Терморезисторами с отрицательным ТКС называются полупроводниковые резисторы, сопротивление которых падает при повышении температуры, У таких терморезисторов ТКС составляет около 3...6%/К, что примерно в 10 раз больше, чем у платиновых или никелевых датчиков. Терморезисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов, например F 2 О 3 (шпинель), Zn 2 TiO 4 , MgCr 2 O 4 , TiO 2 или NiO и СоО с Li 2 O. Процесс спекания осуществляется при 1000...1400°С. Затем изготовляют контакты путем вжигания серебряной пасты. Для обеспечения высокой стабильности сопротивления, прежде всего при длительных измерениях, терморезисторы после спекания подвергают еще искусственному старению. С помощью специальных режимов обработки достигается высокая стабильность сопротивления.
Температурная характеристика терморезистора описывается следующим уравнением: R Т = R N ехр[В(1/Т – 1/Т N)], где R T и R N - соответственно сопротивление при температурах Т и T N (в градусах Кельвина), В - константа материала терморезистора, имеющая размерность К.
Тогда ТКС терморезистора оказывается равным α R = -В/Т 2 .
Температурная характеристика терморезистора при различных значениях В показана на рис. 7.19.
Рис. 7.19. Рабочие характеристики терморезисторов с отрицательным ТКС, отличающихся значением В
Рис. 7.20. Различные конструкции терморезисторов с отрицательным ТКС. используемых в качестве датчиков температуры: а, б, д - остеклованные; в - миниатюрные; г - дискообразные; е, ж - капсулированные.
В продаже имеются терморезисторы в различных конструктивных исполнениях, в том числе и миниатюрные для обеспечения быстрого реагирования на изменение температуры. На рис. 7.20 показаны наиболее распространенные конструкции терморезисторов: дискообразные, стержневидные и миниатюрные.
Рис. 7.21. Вольт-амперной характеристика терморезистора с отрицательным ТКС
Важным параметром терморезисторов является вольт-амперная характеристика (рис. 7.21). Она описывает связь между током через датчик и падением напряжения на нем. При токе около 1 мА вольт-амперная характеристика этих датчиков прямолинейна так как еще не происходит изменения сопротивления из-за самонагрева. Если же ток через датчик увеличить, то его сопротивление изменится (станет меньше) и падение напряжения на нем уменьшится. В результате при определенном значении тока I характеристика имеет максимум, а при дальнейшем возрастании тока отклоняется вниз.
Отмеченные на характеристике точки отражают изменение температуры датчика из-за самонагрева.
Рис. 7.22 Изображение в линейных координатах вольт-амперной характеристики датчика в различных средах.
Нагрев датчика, а вместе с тем и ход характеристики сильно зависят от рабочей среды. На рис 7.22 показана вольт-амперная характеристика типичного терморезистора на воздухе и в воде. Поскольку в воде теплоотвод лучше, чем на воздухе, при размещении датчика в воде его характеристика проходит выше, чем на воздухе. Этот эффект можно использовать, например, для простого измерения уровня жидкости.
Если датчик работает на постоянном токе (около 10 мА), то падение напряжения на нем составляет около 6,8 В. Но в воде из-за более высокого сопротивления оно уже оказывается равным примерно 13 В. Следовательно, как только датчик вступает в контакт с наполняющей средой (водой), напряжение скачком возрастает с 6,8 до 13 В. Этот скачок напряжения можно использовать для регулирования. Таким образом, на основе измерения температуры получается датчик уровня.
а) б)
Рис. 7.23. Временная характеристика срабатывания миниатюрного (а) и дискообразного (б) терморезисторов с отрицательным ТКС.
Быстрота электронной индикации этого скачка температуры (постоянная времени) зависит от геометрии датчика. На рис. 7.23 показана реакция на резкое изменение температуры миниатюрного датчика с малой массой и дискообразного терморезистора с отрицательным ТКС.
Если к терморезистору подключить еще резистор с не зависящим от температуры сопротивлением, то температурную характеристику терморезистора можно изменить, как показано на рис. 7.24, а для последовательного (R S) и параллельного (R P) добавочных сопротивлений. Сочетание R P и R S дает возможность изменять ход характеристики температура сопротивление, как показано на рис. 7.24,б.
а) б)
Рис. 7.24. Линеаризация характеристики терморезистора с отрицательным ТКС посредством параллельного и последовательного включения дополнительного термонезависимого сопротивления.
Рис. 7.25. Рабочие характеристики терморезистора с отрицательным ТКС и резистора с постоянным сопротивлением R P , а также характеристика их параллельного соединения.
Путем удачного подбора сопротивления R P (параллельное сопротивление) характеристику можно до некоторой степени линеаризировать (рис. 7.25), так как S-образная характеристика имеет некоторую точку перегиба (T W). Наилучшая линеаризация достигается, когда эта точка перегиба находится в середине требуемого диапазона измерения температур. Сопротивление R P линеаризирующего резистора определяется по формуле R P = Rт M (В – Т М)/(В + 2Т М), где Rт M - сопротивление терморезистора при температуре Т М (Т М – T W), В - константа материала терморезистора.
Рис 7.26. Схема линеаризации, использующая термозависимый делитель напряжения для компенсации температурных погрешностей выходного сигнала датчика на терморезисторе с отрицательным ТКС.
Интересное применение такого линеаризованного терморезистора с отрицательным ТКС иллюстрируется рис. 7.26. Здесь R T , R 1 и R 2 образуют термозависимый делитель напряжения. Эта схема может быть использована, например, для температурной компенсации других выходных сигналов датчиков, подверженных сильному искажающему влиянию температуры. В точке перегиба S-образной кривой снова справедливо выражение R = Rт М (В – 2Т)/(В + 2Т), где R = R 1 R 2 /(R 1 + R 2).
Отсюда можно получить зависящее от температуры изменение напряжения ∆U/∆Т = }