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 (Т_доп), сопротивление термистора скачком уменьшается и ток в цепи достигает величины тока срабатывания реле (I_ср) (рис. 5.4).