Даташит ntc-5d15 pdf ( datasheet )

Диод как датчик температуры- функция полупроводника

Диод — наипростейший по своей комплектации прибор, обладающий свойствами полупроводника.

Между двумя крайностями диода (донорной и акцепторной) пролегает область пространственного заряда, иначе: p-n-переход. Этот «мост» обеспечивает проникновение электронов из одной части в другую, поэтому, в силу разноимённости составляющих его зарядов, внутри диода возникает довольно малый по силе, но всё-таки ток. Движение электронов по диоду происходит только в одну сторону. Обратный ход конечно есть, но совершенно незначительный, а при попытке подключить в этом направлении источник питания диод запирается обратным напряжением. Это увеличивает плотность вещества и возникает диффузия. Кстати, именно по этой причине диод носит название полупроводникового вентиля (в одну сторону движение есть, в другую — нет).

Если попытаться повысить температуру диода, то количество неосновных носителей (электронов двигающихся в обратном основному направлении) увеличится, а p-n-переход начнёт разрушаться.

Принцип взаимодействия между падением напряжения на диодном p-n-переходе и температурой самого диода была выявлена практически сразу после того, как он был сконструирован.

В результате p-n-переход диода из кремния — это наиболее простой температурный датчик. Его ТКН (температурный коэффициент напряжения) составляет 3 милливольта на градус цельсия, а точка прямого падения напряжения — около 0,7В.

Для нормальной работы данный уровень напряжения излишне мало, поэтому чаще используется не сам диод, а транзисторные p-n-переходы в комплекте с базовым делителем напряжения.

В результате, конструкция по своим качествам соответствует целой последовательности диодов. Как итог, показатель по падению напряжения может быть гораздо большим, чем 0,7В.

Поскольку ТКС (температурный коэффициент сопротивления) диода является отрицательным (- 2mV/°C), то он оказался весьма актуальным для использования в варикапах, где ему отводится роль стабилизатора резонансной частоты колебательного контура. Контроль осуществляется при помощи температуры.

Данные по падению напряжения на диодах

При анализе показаний цифрового мультиметра можно отметить, что данные по падению напряжения на p-n-переходе для кремниевых диодов составляют 690-700 мВ, а у германиевых — 400-450 мВ (хотя этот вид диодов на данный момент практически не используется).  Если во время замера температура диода поднимается, то данные мультиметра напротив снизятся. Чем значительнее сила нагрева, тем значительнее падают цифровые данные.

Обычно это свойство используется для стабилизации процесса работы в электронной системе (например, для усилителей звуковых частот).

Схема термометра на диоде.

Датчики температуры для микроконтроллера

На данный момент многие схемы строятся на микроконтроллерах, сюда же можно отнести и разнообразные измерители температуры, в которых могут быть применены полупроводниковые датчики при условии, что температура при их эксплуатации не превысит 125°C.

Поскольку градуирование температурных измерителей происходит ещё на заводе, калибровать и настраивать датчики нет никакой необходимости. Получаемые от них результаты в виде цифровых данных поступают в микроконтроллер.

Применение полученной информации зависит от программного наполнения контроллера.

Помимо прочего, такие датчики могут работать в термостатном режиме, то есть (при заранее заданной программе) включаться или выключаться по достижении определённой температуры.

Однако, если опорными станут другие температурные показатели, программу придётся переписывать.

Прочие сферы применения

Хотя на сегодняшний день выбор температурных датчиков весьма широк, никто не забывает про их диодный вариант, который достаточно часто применяется в электроутюгах,  электрокаминах и электронике в самом широком её смысле.

Несмотря на ограничения по температурному режиму диодные датчики имеют свои значительные плюсы:

— относительная дешевизна;

— скромные габариты;

— запросто подойдут к огромному числу электронных приборов;

— превосходная чувствительность и точность.

Благодаря всем этим качествам область применения датчиков данного типа растёт из года в год.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Принцип работы

Сплав датчика изменяет токопроводимость при различной t°. Сопротивление при ее росте падает, при понижении — растет. Меняются электропараметры, что и регистрирует схема.

Микроконтроллер обслуживаемого прибора на основе полученных данных, учитывая спецификацию детектора, вычисляет сдвиги t°. Затем подает сигнал исполнительному узлу (реле, системе нагревателя, охлаждения) для действий при том или ином уровне t°.

Пример: учитывая описанный алгоритм на входе компаратора термостата, настроенного по температурной характеристике, происходит управление напряжением, оно претерпевает изменения.

Сами по себе датчик NTC не электронное устройство, он только фиксирует. В основе — нелинейная зависимость сопр. резистора от t° среды. Схема работы может быть и проще: простой вывод на табло значений или реле может реагировать сразу.

Сенсоры чувствительные к электромагнитным излучениям, полям, поэтому их экранируют или монтируют на отдалении от источников таких явлений (силовые провода).

Datasheet Download — DSC ELECTRONICS

Популярные термисторы

Как уже упоминалось выше, сегодня известно много форм и видов термисторов. Часто встречаются детали в феноле со специальным окрашиванием. Какой вид или форма являются самыми популярными, утверждать однозначно и точно не получится. Форма зависит от того, какая задача возложена на термистор, значение имеют и его характеристики.

Бисерные термисторы считаются оптимальным решением для монтажа в устройство. Дисковый вариант более уместен для поверхности с оптическими свойствами. Если говорить о чиповой форме, монтаж рекомендован на печатной плате. Определяясь с этой характеристикой, мастеру стоит учитывать, насколько плотным должен быть контакт поверхности и устройства

Каким бы ни был тип термистора, важно, чтобы для его соединения с поверхностью использовались теплопроводяшая паста или эпоксидный клей, не имеющие свойств электропроводности

Если стоит задача заменить терморезистор, следует использовать аналогичный элемент, изучив его характеристики в справочнике или техдокументации. Мастер может заменить термистор на обычный проволочный резистор, но только при условии подобного опыта в прошлом, если в предыдущий раз не было проблем с функционированием прибора. Обязательно следует проверить условия опциональности элемента как по времени, так и по напряжению

Также важно понимать, выполняет ли новый резистор функции термистора в полной мере

Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытием

Стекловолокно с термистором NTC

Это датчики температуры NTC, запечатанные в воздухонепроницаемом стеклянном пузыре. Они предназначены для использования при температурах выше 150 ° C или для монтажа на печатной плате, где требуется прочность. Инкапсуляция термистора в стекле повышает стабильность датчика, а также защиту датчика от окружающей среды. Они изготавливаются герметично уплотняющими резисторами типа NTC в стеклянный контейнер. Типичные размеры колеблются от 0,4 до 10 мм в диаметре.

Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытием

Типичные области применения

Термисторы NTC используются в широком спектре применений. Они используются для измерения температуры, температуры управления и температурной компенсации. Они также могут использоваться для обнаружения отсутствия или наличия жидкости, в качестве устройств ограничения тока в цепях питания, мониторинга температуры в автомобильных агрегатах и многих других. Датчики NTC можно разделить на три группы, в зависимости от электрической характеристики, используемой в агрегатах и устройствах.

Типичные области применения

Характеристика сопротивления-температуры

Приложения, основанные на характеристике сопротивления-времени, включают измерение температуры, контроль и компенсацию. К ним также относятся ситуации, в которых используется термистор NTC, так что температура датчика температуры NTC связана с некоторыми другими физическими явлениями. Эта группа агрегатов требует, чтобы термистор работал в условиях нулевой мощности, что означает, что ток проходящий через него поддерживается как можно на более низком уровне, чтобы избежать нагрева зонда.

Текущая временная характеристика

Устройствами, основанными на характеристике текущего времени, являются: временная задержка, ограничение пускового тока, подавление перенапряжений и многое другое. Эти характеристики связаны с теплоемкостью и постоянной диссипации используемого термистора NTC. Схема обычно полагается на термистор NTC, нагреваясь из-за проходящего через него тока. В какой-то момент это вызовет какое-то изменение в схеме, в зависимости от устройства, в котором оно используется.

Устройства, основанные на характеристике напряжения и тока термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения схемы, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от применения это может использоваться для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.

Понятие NTC температурных датчиков

При обычном применении резисторов не нужно, чтобы их сопротивление (R) менялось с изменением температуры. Зависимость минимальная, иначе элемент влиял бы на схему, например, диод не контролировано менял бы интенсивность свечения. Но если требуется, чтобы его яркость была функцией температуры, то применяют термистор — резистор, сопр. которого чувствительное даже к небольшим сдвигам t°. Такое свойство отображается основной характеристикой — кривой графика зависимости R/T.

Negative Temperature Coefficient — «отрицательный (минусовый) коэффициент t°», он же NTC. Это наиболее часто встречающийся тип температурных сенсоров, так как они дешевле всех прочих, с хорошей эффективностью, достаточной для большинства приборов.

Преимущества, сравнение с иными термодатчиками

Достоинства:

• значительная крутизна кривой R/T, малые отклонения от номиналов, что свидетельствует о хорошей сенситивности;
• минимальное время отклика;
• значительные величины ТКС, то есть большая чувствительность, увеличенная степень изменения R в зависимости от t° (порядка 2–10 % на Кельвин);
• сопротивление демонстрирует большое, точное, прогнозируемое уменьшение по мере роста рабочих температур на ядре резистора;
• чрезвычайная компактность, терморезисторы подойдут на любые платы, даже на пространства, измеряющиеся в мм (есть типоразмеры в виде бусинок), поэтому датчики с ними компактные;
• лучшая прочность, надежность, стабильность, приспособленность для экстремальных сред, помехоустойчивость в своих рабочих диапазонах;
• экономичность, менее трудозатратные в обслуживании. Если кривая правильная, то калибровки не потребуется при монтаже и на всем сроке эксплуатации;
• по кривой легко узнать нужное сопротивление при конкретной температуре.

Преимущества и недостатки:

Коэффициенты параметров, токоограничивающие свойства лучше в несколько раз, чем у термодатчиков из Si. На порядок выше (от 10 раз), чем у RTD (металлические термодетекторы).

Если сравнивать с RTD (платиновыми), то линия R/T более крутая, что отображает лучшую сенситивность. Но все-таки первые наиболее точные (±0.5 % от замеряемой t°) и они лучшие для границ −200…+800° C, что шире, чем у NTC, но преимущество последних в дешевизне и простоте.

Больше о сфере применения

При правильной настройке и монтаже термистора, он может стать элементом для проверки температурного режима на улице или в помещении. С его помощью можно отслеживать любые его изменения. Конечно, речь не идет о настолько верных измерениях, как это требуется на производственных площадях. Шага в один градус будет вполне достаточно. Также деталь часто используется в защитной системе двигателя от перегрева. В таком случае специалист соединяет ее с реле. Если случается угроза нагревания, нарушающая все допустимые меры безопасного режима, двигатель отключается. При наличии опыта можно включить термистор в систему бортового ПК. Это позволяет отслеживать показатели на мониторе, что является весьма удобным решением на практике.

Все терморезисторы выпускаются в корпусах с защитными свойствами, что позволяет исключить влияние влаги на них. Это положительно отражается на сроках службы элемента. Если специалист правильно подберет терморезистор, он может рассчитывать на длительное использование элемента и оборудования, в котором он будет установлен.

Расчет, подбор термисторов NTC

Определяют, какой именно терморезистор подходит по кривым R/T, по создаваемым графикам и таблицам значений R-T, по формулам. Процедура сложная, есть целые брошюры и отдельные статьи, поэтому укажем лишь основы.

Лучшей, хотя и сложной, из формул расчетов является таковая «Стейнхарта (Штейнхарта) — Харта»:

Исчисления обычно делают фанаты радиоэлектроники и специалисты, особенно для самоделок. Проще будет подобрать элемент с аналогичной спецификацией, а также воспользоваться уже готовыми рекомендациями специалистов, информация есть в сети на спецсайтах. Модификаций термисторов насчитываются сотни, соответственно, таблицы спецификаций очень габаритные. Часто конкретная партия аналогичных серий термисторов имеет свои данные.

Есть сотни спецификаций NTC термисторов:

Но все-таки исчисления в большинстве случаев крайне желательные, даже если есть данные от производителя о параметрах и рекомендации, так как термисторы с высокой нелинейностью свойств. Разные экземпляры одинаковой спецификации даже, например, при тех же величинах B25/100 (чувствительности, рассмотрим ниже) могут иметь разные сдвиги R. Поэтому формулы для указанного параметра дают лишь приблизительную оценку. Точные результаты требуют сложных вычислений.

Датчики для бытовых или иных приборов в заводских типоразмерах — это уже полностью готовые к применению устройства в корпусе и так далее, все необходимые расчеты сделаны производителями.

Параметры для подбора (обычно отображаются графиками, диаграммами):

• ВАХ;
• кривая соотношение темп./сопр.;
• теплоемкость, константа рассеяния;
• величины R;
• допуски;
• температурный диапазон. Именно в своих границах сенсоры NTC могут работать лучше всех подобных изделий;
• временная постоянная: срок для перехода от одной величины t° к другой. Это период в секундах, требуемый для достижения 63.2 % разницы t° от начального показания до финишного;
• чувствительность: уровень реагирования на сдвиги температуры;
• стабильность контроллера при поддерживании постоянной температуры посредством обратной связи с сенсором.

Приближение первого порядка

Зависимость t°/Ом (график R-T) имеет значительную нелинейность, поэтому для практических схем применяют для расчета так называемые приближения. Пример такового «первого порядка»:

Уравнение справедливо только для небольшого температурного диапазона и для t°, когда k почти постоянная на его разных значениях.

Бета-формула

Есть также бета-уравнение (содержит константу «бета», β). Это самая простая формула из существующих, часто для самоделок, например, на Arduino используют именно ее. Дает результат с точностью ±1 °C. Охватывает диапазон 0…+100° C. Последний зависимый от единственной постоянной материала β, получаемой путем измерений (указывается в спецификации термистора).

Тут нет необходимости в линеаризации реакции сенсора. Формула требует 2-точечной калибровки, стандартно не больше чем ±5 на всем полезном диапазоне.

Уравнение Штейнхарта-Харта

Алгоритм Штейнхарта-Харта — это наилучшее, но более сложное уравнение. Чтобы избежать сложностей, обычно применяют предыдущий метод, но для пользователей со знаниями алгебры и опытом вычислений этот лучший способ. Это общая формула, чтобы подогнать кривую термистора:

Константы A, B, C обычно публикуются производителями, поставщиками как часть таблиц с данными спецификации термисторов. Отклонения по описываемой формуле составляет около ±0.15° C в рамках −50…+150° С, что является отличным показателем. Если требуется высокая корректность, то границы должны быть сужены. Точность ±0,01° C и лучше наблюдается в рамках 0…+100° C.

Какую формулу выбрать

Подбор подходящего исчисления для определения температуры из замеров сопротивления основывается на доступности вычислительных мощностей, а главное, на требованиях допуска. Для некоторых приложений приближение 1-го порядка достаточно, для иных случаев потребуется метод Штейнхарта-Харта, а сенсор должен калиброваться в процессе большого числа измерений по созданной таблице поиска.

Обозначения и расшифровка маркировки

Бывает несколько типов маркировки. Например, из букв или разных цветов, нанесенных полосок или других изображений на поверхность термистора. Все зависит от производителя, конкретного вида элементов. Примерная система обозначений представлена на картинке ниже. Вариантов настолько много, что расшифровать их даже опытному мастеру не всегда удается правильно. В таком случае лучше полагаться на технические данные, которые есть на сайте производителя термистора в описании конкретного элемента.

Разберем пример — термистор NTC с маркировкой 10 D-9. Первая цифра «10» говорит о том, что 10 Ом при 25 градусах Цельсия составляет сопротивление датчика. Его диаметр равен 9 мм. Чем больше будет это значение, тем выше мощность, которую он рассеивает. Чтобы лучше разобраться с маркировкой цветом, следует пользоваться таблицей или смотреть описание характеристик в справочнике. Все производители уточняют эту информацию для линейки своей продукции.

Форма полупроводника может быть разной: тонкие трубы, крупные шайбы, пластины разной толщины и небольшие элементы разных видов. Есть даже детали, габариты которых исчисляются несколькими микронами. На картинке ниже представлен ассортимент полупроводников, встречающихся чаще других на современном рынке.

Datasheet Download — DSC ELECTRONICS

Как проверить с помощью мультиметра

Важный вопрос при эксплуатации термисторов — знание принципов их проверки. При оценке исправности нужно понимать, что термисторы бывают двух видов — с положительными и отрицательным температурным коэффициентом (об этом упоминалось выше). Следовательно, сопротивление детали снижается или уменьшается с ростом температуры.

С учетом этого факта для проверки термистора потребуется всего два элемента — паяльник для нагрева и мультиметр.

Алгоритм действий:

1. Перевод прибора в режим замера сопротивления.
2. Подключение щупов к клеммам терморезистора (расположение не имеет значения).
3. Фиксация сопротивления на бумаге и поднесение нагретого паяльника к детали.
4. Контроль сопротивления (оно растет или падает в зависимости от вида терморезистора).
5. Если сопротивление снижается или увеличивается, полупроводник работает правильно.

Для примера можно использовать термистор NTC типа MF 72. В нормальном режиме он показывает сопротивление 6,9 Ом при обычной температуре.

После поднесения паяльника к изделию ситуация изменилась — сопротивление пошло в сторону снижения и остановилось на уровне двух Ом. По этой проверке можно сделать вывод, что терморезистор исправен.

Если сопротивление меняется резко или вообще не двигается, можно говорить о выходе детали из строя.

Стоит учесть, что такая проверка очень грубая. Для точного контроля нужно проверить температуру и сопротивление термистора, а после сравнить данные с официальными параметрами.

https://youtube.com/watch?v=VAYXMn6RnEM

Основные характеристики терморезисторов

Важно обращать внимание на характеристики термисторов NTC. Они могут меняться по ряду причин: производитель, тип и применяемый материал. В первую очередь покупатель должен изучить размер

Нужно, чтобы элемент подошел по габаритам, то есть, поместился на плате во время монтажа

В первую очередь покупатель должен изучить размер. Нужно, чтобы элемент подошел по габаритам, то есть, поместился на плате во время монтажа.

Следующие важные пункты:

• сопротивление RT;
• постоянная времени;
• коэффициент рассеивания.

Это основные моменты, которые нужно учитывать при покупке детали.

Характеристики нагрева

Есть 2 типа терморезисторов, если полагаться на способ нагревания, положенный в основу их принципа действия:

• косвенный;
• прямой.

При косвенном нагреве будет изменяться температура термистора под воздействием элементов, размещенных рядом с ним.

При прямом она также меняется, но только под влиянием окружающего воздуха или тока, который проходит через элемент. В этом и заключается основное отличие.

Похожие записи:

Типы и нормы освещения при организации рабочего места Что такое балансное подключение наушников и зачем это нужно? Предварительный усилитель своими руками Как пользоваться компасом, принцип работы, обозначения и для чего он нужен Безопасное расстояние от лэп до жилого дома: минимальные допустимые нормы Световой поток и технические характеристики днат 150 вт