Вольт-амперная характеристика

Наиболее интересным и практически полезным свойством терморезистора с отрицательным ТКС является падение напряжения U на приборе при увеличении постоянного тока I, протекающего через прибор. На рис. 9 приведена статическая вольт-амперная характеристика бусинкового терморезистора, подвешенного в воздухе. Замеры тока и напряжения проводились через промежутки времени, достаточные для достижения стационарного состояния. При очень слабых токах мощность, рассеиваемая терморезистором, слишком мала и характеристика подчиняется закону Ома. С увеличением тока температура бусинки становится выше окружающей температуры за счет выделения тепла. Это увеличение температуры показано соответствующими цифрами на вольт-амперной характеристике.

При определенном значении тока напряжение достигает максимума и затем уменьшается при дальнейшем увеличении тока. Напряжение в максимуме характеристики или напряжение перегиба обычно обозначается U_max.

Поскольку токи и напряжения различных терморезисторов меняются в широких пределах, то вольт-амперные характеристики часто удобнее строить в двойном логарифмическом масштабе, на рис. 10 построена такая вольт-амперная характеристика по данным, заимствованным из рис. 9. В двойном логарифмическом масштабе линия с наклоном +45° соответствует линии постоянного сопротивления, а линия с наклоном -45° - линии постоянной мощности.

Максимальное напряжение. Для конкретного терморезистора прямого подогрева вольт-амперная характеристика и значение U_max могут смещаться при изменении мощности, рассеиваемой прибором в окружающую среду. Этого можно добиться изменением давления воздуха вокруг бусинки, изменением окружающей cpеды, а также изменением связи между прибором и средой (например, заставив воздух перемещаться вокруг бусинки). Все эти факторы изменяют теплопроводность терморезистора или его коэффициент рассеяния К.

Из рис. 11 видно, что U_max можно увеличить или уменьшить примерно в 3 раза, точнее, в раз за счет увеличения или уменьшения коэффициента рассеяния в 10 раз. Изменение температуры окружающей среды также изменяет форму ВАХ и положение Umax.

На рис. 12 показано, как напряжение плавно уменьшается с увеличением температуры окружающей среды.

Коэффициент рассеяния. Как уже говорилось, подведение мощности к терморезистору ведет к выделению тепла, сопровождающемуся изменением его сопротивления. При этом коэффициент рассеяния К можно определить как мощность, необходимую для увеличения температуры прибора на 1^оС относительно температуры окружающей среды. Если предположить естественное охлаждение, то стационарное равновесие между подводимой электрической мощностью и тепловой мощностью, рассеиваемой в материале терморезистора, можно выразить так:

(2.11)

где К не зависит от температуры Т, причем все части терморезистора находятся при одинаковой температуре Т.

Коэффициент рассеяния K существенно зависит от условий окружающей среды, способа монтажа терморезистора и теплопроводности проволочных выводов и корпуса. Эти условия должны быть четко оговорены, когда даются значения коэффициента рассеяния. Так как и условия охлаждения не всегда полностью естественные, и температура всех частей терморезистора неодинакова, то коэффициент К, строго говоря, не является постоянной величиной и несколько увеличивается с повышением температуры, при которой ведется измерение.

Если вследствие саморазогрева температура прибора сильно возрастает, то рассеиваемая мощность перестает быть линейной функцией ∆T (∆T = T - T_окр), и описывается эмпирической формулой:

(2.12)

где K"≈3∙10², это значение справедливо для режимов с большим перегревом.

Измеренные значения коэффициента рассеяния составляют 10 Вт/°С для бусинковых терморезисторов в вакууме, 5÷15 мВт/°С для дисковых и стержневых приборов и до 100 мВт/°С для дисков, смонтированных на пластине, прижатой к теплоотводу.

Сопротивление при нулевой мощности. Во всех предыдущих рассуждениях относительно сопротивления терморезисторов (за исключением случаев прямого подогрева) считалось, что температура терморезистора обусловливается исключительно температурой окружающей среды. Однако, даже очень небольшая мощность может вызвать увеличение температуры терморезисторов за счет джоулева тепла, особенно бусинковых. Поэтому необходимо определить допустимые пределы увеличения разогрева терморезистора протекающим через него током при измерениях. Сопротивление при нулевой мощности определяется в условиях, когда температура терморезистора повышается не более чем на 0,1^оС в результате протекания измерительного тока. Эта максимальная мощность соответствует одной десятой коэффициента рассеяния при тех же условиях.

Тепловая постоянная времени. Все рассматриваемые характеристики терморезисторов относились к стационарным условиям. Во многих применениях, например в устройствах задержки или регуляторах температуры, важную роль играют нестационарные условия, когда температура или любая другая физическая величина зависящая от температуры, изменяется со временем.

Если терморезистор нагревается под действием протекающего тока на 100-200°С выше температуры окружающей среды и затем охлаждается в условиях, соответствующих измерению сопротивления при нулевой мощности, то за любой интервал времени будет рассеиваться джоулей. В результате температура понизится на ∆T, т е

(2.13)

где H – теплоемкость, Дж/^оС.

В результате решения этого дифференциального уравнения получим выражение

(2.14)

где Т₀- температура терморезистора в момент времени t=0; τ - постоянная времени охлаждения.

Постоянная времени является важным параметром во многих областях применения терморезисторов и определяет скорость реакции прибора данной конструкции на изменение температуры. Постоянная времени бусинковых терморезисторов равна приблизительно 1 с, дисковых и стержневых - 15-30 с, а дисковых терморезисторов в защитных корпусах из пластмассы - до 200 с.

Применение

Наиболее важными областями применения терморезисторов с отрицательным ТКС являются: измерение и регулирование температуры, сигнализация об изменении предельных значений температуры, а также компенсация изменений сопротивления в электрических цепях, вызванных колебаниями температуры окружающей среды. Все эти применения основаны на зависимости сопротивления терморезистора от температуры.

Терморезисторы обладают рядом преимуществ перед другими термодатчиками, среди которых можно назвать следующие:

· большой температурный коэффициент сопротивления;

· широкий диапазон значений сопротивления;

· способность работать в достаточно широком интервале температур в твердых, жидких и газообразных средах;

· широкий выбор форм и размеров, обеспечивающий удобство монтажа в различных механических конструкциях;

· способность выдерживать электрические и механические перегрузки.

Характеристики терморезисторов с отрицательным ТКС позволяют получать большой выходной сигнал при небольших изменениях температуры. Такие выходные сигналы можно передавать на большие расстояния без корректировки или компенсации на изменения температуры окружающей среды.

Недостатком терморезисторов с отрицательным ТКС является нелинейность температурной характеристики сопротивления, которая сильно затрудняет измерение и компенсацию температуры. Существуют различные методы преобразования нормальной температурной характеристики терморезистора с отрицательным ТКС в другую, которая дает линейную зависимость выходного сигнала от температуры в ограниченном интервале температур. Однако такое преобразование может сопровождаться некоторой потерей чувствительности, если оно осуществляется с помощью только постоянных резисторов. В ряде случаев, например, при температурной компенсации металлов или схемных элементов, высокий отрицательный ТКС терморезистора нужно уменьшить, чтобы согласовать его с ТКС компенсируемого материала; при этом одновременно происходит линеаризация характеристики терморезистора.

Терморезисторы предпочтительны для точного измерения температуры в дистанционных или малогабаритных устройствах или там, где требуется измерение малых перепадов температуры. Их также применяют и для менее точных измерений температуры, когда нужно минимизировать общую стоимость системы, ибо высокая чувствительность терморезисторов ведет к упрощению электрических схем и контрольно-измерительных приборов.

Наиболее простым методом измерения температуры с помощью терморезистора являются непосредственное определение его сопротивления и нахождение температуры по таблицам или температурным характеристикам сопротивления. Однако употребление промышленных терморезисторов со стандартными температурными характеристиками приведет к большим погрешностям вследствие больших допусков, как на сопротивления, так и на ТКС приборов. Поэтому для получения приемлемых результатов требуются точные градуировочные кривые, подобные тем, которыми снабжают прецизионные или «подогнанные по кривой» терморезисторы. Если принять меры, чтобы значение измерительного тока не превышало рекомендованного изготовителем, то, пользуясь всего лишь терморезистором и его калибровочной кривой, можно измерять температуры с точностью от ±0,25 до ±1,0° С.

Основными элементами любой системы регулирования температуры является датчик, контролирующий температуру среды, коммутирующее устройство и исполнительное устройство, например нагреватель. Так как терморезисторы представляют собой наиболее чувствительные из всех термочувствительных элементов, то они, естественно, нашли самое широкое распространение в системах регулирования температуры (особенно ее точного регулирования).

Многие электронные компоненты (транзисторы, операционные усилители и др.) и обмотки катушек (отклоняющих катушек ЭЛТ, тахометров, механизмов измерительных приборов и т. п.) обладают температурной чувствительностью и требуют температурной компенсации для обеспечения стабильности эксплуатационных характеристик устройств, в которых они находятся, независимо от изменений, как локальной температуры, так и температуры окружающей среды. В телевизионных приемниках и ЭВМ, имеющих высокую плотность монтажа, температура внутри корпуса часто достигает 70°С, что может привести к неприемлемому изменению рабочих условий. Терморезисторы играют важную роль в компенсации изменения сопротивления катушек кадровой развертки большинства черно-белых и некоторых цветных телевизоров.

Другим примером термокомпенсации посредством терморезисторов с отрицательным ТКС является их применение в измерителях индуктивности и ваттметрах , а также в резистивных датчиках, таких как полярографические электроды с мембранными покрытиями.

Применение терморезисторов прямого подогрева с отрицательным ТКС делится на две большие области. Первая основывается на специфике вольт-амперной характеристики терморезистора, и ее можно подразделять в зависимости от воздействия на терморезистор.

Первая группа охватывает применения в вакуумметрах, анемометрах, индикаторах уровня и измерителях расхода жидкостей, газовых хроматографах и измерителях теплопроводности, т.е. в устройствах, которые вызывают изменение коэффициента теплового рассеяния терморезистора.

Во вторую группу входят устройства, основанные на электрическом воздействии, т. е. на изменении напряжения или полного сопротивления терморезистора, что ведет к смещению или повороту нагрузочной прямой на переходной вольт-амперной характеристике: регуляторы амплитуды или частоты генераторов, регуляторы напряжения, ограничители громкости речи и устройства расширения и сжатия спектра частот.

Третья группа устройств основана на тепловом воздействии, когда рабочая точка смещается в результате изменения окружающей температуры, сюда относятся регуляторы и сигнализаторы температуры.

Вторая область применения терморезисторов прямого подогрева основана прежде всего на использовании временной зависимости их тока. Сюда относятся устройства временной задержки, па давления выбросов и защиты от перегрузок.