| |
В. Зотов, А. Кравченко, П. Миронова
Z-термисторы в режиме генератора импульсов
Новые типы температурных сенсоров — Z-термисторы [1,2,3]
могут работать как в режиме непрерывных измерений температуры, так и в
пороговом режиме, реализующем возможность контроля заданного значения
температуры без использования дополнительных электронных схем. Мы рассмотрим
работу Z-термисторов в частотно-импульсном режиме, что в ряде применений
представляет особый интерес в силу чрезвычайно высокой помехозащищённости,
возможности работы без АЦП, усилителей и других сопутствующих электронных
компонентов.
Для реализации частотно-импульсного режима работы Z-термистора,
параллельно к нему подключают ёмкость С. На рис. 1 и 2 приведены две возможные
схемы включения. Рассмотрим принцип действия Z-термистора в этом режиме
работы на примере использования схемы рис. 1.
Напряжение питания Uп необходимо
установить несколько большим (0,3–0,5 В), чем напряжение, соответствующее
температуре нижнего предела предполагаемого температурного диапазона.
В соответствии со схемой, Z-термистор зашунтирован ёмкостью С? и в момент
включения питающего напряжения to начинается её заряд по цепи Rн–С
(рис. 1). При этом внутреннее сопротивление Z-термистора велико и составляет
сотни кОм (участок вольтамперной характеристики 0-1, рис. 3).
При заряде ёмкости С до величины напряжения Uпор
происходит переход Z-термистора в состояние с малым внутренним сопротивлением
(сотни Ом) (точка 2 на рис. 3), и ёмкость С начинает разряжаться через
Z-термистор. Когда заряд ёмкости и, соответственно, напряжение на Z-термисторе
уменьшится до величины удерживающего напряжения Uуд
(напряжение на Z-термисторе, при котором протекающий через него ток становится
меньше Iпор), Z-термистор переходит в исходное состояние, и процесс повторяется.
Для перевода Z-термистора из состояния с большим внутренним сопротивлением
в состояние с малым внутренним сопротивлением требуется воздействовать
на него некоторой энергией, равной в общем случае сумме энергии электрического
поля xЕ, пропорциональной падению напряжения на Z-термисторе Uпор,
и тепловой энергии xT, определяемой его нагревом, то есть x = xЕ + xT.
Для каждого конкретного типа Z-термистора энергия x является постоянной
величиной и, следовательно, при увеличении температуры его переход из
одного состояния в другое происходит при меньшем значении xЕ или, что
то же самое, при меньшем значении Uпор (рис. 3). В
нашем случае напряжение на Z-термисторе определяется величиной заряда
ёмкости С, следовательно, переход из состояния 1 в состояние 2 произойдёт
при меньшем значении её заряда (Uпор1 < Uпор)
(рис. 1 и 3). Таким образом реализуется генерация импульсов пилообразной
формы, частота следования которых определяется температурой при постоянном
напряжении питания Uп. В случае съёма сигнала с нагрузочного
резистора Rн, вид выходного сигнала меняется на зеркально
противоположный (рис. 2). Для практических применений эта схема предпочтительней,
так как длительность переднего фронта импульсов в этом случае значительно
меньше (порядка 10–15 мкс) и не зависит от температуры.
На рис. 4 показана типовая зависимость частоты следования
выходных импульсов f от температуры T при трёх значениях ёмкости С на
примере Z-термисторов типа TZ-5 и TZ-12. Здесь дан наиболее употребительный
диапазон температур — от +20 до +100°С. С увеличением температуры частота
выходного сигнала растёт. При этом, частотный диапазон, в зависимости
от величины используемой ёмкости С и нагрузочного резистора Rн,
может изменяться в широких пределах — от десятков Гц при низких температурах
до десятков кГц при высоких. Это даёт возможность пользователю самостоятельно
выбирать наиболее приемлемые для него пределы изменения частоты выходного
сигнала путём выбора соответствующих пара метров Rн–С
цепи. Стабильность частоты во всём диапазоне температур 20ё100°С не хуже
0,3ё0,5%.
На рис. 5 показана зависимость амплитуды выходных импульсов
от температуры, также на примере Z-термисторов TZ-5 и TZ-12. С увеличением
температуры амплитуда выходных импульсов падает, что согласуется с вышеописанным
процессом изменения частоты (рис. 1).
Крутизна падения амплитуды выходных импульсов при увеличении
температуры зависит от параметров цепи Rн–С.
Расширение функциональных возможностей Z-термисторов
за счёт использования дополнительной ёмкости позволяет говорить о создании
нового класса термочувствительных приборов, а именно, термочувствительных
автогенераторов. Весьма важным обстоятельством является то, что у Z-термистора,
работающего в указанном режиме, сохраняется пороговая функция, то есть
начало процесса генерации Z-термистором частотно-импульсного сигнала можно
задавать при определённой (требуемой) температуре установкой соответствующего
напряжения питания. Область применения таких автогенераторов может быть
весьма обширной, например, при использовании диапазона звуковых частот
выходного сигнала можно строить датчики пожарной сигнализации (60 или
90°С), температурной тревоги для медицины (35ё42°С), температурного контроля
в автомобилестроении, авиации и любой другой области, где требуется высокоточное
определение и поддержание температуры в заданных пределах в диапазоне
-50ё+100°С. Среди многих преимуществ этого класса температурных сенсоров
перед известными, например, общеизвестными п/п термисторами типа NTС,
следует в первую очередь отметить следующие:
- более высокая чувствительность;
- положительный коэффициент температурной зависимости (с увеличением
температуры частота выходного сигнала растёт);
- частотно-импульсный вид выходного сигнала с регулируемым параметрами
Rн и С диапазоном частот от десятков Гц до десятков
кГц;
- большая амплитуда выходного сигнала (от единиц до десятков Вольт,
в зависимости от типа Z-термистора и температурного диапазона);
- на порядок меньшее токопотребление;
- функционально (физически) присущая пороговая функция.
Эти преимущества позволяют строить на основе Z-термисторов
более высокочувствительные и экономичные системы контроля и регулирования
температуры в гораздо более простом схемотехническом и конструктивном
исполнении. То есть в данном случае не требуется применять мостовые схемы
включения на входе, использовать усилители для повышения чувствительности
и улучшения помехозащищённости на выходе термистора. Не требуется применять
генераторы импульсов или АЦП для приведения выходного сигнала к виду,
удобному для его дальнейшего использования в контрольно-измерительных
системах.
Литература
1. 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.
2. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры (Z-сенсоры)
// Датчики и системы. — 1999. — № 1.
3. Зотов В. Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров // Chip
news. — 1999. — № 1. — С. 37–38.
|
