Z-термисторы новый класс температурных сенсоровВ.Зотов
Oдной из наиболее распространенных задач про
мышленной и бытовой автоматики, решаемых путем температурных измерений, является задача
выделения заданного значения температуры или диапазона температур, в пределах которого
контролируемые физические процессы протекают нормально, с требуемыми параметрами. Это, в
первую очередь, относится к приборам и устройствам, работающим при температурах, определяемых
условиями жизнедеятельности человека и используемых им при этом приборов машин и механизмов,
т.е. √40 е +100╟С, например, кондиционирование температуры жилых, складских и технологических
помещений, контроль нагрева различных двигателей, трансмиссий, тормозных устройств и т.п.,
системы пожарной сигнализации, контроль температуры в медицине, биотехнологиях и сельском
хозяйстве и пр. В качестве чувствительных элементов таких систем в последнее время широко
используются полупроводниковые термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентом
или термисторы (NTC-thermistors). Однако, для решения задачи в целом, т.е. получения электрического
сигнала, возникающего при повышении или понижении температуры контролируемого процесса до заданного
значения, термистор должен быть снабжен дополнительными электронными схемами, которые и осуществляют
решение задачи выделения заданного значения температуры. Такова, например, схема, приведенная на
рис.1. В Институте проблем управления РАН совместно с фирмой VZ SENSOR Ltd., на основе полупроводниковых
структур с L-образной вольтамперной характеристикой были разработаны интеллектуальные (функциональные)
термисторы (Z-thermistors), которые способны решать задачу выделения заданного значения температуры
без использования дополнительных электронных схем [1,2,3].
Рис. 1
Рис. 2
Z-термисторы представляют собой полупроводниковую p-n структуру, включаемую в прямом направлении
(+ к p-области структуры) в цепь источника постоянного напряжения. Структура обладает функцией перехода из одного
устойчивого состояния (с малым током) в другое устойчивое состояние (в 50 е 100 раз большим током) при ее
нагреве до заданного значения температуры. Установка требуемого значения температуры срабатывания осуществляется
простым изменением напряжения питания. Длительность перехода структуры (Z-термистора) из одного устойчивого
состояния в другое 1 е 2 мкс. Схема включения Z-термистора состоит из источника питания U и нагрузочного
резистора R, который одновременно служит ограничителем тока Z-термистора при его переходе в состояние с большим
током (рис. 2). Выходной сигнал (бросок напряжения) может быть снят как с нагрузочного резистора R, так и с
самого Z-термистора, но с обратным знаком. Как уже было сказано, Z-термистор может быть настроен на любое значение
температуры в диапазоне √40 е +100╟С путем изменения питающего напряжения U. При этом могут быть изготовлены
разные типы Z-термисторов, срабатывающие при одной и той же температуре от разных напряжений питания.
Для того, чтобы разделить Z-термисторы по типам, было введено понятие базовой температуры. В качестве базовой
было принято значение комнатной температуры (room temperature) +20╟С. Принципиально Z-термисторы могут быть
изготовлены на любые напряжения срабатывания в пределах от 1 до 100 В при базовой температуре, но для удобства
пользователей мы ограничились рядом типовых значений напряжения, чаще всего используемых в электронной технике,
а именно: 1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В; 24 В (см. таблицу).
Таблица. Технические характеристики Z-термисторов при температуре
+20°C и спротивлении
резистора R = 0.25 + 5 кОм
| Тип Z-термистора | TZ-1 | TZ-3 | TZ-4 | TZ-12 | TZ-18 | TZ-24 | |
| Пороговое напряжение | Uth(B) | <1,5 | 3+-0,5 | 4,5+-1 | 12+-2 | 18+-3 | 24+-3 |
| Пороговый ток | Ith(mA) | <0,05 | <0,1 | <0,15 | <0,2 | <0,25 | <0,35 |
| Вторичное напряжение | Uf(B) | <0,7 | <1,5 | <2 | <5 | <8 | <10 |
| Вторичный ток | If(mA) | >1,5 | >1,7 | >3 | >2,5 | >3 | >3,5 |
| Выходной сигнал | UR(B) | " | " | " | " | " | |
| Рассеиваемая мощность | P(mBт) | <100 | " | " | " | " | " |
| Длительность перехода Uth-Uf | t(мкс) | <5 | " | " | " | " | " |
| Разрешающая способность | Т(°C) | <0,1 | " | " | <<0,1 | " | " |
| Чувствительность участка 1 | S1(мВ/°C) | >10 | " | " | >30 | " | " |
| Чувствительность участка 2 | S2(мВ/°C) | >20 | " | " | >60 | " | " |
| Чувствительность участка 3 | S3(мВ/°C) | >200 | " | " | >400 | " | " |
| Быстродействие | Т(сек) | <1 | " | " | <<1 | " | " |
Диапазон рабочих темпертур: -20 + 100 °C
Диапазон пороговых напряжений: 60 - 0,5 B
Размеры Z-термисторов: 1 x 1 x 0,3; 2 x 2 x 0,3; 3 x 1,5 x 0,3 mm
Маркировка Z-термисторов: TZ-(1; 3; 4; 12; 18; 24)
Здесь: T - функциональный тип сенсора (Thermistor);
Z - физический принцип действия (Z-эффект);
(1; 3; 4; 12; 18; 24) - пороговое напряжение при 20°C
Z-термисторы могут быть использованы не только
как высокоточные, надежные и простые в эксплуатации сигнализаторы заданного значения температуры, но также, как
температурные сенсоры для непрерывного измерения температуры, приблизительно в том же диапазоне (-40 е +100╟С).
Для этого могут быть использованы участки 1,2,3 ВАХ (рис.3). При этом, зная нижний и верх-ний пределы измерений
температуры, (например, для медицинского градусника +34╟ е +43╟С), напряжение питания выбирается таким, чтобы
значение токов термистора, соответствующие этим пределам измерений, находились на выбранном участке ВАХ. Точностные
возможности Z-термисторов при их использовании как в пороговом режиме, так и в режиме непрерывных измерений
практически полностью определяются стабильностью питающего напряжения и лежат в пределах 0,1 е 0,01╟С.
Большой интерес с практической точки зрения представляет собой возможность использования Z-термисторов
в частотно-импульс-ном режиме работы. Для этого параллельно Z-термистору подключают емкость С " 0,05 е 0,15
мкФ (рис. 2), что вызывает генерацию пилообразных импульсов большой амплитуды (порядка 0,5 от питающего
напряжения), частота следования которых пропорциональна температуре.
Рис.3. Вольтамперная характеристика (ВАХ) Z-термистора
Многолетние исследования не выявили каких-либо проявлений деградации или дрейфа рабочих характеристик Z-термисторов. Более чем двукратный по отношению к рабочему диапазону перегрев Z-термисторов не приводит к их разрушению либо к изменению характеристик, что говорит об их весьма высокой надежности (робастности). Z-термисторы не имеют аналогов в мировой практике и технологией их производства не обладает ни один из западных производителей электронных компонентов.
Институт проблем управления РАН
Тел. 954-4760
| Ваш комментарий к статье | ||||
