Терморезистори

Форма, габарити і конструктивні особливості сучасних терморезисторів дуже різноманітні: їх виконують у вигляді дисків (мал. 5.1, а), мініатюрних намистинок (мал. 5.1, б), плоских прямокутників (мал. 5.1, б) та ін.

Залежно від типу використовуваного напівпровідникового матеріалу і габаритів чутливого елементу початковий опір терморезисторів складає від декількох ом до десятків мегом.

На мал. 5.2 зображений простий електричний ланцюг, зщо стоїть з терморезистора RK і лінійного резистора R, величина якого не залежить від температури. Якщо до цього ланцюга прикласти напругу Е, в ній встановиться деякий струм /, величина якого визначається з рішення системи рівнянь :

де Uт - падіння напруги на терморезисторі в сталому режимі.

Залежність Uт - f (І) є вольтамперною характеристикою терморезистора (мал. 5.3) з трьома основними ділянками: OA, АВ і ВС. На початковій ділянці OA характеристика лінійна, оскільки при малих струмах потужність, що виділяється у терморезисторі, мала і практично не впливає на його температуру.

На ділянці А В лінійної характеристики порушується. З ростом струму температура терморезистора підвищується, а його опір зменшується. При подальшому збільшенні струму на ділянці ВС зменшення опору виявляється таким значним, що ріст струму веде до зменшення напруги на терморезисторі. У кінці ділянки ВС вольтамперна характеристика усе більш наближається до горизонтальної лінії паралельної осі абсцис. Це і дозволяє використовувати деякі типи терморезисторів для стабілізації напруги.

Характерним для ланцюга, що містить терморезистор RK і лінійний резистор R, являється різке, стрибкоподібне наростання або убування струму, викликане зміною опору терморезистора. Це явище дістало назву релейного ефекту. Релейний ефект може статися в результаті зміни температури довкілля або величини прикладеної до ланцюга напруги.

На мал. 5.4, а показано виникнення релейного ефекту при зміні навколишньої температури.

Вольтамперна характеристика І терморезистора відповідає температурі довкілля Т1 характеристика II - температурі Т2, III - зображує залежність UT = Е - IR. При температурі Т1 струм в ланцюзі І1, визначається абсцисою точки вольтамперної характеристики терморезистора і характеристики III. При підвищенні навколишньої температури від T до Т2 вольтамперна характеристика терморезистора опускається. При цьому струм спочатку зростає плавно до значення І2 в точці 2, яка відповідає нестійкому стану схеми, і далі (при невеликому підвищенні температури) стрибком зростає до І3 в точці 3, де стійко зберігає своє значення при постійності температури. Це явище називається прямим релейним ефектом.

Зменшення температури призводить до плавного зменшення струму до значення І4в точці 4 і далі - до стрибкоподібного зменшення струму до І1 (точка 1). Це явище називається зворотним релейним ефектом.

На мал. 5.4, би показано виникнення релейного ефекту при зміні прикладеної напруги.

При напрузі джерела E1 режим роботи ланцюга визначається точкою 1. При збільшенні напруги до Е2 робоча точка переходить в положення 2. Тепер досить невеликого збільшення напруги, щоб робоча точка стрибком перемістилася в положення 3, що відповідає різкому збільшенню струму від І2 до І3.

Релейний ефект використовується в різноманітних схемах теплового захисту, температурної сигналізації, автоматичного регулювання температури і т. д.

Окрім вольтамперної характеристики, найважливішою характеристикою терморезистора є залежність його опору від температури. Типова температурна характеристика R = = (Т) терморезистора з негативним температурним коефіцієнтом приведена на мал. 5.5.

Найважливішими параметрами терморезисторів є:

Номінальний (холодний) опір - опір робочого тіла терморезистора при температурі довкілля 20 °С, Ом.

Температурний коефіцієнт опору , що виражає у відсотках зміну абсолютної величини опору робочого тіла терморезистора при зміні температури на 1 °С. Звичайне значення приводиться для температури 20 °С. Значення для будь-якої температури в діапазоні 20-150 °З визначається із співвідношення

де В = - коефіцієнт температурної чутливості, залежний від фізичних властивостей матеріалу, К;

Т1 - початкова температура робочого тіла; Т2- кінцева температура робочого тіла, для якої визначається значення Rт1, і Rт2, - опори робочого тіла терморезистора при температурах відповідно до Т і Т2.

Найбільша потужність розсіювання - потужність, при якій терморезистор, що знаходиться при температурі 20 °С, розігрівається протікаючим струмом до максимальної робочої температури.

Максимальна робоча температура - температура, при якої характеристики терморезистора залишаються стабільними тривалий час (впродовж зазначеного терміну служби).

Постійна часу - час, впродовж якого температура терморезистора стає рівною 63 °З при перенесенні його з повітряного середовища з температурою 0°З в повітряне середовище з температурою 100 °З, с. Таким чином, параметр характеризує теплову інерцію терморезистора.

Постійна часу є відношенням теплоємності С до коефіцієнта розсіювання b

Теплоємність C - кількість тепла, яке необхідно повідомити терморезистору, щоб підвищити температуру робочого тіла на 1 °C, Дж/°С.

Коефіцієнт розсіювання b - потужність, що розсіюється терморезистором при різниці температур робочого тіла і довкілля в 1 °C, Вт/град.

Терморезистори з негативним температурним коефіцієнтом використовуються для виміру і регулювання температури, термокомпенсації різних елементів електричному ланцюгу, працюючих в широкому інтервалі температур, виміру потужності високочастотних коливань і індикації променистої енергії, стабілізації напруги в ланцюгах постійного і змінного струмів, в якості регульованих безконтактних резисторів і т. п.

Терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом (позистори) виготовляються на основі титанату барії, легованої спеціальними домішками, які в певному інтервалі температур збільшують свій питомий опір на декілька порядків. Існуюча технологія дозволяє виготовляти позистори з позитивним ат, що становить 0,15-0,2 (1/°С). По своєму конструктивному оформленню позистори аналогічні терморезисторам типу (мал. 5.1, а) пігулки. Вони мають діаметр близько 5 мм і висота 1,5 мм. Дротяні виводи припаяні до торцевих поверхонь пігулки. Від атмосферних дій позистор захищений шаром електроізоляційної емалі.

Принцип роботи позистора ілюструє схема, приведена на мал. 5.6. У цій схемі позистор RK, включений послідовно з опором навантаження , використовується в якості обмежувача струму. Коли опір навантаження падає нижче певного значення, в ланцюзі збільшується струм і зростає температура позистора. Опір позистора при цьому зростає, що обмежує струм в ланцюзі навантаження.

5.2. Фоторезистори

Фоторезистори виготовляються на основі сульфіду кадмію, селеніду кадмію, сірчистого свинцю, а також полікристалічних шарів сірчистого і селенистого кадмію. Конструкції фоторезисторів різноманітні. Світлочутливі елементи зазвичай поміщаються в пластмасовий або металевий корпус, а в окремих випадках

коли потрібно малі габарити, випускаються без корпусу.

Приклади конструктивного оформлення деяких типів фоторезисторів показані на мал. 5.7.

Фоторезистор включається в ланцюг послідовно з джерелом напруги і опором навантаження (мал. 5.8).

Якщо фоторезистор знаходиться в темряві, то через нього тече темновий струм

(5.5)

де Е - э. д. с. джерела живлення; - величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темновим опором; - опір навантаження.

При освітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-діркових пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм

(5.6)

Різницю між світловим і темновим струмом дає значення струму , первинного фотоструму провідності, що дістав назву

(5.7)

Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційний і змінюється прямо пропорціонально величині променистого потоку, що падає на фоторезистор. У міру зростання величини променистого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини, електрони зіштовхуються

з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що дістав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. В результаті цієї зміни фотоструму запізнюються в часі відносно змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.

Основними характеристиками фоторезисторів є:

Вольт-амперна, характеризуюча залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темпового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (мал. 5.9, а).

Світлова (люкс-амперная), характеризуюча залежність фотоструму від світлового потоку постійного спектрального складу, що падає. Напівпровідникові фоторезистори мають Нелінійну люкс-амперную характеристику (мал. 5.9, б). Найбільша чутливість виходить при малих освітленнях. Це дозволяє використовувати фоторезистори для виміру дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм росте приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахил люкс-амперної характеристики залежить від прикладеної до фоторезистора напруги.

Спектральна, характеризуюча чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елементу. Сірчано-кадмієві фоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру, селенисто-кадмієві - в червоній, а сірчисто-свинцеві - в інфрачервоній (мал. 5.9, в).

Частотна, характеризуюча чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції світлового потоку, що падає на них, - із збільшенням частоти світлового потоку фотострум зменшується (мал. 5.9, г). Інерційність обмежує можливості застосування фоторезисторів при роботі із змінними світловими потоками високої частоти.

Основні параметри фоторезисторів :

Робоча напруга - постійна напруга, прикладена до фоторезистора, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Максимально допустима напруга фоторезистора - максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистора, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує вказаних меж при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Темновий опір - опір фоторезистора у відсутність випромінювання, що падає на нього, в діапазоні його спектральної чутливості.

Світловий опір - опір фоторезистора, виміряний через певний інтервал часу після початку дії випромінювання, що створює на нім освітленість заданого значення.

Кратність зміни опору - відношення темнового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору).

Допустима потужність розсіяння - потужність, при якій не настає безповоротних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації.

Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового струму і фотоструму.

Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при вказаній напрузі на нім, обумовлений тільки дією потоку випромінювання із заданим спектральним розподілом.

Питома чутливість - відношення фотоструму до добутку величини світлового потоку, що падає на фоторезистор, на прикладену до нього напругу, мкА/(лм В)

(5.8)

де - фотострум, рівний різниці струмів, що протікають по фоторезистору в темряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА; Ф - світловий потік, що падає, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистора, В.

Інтегральна чутливість - твір питомої чутливості на граничну робочу напругу .

Постійна часу - час, впродовж якого фотострум змінюється на 63 %, т. е. у е разів (е 2,718).

Постійна часу характеризує інерційність приладу.

Останніми роками фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною допустимою потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в оптоелектроніці (параграф 10.1).

5.3. Варистори

Варистори є напівпровідниковими резисторами із струмопровідним елементом, виконаним з карбіду кремнію і керамічного єднального матеріалу. Зовнішній вигляд варисторів стержневого і дискового типів показаний на мал. 5.10, а. Деякі напівпровідникові варистори призначені для застосування в мікросхемах. Конструктивне оформлення мікромодульного варистора показане на мал. 5.10, б.

Схема включення варистора приведена на мал. 5.11, а. Із збільшенням прикладеної напруги опір варистора зменшується, а струм, що протікає в ланцюзі, наростає. Основною особливістю варистора є нелінійність його вольт-амперної характеристики (мал. 5.11, б), яка пояснюється явищами, провитікаючими на контактах і на поверхні кристалів карбіду кремнію.

При підвищенні напруги, прикладеної до варистору, візрозтане напруженість електричного поля між окремими кристалами. Це супроводжується електростатичною емісією з гострих зубців і граней кристалів карбіду кремнію. Одночасно відбувається пробій оксидних плівок, що утворюються на поверхні кристалів, а також мікронагрів контактних точок між кристалами. Усе це призводить до підвищення провідності варистора, причому полярність прикладеної напруги істотного значення не має - нелінійний ріст струму через прилад спостерігається при підвищенні напруги будь-якої полярності. Оскільки вольт-амперна характеристика симетрична, варистор

може бути використаний в ланцюгах і постійного, і змінного струму.

Основні параметри варисторів :

Статичний опір - значення опору варистора при постійних величинах струму і напруги

Динамічний опір - опір варистора змінному струму

Динамічний опір в цій точці вольт-амперної характеристики може бути визначений по тангенсу кута нахилу дотичної до вольт-амперної характеристики.

Коефіцієнт нелінійності - відношення статичного опору у вибраній точці вольт-амперної характеристики до динамічного опору в цій же точці

Величина позитивна. Для варисторів, що випускаються нині, вона має значення близько 2…6 залежно від типу і номінальної напруги варистора.

Показник нелінійності - величина, зворотна коефіцієнту нелінійності

(5.10)

У широкому діапазоні напруги і струмів вираження для вольт-амперної характеристики варистора може бути представлене у виді

; (5.11)

де А і В - постійні коефіцієнти, пов'язані між собою співвідношенням

Щоб визначити показник або коефіцієнт нелінійності, досить знайти струми і , протікаючі через варистор при значеннях напруги і . Тоді

Класифікаційна напруга - напруга на варисторі при цьому значенні струму.

Класифікаційну напругу стержневих варисторів зазвичай визначають при струмі 10 мА. У дискових варисторів класифікаційну напругу визначають при струмах 2…3мА.

Класифікаційна напруга не є робочою експлуатаційною напругою варистора, яку вибирають виходячи з допустимої потужності розсіювання варистора і значення допустимої амплітуди напруги.

Допустима амплітуда імпульсної напруги зазвичай вказується в технічних умовах на варистор.

Класифікаційний струм - струм, при якому визначають класифікаційну напругу варистора.

Температурний коефіцієнт струму - характеризує зміну (підвищення) електропровідності варистора з ростом температури

(5.15)

де - струм при температурі рівної 20 ± 2 °С; - струм при температурі , рівною зазвичай 100 ± 2 °С.

Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій варистор зберігає свої параметри в заданих технічними умовами межах впродовж терміну служби.

Сучасні варистори використовуються в різноманітних електронних схемах: для захисту приладів і елементів схем від перінапруги; стабілізації напруги і струму; регулювання і перетворення електричних сигналів.