Характеристики рассеяния. В установившемся режиме нагрева ПТР протекающим через него током вся мощность, выделяемая в рабочем теле ПТР

В установившемся режиме нагрева ПТР протекающим через него током вся мощность, выделяемая в рабочем теле ПТР, рассеивается в окружающую среду. Это условие можно записать в виде уравнения энергетического баланса для установившегося режима.

JU=bQ (3.2.6)

где b – коэффициент рассеяния, учитывающий все виды распространения тепла от рабочего тела ПТР (тепловое излучение, конвекцию и теплопроводность);

Q – температура перегрева, т.е. разность между температурой рабочего тела в данном установившемся режиме Т_к и температурой окружающей среды Т₀.

Величина коэффициента рассеяния b зависит от материала, размеров, состояния поверхности рабочего тела ПТР и токоподводящих частей, а также свойств окружающей среды (состава, скорости перемещения и т.д.). Входящий в уравнение (3.2.6) коэффициент рассеяния является функцией температуры перегрева.

Зависимость

b=f(Q) (3.2.7)

называется характеристикой рассеяния.

Чтобы построить характеристику рассеяния, достаточно иметь ВАХ конкретного типа ПТР, снятую при какой-либо постоянной температуре среды (Т₀) и его температурную характеристику.

На ВАХ выбирают ряд точек, в каждой из которых подсчитывают статическое сопротивление. Затем по температурной характеристике находят температуру ПТР, соответствующую каждой из выбранных точек ВАХ, и вычитая из нее температуру среды (Т₀), определяют температуру перегрева b. Величина b подсчитывается по выражению (3.2.6).

5.2.5 Подогревные терморезисторы

Кроме полупроводниковых терморезисторов непосредственного нагрева существуют ПТР, сопротивление рабочего тела которых управляется током подогрева, который пропускается через специальный подогреватель, расположенный вблизи рабочего тела. Такие ПТР называют подогревные или ПТР косвенного подогрева.

Конструктивное выполнение подогревных ПТР может быть различным. Часто подогреватель выполняется в виде обмотки, помещенной на трубку из изоляционного материала, внутри которой располагается рабочее тело ПТР. В других случаях само рабочее тело выполняется в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Общим для всех конструкций является наличие у них двух электрических изолированных друг от друга цепей – управляющей и управляемой.

Пропускание тока через цепь подогрева оказывает на рабочее тело ПТР такое же действие, как и увеличение температуры окружающей среды. Можно получить характеристику, которая позволит заменить при расчете цепей с таким ПТР действие тока в цепи подогрева эквивалентным ему приращением температуры среды. Для получения такой характеристики достаточно иметь зависимость сопротивления рабочего тела ПТР от токов в цепи подогрева эквивалентным ему приращением температуры среды. Для получения такой характеристики достаточно иметь зависимость сопротивления рабочего тела ПТР от токов в цепи подогрева R=f(J_под), полученную при неизменной температуре среды Т₀, и температурную характеристику данного ПТР (рис.2).

Задаваясь значениями тока в цепи подогрева, можно определить по кривой R=f(J_под), значение сопротивления рабочего тела ПТР, а по температурной характеристике - соответствующее им значение температуры, т.е. построить кривую Т=f1(J_под), Если теперь переместить ось абсцисс вверх на величину температуры среды, то в новых координатах данная кривая изображает искомую зависимость Q_под=f2(J_под), где Q_под=Т–Т₀. Эта зависимость называется подогревной характеристикой.

Рис. 2 Подогревная характеристика ПТР

Вид подогревной характеристики зависит от ряда параметров ПТР (сопротивление обмотки подогрева, теплоемкость рабочего тела, условия теплопередачи между рабочим телом и подогревателем и т.д.), которые значительно отличаются у отдельных экземпляров ПТР одного типа.

В реальных конструкциях подогревных ПТР тепло, выделенное в нагревателе не может быть полностью воспринято рабочим телом ПТР – часть его неизбежно теряется, Для оценки конструкции подогревного ПТР пользуются коэффициентом тепловой связи между полупроводником и нагревателем. Коэффициент тепловой связи определяется как отношение мощности Р_т, необходимой дли разогрева рабочего тела ПТР до некоторой температуры при прямом нагреве, к мощности Р_п, необходимой для разогрева до той же температуры при косвенном нагреве, т.е. пропусканием тока через нагреватель:

К= Р_т / Р_п (3.2.8)

Для выпускаемых серийно подогревных ПТР коэффициент тепловой связи колеблется от 0,5 до 0,97.

Следовательно расчет ВАХ подогревного ПТР при любом сочетании температуры среды и тока в цепи подогрева сводится к расчету ВАХ ПТР непосредственного нагрева. При этом ток заменяется эквивалентным ему приращением температуры Q_под и расчёт ведётся на новую условную температуру среды:

Т_оу=Т_о+Q_под (3.2.9)

5.2.6 Основные параметры терморезисторов

Полупроводниковые терморезисторы характеризуются следующими параметрами.

Допустимая температура Т_доп. Т_доп определяется в основном материалом рабочего тела ПТР, свойства которого должны сохраняться при температурах, не превышающих допустимого значения. Иногда величина допустимой температуры устанавливается в зависимости от температуры плавления припоя, которым рабочее тело соединено с токоподводами.

Максимально допустимый ток – ток, при протекании которого через ПТР температура последнего равна максимально допустимой. Величина допустимого тока зависит от температуры среды и характера последней.

Температурный коэффициент сопротивления – a. Выражает в процентах изменение относительной величины сопротивления при изменении температуры на 1⁰.

Вследствие нелинейности температурной характеристики значение температурного коэффициента зависит от величины температуры, поэтому его записывают обычно с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место, данное значение. Вычисляют температурный коэффициент по формуле, вытекающей из его определения и выражения температурной характеристики

(3.2.10)

Температурный коэффициент для различных типов терморезисторов отрицательный и достигает 6 % на 1⁰.

Тепловая постоянная времени – τ –время, в течении которого температура рабочего тела при его свободном охлаждении понижается на 63% от первоначальной разности температур рабочего тела и окружающей среды (рис. 3).

Рис. 3 Постоянная времени терморезистора

Теплоемкость h – количество тепла, которое надо сообщить ПТР чтобы повысить температуру рабочего тела на 1⁰. Величина теплоемкости является функцией температуры. Однако, при температурах, не превышающих допустимой для ПТР, можно принять ее постоянной и вычислять, пользуясь вытекающим из дифференциального уравнения свободного охлаждения тела выражением тепловой постоянной времени:

t=h/B (3.2.11)

Значение коэффициента b при этом берется среднее.

Коэффициент энергетической чувствительности m характеризует чувствительность относительного изменения сопротивления, обусловленного изменением рассеиваемой мощности на 1 Вт в %:

(3.2.12)

Поскольку R и Р_T зависят от температуры, можно записать

(3.2.13)

где b_g – динамический коэффициент рассеивания мощности,

При рассмотрении динамических свойств и колебательных процессов в цепях с терморезисторами часто используется динамический множитель Д, связанный с коэффициентом m соотношением:

Д=mP_T (3.2.14)

Электрическая постоянная времени – t_e характеризует скорость изменения тока к напряжения в процессе их установления. Электрическая постоянная времени t_e связана с тепловой постоянной времени t и динамическим множителем Дсоотношением:

t_e =t /(1+Д) (3.2.15)