сопротивления прибора R_T от температуры окружающей среды Т (см. табл. 12.1).

Она определяется в рабочем диапазоне температур экспоненциальной функцией

R_T =R_∞,ехр (В/Т),

Где R_∞ — условное сопротивление термистора при Т =∞;

В — температурный коэффициент, равный 700—15000 К в зависимости от типа термистора;

Т — температура, К

Свойства термисторов прямого накала оценивают вольт-амперной характеристикой U(I), которая отражает нагрев термистора проходящим током (см.табл. 12.1). Начальная область характеристики близка к линейной, так как при малых токах в термисторе выделяется небольшая мощность, его температура и сопротивление почти постоянны. С ростом тока температура прибора возрастает и сопротивление уменьшается, поэтому характеристика отклоняется вправо. При некотором значении тока I_m относительное увеличение тока становится равным относительному понижению сопротивления, в результате напряжение на термисторе, достигнув максимального значения U_m, остается постоянным.

При дальнейшем росте тока его увеличение отстает от скорости снижения сопротивления термистора, поэтому напряжение на приборе уменьшается, его дифференциальное сопротивление становится отрицательным [ ()<0 ]. Резкое снижение напряжения термистора на этом участке вольт-амперной характеристики используют в схемах тепловой защиты, температурной стабилизации и автоматического регулирования температуры. Увеличение температуры внешней среды вызывает дополнительный нагрев термистора прямого накала и уменьшение его сопротивления, при этом его вольт-амперная характеристика смещается вниз.

К параметрам терморезисторов относят: номинальное сопротивление R_T, измеряемое при температуре 20° С. Оно составляет от нескольких ом до сотен тысяч ом в зависимости от типа термистора; температурный коэффициент сопротивления(ТКС), определяющий относительное изменение сопротивления при изменении температуры окружающей среды на 1°С, 1/°С;

Из уравнения, дифференцируя, получим:

ТКС = —В/Т².

Отсюда следует, что ТКС терморезисторов — величина отрицательная и изменяется в пределах от — 0,008 до— 0,06/°С.

Коэффициент рассеяния мощности H определяет мощность, рассеиваемую терморезистором при разности температур между ним и окружающей средой, равной 1°С, Вт/°С:

H=

Постоянная времени характеризует тепловую инерционность прибора:

Τ=C_t/H

Где C_t = -теплоёмкость, определяющая энергию, необходимую для нагрева терморезистора на 1°С, Вт/°С.

Значение τ составляет от 10 мс до 10 мин.

Предельные параметры термистора —максимальная рабочая температура T_max ДО которой прибор сохраняет свои характеристики в заданных пределах, и максимальная мощность P_max рассеиваемая термистором. Превышение этих параметров вызывает необратимые изменения в термисторе и выход его из строя.

Термисторам присущи значительный разброс параметров (± 20 %) и старение — изменение параметров в процессе эксплуатации и хранения, обусловленное сложными процессами на поверхности полупроводника и в его контактах с металлом. Эти недостатки следует учитывать при применении термисторов в схемах.

 

Позисторы.

Полупроводниковый резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления, называют позистором. При увеличении температуры в определенных пределах сопротивление позистора возрастает. Исходный материал позисторов — титанат бария, легированный примесями. Позисторы выполняют в форме таблеток 3 с проволочными выводами 2, от внешних воздействий их защищают слоем электроизоляционной эмали 1.

Температурная и вольт-амперная характеристики позистора приведены в табл. 12.1. Сопротивление позистора зависит от его температуры и от значения, приложенного к нему напряжения. Температурная зависимость сопротивления позистора имеет сложный и неоднозначный характер. В области низких температур сопротивление позистора несколько уменьшается с повышением температуры, в диапазоне рабочих температур (+50÷190⁰ С) повышение температуры сопровождается резким ростам сопротивления, при температурах более 200⁰сопротивление позистора вновь уменьшается.

Начальный участок вольт-амперной характеристики позистора соответствует снижению его сопротивления при работе с малой мощностью рассеивания. По мере увеличения напряжения и мощности
сопротивление позистора возрастает, а ток уменьшается. При параллельном соединении позистора с линейным резистором можно изменить вид характеристики (кривая 2, табл. 12.1). Такое включение используют для стабилизации тока.

Параметры позисторов аналогичны в основном параметрам терморезисторов. Температурный коэффициент сопротивления позисторов имеет большое значение 2-10/ ⁰С с кратностью изменения сопротивления от 5 до 80.

Позисторы широко применяют в регуляторах температуры, для ограничения и стабилизации тока, в схемах термокомпенсации, защиты приборов и устройств от перегрева и др. Так, в схеме указателя повышения температуры (см. табл. 12.1) рост напряжения на позисторе при его нагреве вызывает зажигание сигнальной неоновой лампы. В схеме простейшего ограничителя температуры (см. табл. 12.1) позистор, включенный последовательно с нагревательным элементом, расположен в рабочей камере. С увеличением температуры камеры возрастает сопротивление позистора, уменьшается ток нагревателя, и температура в камере снижается до заданного предела.

 

Болометры.

Высокочувствительный терморезистор реагирующий на воздействие Teплового излучения, называют Болометром.

Полупроводниковый элемент Болометра реализуют в виде тонкой пленки толщиной 10—20 мкм. нанося на стеклянную пластину смесь окислов никеля, ксбальта и марганца. Сопротивление элемента составляет 1—10 МОм. Для компенсации влияния изменений температуры окружающей среды полупроводниковый болометр собирают из двух идентичных терморезисториых элементов. Один элемент (активный) непосредственно подвергается облучению, другой (пассивный) закрыт светонепроницаемым экраном. Оба элемента включают в плечи мостовой схемы (см. табл. 12.1). В случае изменения температуры окружающей среды оба элемента одинаково изменяют
свое сопротивление и мост сохраняет равновесие. При облучении активного элемента равновесие моста нарушается и на выходе устройства возникает сигнал, передаваемый затем на усилитель.

Кроме общих для всех терморезисторов параметров, болометры имеют несколько дополнительных, к ним относят:

рабочее напряжение, в пределах 60-250 В;

чувствительность S_t на частоте измеряемого лучистого потока, S_t = U_c/ W (здесь U_c полезный сигнал на выходе
болометра; W — мощность теплового излучения. падающего на активный элемент; промышленные образцы болометров имеют чувствительность 30—300 В/Вт);

уровень собственных шумов, характеризующий порог чувствительности прибора минимальную мощность, которую способен зарегистрировать болометр (э. д. с. шумов достигает 0.25 мкВ).

Для повышения чувствительности болометра увеличивают интенсивность облучения активного элемента. При постоянном потоке излучения этого достигают, уменьшая площадь приемной части термоэлемента. С этой целью разработаны иммерсионные болометры, у которых активный терморезисторный элемент расположен в фокусе специальной иммерсионной линзы, концентрирующей измеряемое излучение. Посредством уменьшения приемной площади активного элемента иммерсионного болометра улучшают порог его чувствительности по сравнению с обычным прибором.

Полупроводниковые болометры — высокочувствительные индикаторы инфракрасного излучения, позволяющие регистрировать излучение мощностью до 10^-9 Вт при изменении температуры 10^-7— 10^{-6 0}С. Их широко применяют для дистанционного измерения температуры. На железнодорожном транспорте иммерсионные болометры используют в качестве приемников инфракрасного излучения для автоматического контроля за нагревом ответственных узлов подвижного состава (букс, шеек колесных пар и др.)

 

Варисторы.

Полупроводниковый резистор с симметричной нелинейной вольт-амперной характеристикой называют варистором. Он состоит из кристаллов карбида кремния, скрепленных связующим веществом. Электропроводность
такой структуры обусловлена несколькими процессами, основные из них —замыкание зазоров между кристаллами
карбида кремния, пробои оксидных поверхностных пленок на кристаллах, микронагрев контактирующих точек между кристаллами карбида кремния, ведущий к росту проводимости. При мелкозернистой структуре эти процессы не зависят от полярности приложенного напряжения.

При малом напряжении ток протекает через участки соприкосновения кристаллов. С увеличением напряжения возрастает ток через эти участки и замыкаются малые зазоры между кристаллами. Чем выше напряжение, тем с большими зазорами замыкаются кристаллы. В результате эффективное сечение, по которому протекает ток, возрастает, сопротивление уменьшается. Электропроводность порошкообразного карбида кремния зависит от размера кристаллов, количества примесей, температуры и давления.

Для изготовления варисторов используют также окислы цинка и других металлов. Оксидноцинковые варисторы
имеют свойства, выгодно отличающие их от карбидокремниевых. Варисторы выпускают в форме дисков (на боковые
поверхности которых нанесены металлические электроды) или цилиндров, армированных по торцам колпачками с проволочными выводами, стержней и шайб (см. табл. 12.1).

Обозначение варистора состоит из сокращенного наименования прибора СИ (сопротивление нелинейное) и нескольких цифр и буквы. Первая цифра означает материал (1 — карбид кремния, 2 —окись цинка); вторая цифра и буква —конструкцию (1 — стержневые, 2 — дисковые, А — со штуцером); третья цифра — габаритный размер токопроводящего элемента; далее указывается классификационное напряжение и величина его отклонения.

Вольт-амперная характеристика варистора (см. табл. 12.1) определяется зависимостью

 

I=BU^β

где β- коэффициент нелинейности, определяемый как отношение статического сопротивления варистора R к его дифференциальному сопротивлению R_i;

В — коэффициент, значение его зависит от типа варистора и от температуры.

К основным параметрам варистора относят номинальные ток и напряжение, допустимую амплитуду импульсного напряжения, рассеиваемую мощность, коэффициент нелинейности, статическое и дифференциальное сопротивления. Параметры и характеристики варистора значительно зависят от температуры, а так же от времени его хранения и эксплуатации. При повышении температуры проводимость варистора возрастает, т. е. его ТКС отрицателен и составляет от—0,3 до 0,5 %/⁰С. С понижением температуры ТКС увеличивается. Варисторы работают в диапазоне температур от—40 до -85° С.

Основное назначение варисторов —защита элементов электрических цепей oт перенапряжений, контактов реле—от разрушения. Варисторы также применяют в маломощных стабилизаторах напряжения, в схемах преобразователей частоты, для снижения нелинейных искажений, искрогашения и др. Реле, контакты которых защищены от перенапряжений (см. табл. 12.1), выдерживают значительно большее число срабатываний. В отличие от R— С-цепей варистор не запасает энергию, которая может вызвать разряд при случайном замыкании контактов конденсатора. Схема простейшего стабилизатора на варисторе приведена в табл. 12.1. Схемы такого типа
используют для стабилизации анодного напряжения кинескопов.