Z-термисторы эффективные решения в измерении, контроле и регулировании температуры

Автор: В. Зотов
Источник: Институт проблем управления РАН

Анотация

В. Зотов — Z-термисторы эффективные решения в измерении, контроле и регулировании температуры Расмотрен способ компенсации дрейфа экспоненциатора

Отличительными особенностями Z-термисторов являются:

возможность использования для непрерывного измерения температуры во всём диапазоне их функционирования (-40…+100°C) и для контроля заданной температуры путём настройки Z-термистора подачей соответствующего этой температуре напряжения питания;
простейшая схема включения;
большая амплитуда выходного сигнала;
высокая чувствительность;
высокая помехозащищённость;
малое потребление энергии.

Z-термисторы могут работать без усилителей и специальных формирователей выходного сигнала и непо-средственно подключаться к компьютерам, уменьшая тем самым затраты на интерфейс. По чувствительности Z-сенсоры превосходят все известные в настоящее время температурные сенсоры, построенные на других физических принципах. Они широко используются в различных системах сигнализации, измерения и регулирования температуры.

Z-термисторы могут работать в трёх режимах: с амплитудным и частотно-импульсным выходными сигналами, а также в пороговом режиме со скачкообразным выходным сигналом.

Z-термисторы представляют собой p-n-структуру, защищённую от атмосферного воздействия тонким слоем кремний-органической смолы или пластмассовым корпусом, имеют два внешних вывода, из которых длинный электрод p-области на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схемотехническое изображение Z-термистора

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) и основные параметры Z-термисторов представлены на Рисунке 2.

Рисунок 2 — Положительная ветвь ВАХ Z-термисторов

На Рисунке 2а изображена положительная ветвь ВАХ Z-термисторов, а на Рисунке 2b &отрицательная. Положительная ветвь ВАХ своей верхней частью напоминает букву L, поэтому ВАХ Z-сенсоров назвали L-образной в отличие от S и N-образных. ВАХ имеет три рабочие области: высокого внутреннего сопротивления М1 участок прямой ОА; неустойчивости М2 участок АВ; низкого внутреннего сопротивления М3 участок ВС.

На рис. 2 показаны также: Uth и Ith пороговые напряжение и ток, соответственно, то есть величины напряжения и тока Z-термистора, при которых происходит его переход из состояния с большим внутренним сопротивлением М1 в состояние с малым внутренним сопротивлением М3 при данной температуре; в таблице даны значения основных параметров Z-термисторов при температуре +20°C; Uf и If величины напряжения и тока после перехода Z-термистора из состояния М1 в М3; IR обратный ток Z-термистора; Iм ток через Z-термистор, при котором рассеиваемая мощность не превышает максимально допустимую.

Помимо перечисленных важными параметрами приборов являются: t время перехода из состояния М1 в М3; Sт чувствительность Z-термистора; SR чувствительность при обратном включении.

Рисунок 3 — Типовые схемы включения Z-термисторов

На Рисунке 3 представлены типовые схемы включения Z-термисторов. Они могут быть использованы для непрерывного измерения температуры в аналоговом режиме работы при использовании участка М1 ВАХ (Рисунок 3а,б) или обратного включения (Рисунок 3в), а также во время-импульсном режиме работы на переходном участке М2 ВАХ.

Рисунок 4 — Изменения ВАХ при изменении температуры

На Рисунке 4 показаны изменения ВАХ при изменении температуры для прямого (Рисунок 4а) и обратного (Рисунок 4б) включений.

Подключение ёмкости С параллельно Z-термистору (Рисунок 3г) создаёт генератор пилообразных импульсов, работающий в непрерывном режиме с частотой их следования импульсов, зависящей от температуры. При изменении температуры частота следования импульсов меняется от нескольких сот Гц до нескольких кГц, при этом амплитуда импульсов также зависит от температуры и изменяется обратно пропорционально её увеличению в пределах от 80…90 до 10…15% от величины питающего напряжения. Пороговый режим работы реализуется схемами (Рисунок 3а,б) путём установки напряжения питания Е, соответствующего контролируемому значению температуры.

Основные параметры Z-термисторов, выполненных в пластмассовом корпусе, приведены в Таблица 1.

Таблица 1

Параметр		Единица измерения	TZ-3	TZ-5	TZ-9	TZ-12	TZ-18	TZ-24	TZ-100	Внешние условия Т=20°С
Пороговое напряжение	U_th	В	<3	3...5	5...9	9...12	12...18	18...24	24...100	R_L=5k
Пороговый ток	I_th	мА	<0,1	<0,15	<0,2	<0,25	<0,3	<0,5	0,5-1	R_L=5k
Вторичное напряжение	U_f	B	<1,5	<2	<4	<6	<8	<10	10-50	R_L=5k
Рассеиваемая мощность	P_m	мВт	>50	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	R_L=5...100k
Длительность перехода	t	мкс	<20	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	R_L=5...100k
Чувствительность на М1	S_T	мВ/°С	>10	>20	>30	>40	>50	>60	>70	R_L=5...100k
Чувствительность при обр. вкл.	S_R	мВ/°С	>150	>150	>150	>150	>150	>150	>150	R_L=500k
Обратный ток	I_R	мкА	<45	<45	<45	<45	<45	<45	<45	U_R= 25 B

Диапазон рабочих температур -20...+100°С
Диапазон изменения питающего напряжения 60...0,5 В
Маркировка Z-термисторов TZ — (3; 5; 9; 12; 18; 24; 100)

Габаритные размеры (в мм) Z-термисторов в пластмассовом корпусе показаны на Рисунок 5 и приведены в Таблице 2.

Рисунок 5 — Размеры терморезистора

Таблица 2

a	b	c	d	e	f	g	h
4±1	3±1	3,5±1	0,8±0,2	2,5±0,5	22±5	0,5±0,1	2±1

Список использованной литературы

V. D. Zotov et al. Semiconductor Structures, Methods for Controlling Their Conductivity and Sensing Elements Based on These Semiconductor Structures. Patent of USA, #5.742.092, April, 1996.
Полупроводниковые многофункциональные сенсоры (Z-сенсоры). Датчики и системы. 1999. № 1.
Z термисторы новый класс температурных сенсоров // Chip news. 1999. № 1.