5. Полупроводниковые датчики
5.1. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы)
Принцип
действия термистора основан на свойствах
полупроводника изменять свое сопротивление
при изменении температуры. Как было
показано в лекции № 3, удельная
электропроводность собственного
полупроводника
.
Учитывая, что концентрация носителей
в собственном полупроводнике
,
можно записать
,
(5.1)
где
– удельная электропроводность при
температуре, равной бесконечности.
Подставляя в (5.1) значение т, получим
или
,
где
– температурная постоянная.
Переходя
от удельной электропроводности к
сопротивлению и учитывая, что
,
а
,
получим
,
(5.2)
где
– условное сопротивление при Т
= .
Следует помнить, что и В можно считать постоянными только в небольшом диапазоне изменения температур.
Исходя
из полученной формулы (5.2), температурная
характеристика термистора представлена
на рис. 5.1. Достоинством термистора, по
сравнению с медным термометром
сопротивления, является его высокая
чувствительность. Так, при изменении
температуры от 20 С
до 100 С
сопротивление термистора изменяется
в 30–40 раз (у медного термометра
сопротивления на 30 %). К недостаткам
следует отнести нелинейность температурной
характеристики, однако, в небольшом
диапазоне изменения температур, эта
погрешность будет невелика. Достоинством
термистора является и то, что его размеры
несравнимо меньше, чем у медного
термометра сопротивления, что позволяет
размещать этот датчик внутри механизма
непосредственно в зоне, где требуется
измерять температуру. Вольтамперная
характеристика термистора имеет два
участка (рис. 5.2). Участок I близок к
л
инейному
закону и на этом участке работают датчики
температуры. Участок II не подчиняется
линейному закону и это связано с
саморазогревом термистора собственным
током. На этом участке возможно три вида
характеристик в зависимости от соотношения
изменения тока и сопротивления
.
Действительно, пусть при увеличении
тока на I,
сопротивление за счет разогрева от
этого тока уменьшается на величину –
R.
Тогда падение напряжения на термисторе
можно найти так:
.
Пренебрегая
величиной второго порядка малости
,
получим
,
где
– ток в любой точке на участке II;
– сопротивление термистора в этой же
точке на участке II.
Относительное изменение напряжения будет равно
.
При
равенстве модулей
и
напряжение будет оставаться постоянным
(ВАХ 2), если
>
напряжение растет (ВАХ 3) и при
<
напряжение уменьшается (ВАХ 1). Вольтамперные
характеристики на участке II используются
в стабилизаторах (ВАХ 2) и в схемах
термореле (ВАХ 1). Термореле позволяет
фиксировать заданный уровень температуры
(аварийные защиты от перегрева, отключение
ТЭНов при разогреве окружающей среды
до заданной температуры и т.д.). Схема
включения термистора в этом случае
представлена на рис. 5.3. Пока температуры
меньше допустимой, сопротивление
термистора высокое и ток в цепи (I1)
меньше, чем ток срабатывания реле. Как
только температура достигает допустимой
величины (Тдоп),
сопротивление термистора скачком
уменьшается и ток в цепи достигает
величины тока срабатывания реле (Iср)
(рис. 5.4).
