Μη-Γραµµικοί αντιστάτες. 1. Θερµίστορ (thermistor) 2. Βαρίστορ (Varistor) 3. Φωτοαντιστάτες (LDR Light Depended Resistors)

Transcript

1 Μη-Γραµµικοί αντιστάτες 1. Θερµίστορ (thermistor) 2. Βαρίστορ (Varistor) 3. Φωτοαντιστάτες (LDR Light Depended Resistors) 1

2 Thermistor Thermally sensitive resistor Ηθερµοκρασία που επηρεάζει την τιµή της αντίστασης προσδιορίζεται από δύο παράγοντες: Θερµοκρασία περιβάλλοντος του θερµίστορ Αύξηση θερµοκρασίας από την κατανάλωση ισχύος στο θερµίστορ όταν διαρρέεται από ρεύµα 2

3 Thermistor Thermally sensitive resistor Ηαύξηση της θερµοκρασίας στα NTC θερµίστορ ελαττώνει την αντίστασή τους. Η αύξηση της θερµοκρασίας στα PTC θερµίστορ αυξάνει την αντίστασή τους. 3

4 NTC Thermistors NTC (Negative Temperature Coefficient) Οξείδια της οµάδας Fe δηλ. Οξείδια Cr, Mn, Fe, Co, Ni. Προσθέτοντας ιόντα συµπεριφέρονται σαν ηµιαγωγοί. Π.χ. Σε Fe 2 O 3 προσθέτονται ιόντα Ti. Σε χαµηλές θερµοκρασίες αντισταθµίζουν ίσο αριθµό ιόντων δισθενούς σιδήρου και έχουµε ηλεκτρική ουδετερότητα. Σε υψηλότερες θερµοκρασίες δηµιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια µε συµπεριφορά ηµιαγωγού τύπου n. 4

5 NTC Thermistors 5

6 NTC Thermistors 6

7 NTC Thermistors R T = Ae B / T (1) T (ºK) T=273 +Θ (ºC) B σταθερά σε ºK. Εξαρτάται από το υλικό και είναι ένα µέτρο της ευαισθησίας του θερµίστορ στις αλλαγές θερµοκρασίας. Η τιµή της Β προσδιορίζεται αν γνωρίζουµε την τιµή της αντίστασης του θερµίστορ σε δύο θερµοκρασίες από την σχέση (1). Ο θερµοκρασιακός συντελεστής αντίστασης γενικά για αντιστάτη R είναι α=dr/(r o dθ) (2) µε αναφορά σε θερµοκρασία θο π.χ. 25 ºC και η τιµή της R σ αυτή την θερµοκρασία είναι R o. Από (1),(2) α=(1/r)(dr/dt)=-b/t 2 Συνηθισµένη τιµή (2,5 7%) για θ=25 ºC 7

8 NTC Thermistors Ο υπολογισµός της αντίστασης του θερµίστορ σε θερµοκρασία Τ µπορεί να γίνει από την παρακάτω σχέση µε γνωστές τις τιµές του Β και R25 για θερµοκρασία 25 ºC. ln(r/r 25 )=B(1/T-1/T 25 ) Από την καµπύλη 6 ή τις επόµενες καµπύλες 8

9 NTC Thermistors 9

10 NTC Thermistors 10

11 NTC Thermistors 11

12 NTC Thermistors (θερµικά χαρακτηριστικά) 12

13 NTC Thermistors (εφαρµογές) Αν το ρεύµα είναι µικρό η ένδειξη του αµπεροµέτρου είναι ανάλογη της θερµοκρασίας Ακινητοποίηση-Χρονική καθυστέρηση Χρονική καθυστέρηση 13

14 NTC Thermistors (εφαρµογές) Τα χάλκινα πηνία απόκλισης, έχουν θετικό θερµοκρασιακό συντελεστή αντίστασης. Το NTC αντισταθµίζει τις µεταβολές της αντίστασης του πηνίου µε την θερµοκρασία. 14

15 NTC thermistors Εφαρµογές 15

16 Τροποποίηση χαρακτηριστικών NTC Thermistors 16

17 Τροποποίηση χαρακτηριστικών NTC Thermistors 17

18 So Sensitive Very large resistance change = small temp. change 3 5% per o C (vs. 0.4% per o C for RTDs) Temp. changes as small as 0.1 o C Significantly smaller in size Temp range: -100 o C 300 o C (-120 o F 570 o F) 18

19 Thermistor Standards No Industrial Standards Base resistance range: ohms Typically measured at 25 o C vs. 0 o C for RTDs TCRs vary widely Thermistor s accuracy limited to small temp. range 19

20 Thermistor Lead Wire Effects Lead wire does add overall resistance NOTE: base resistance of thermistor very large (>10 3 ohms), added lead wire resistance insignificant. RESULT: No resistance compensation required! 20

21 Advantages Simple, rugged High temp. operation Low Cost No resistance lead wire problems Point temp. sensing Fastest response to temperature changes Disadvantages Limited temperature range Fragile Some initial accuracy drift Decalibration if used beyond the sensor s temperature rating Lack of standards for replacement 21

22 22

23 NTC thermistors Εφαρµογές 23

24 NTC thermistors Εφαρµογές 24

25 PTC Thermistors PTC (Positive Temperature Coefficient) BaTiO 3 µε προσθήκη ιόντων La 3- Bi 3- και Sb 5- Nb 5- συµπεριφέρονται σαν ηµιαγωγοί τύπου n µε αρνητικό θερµοκρασιακό συντελεστή χωρίς την παρουσία οξυγόνου. Χωρίς οξυγόνο οι ηµιαγωγοί αυτοί επιδεικνύουν µικρό θερµοκρασιακό συντελεστή αντίστασης. Για να αυξηθεί ο TTC το υλικό θερµαίνεται σε ατµόσφαιρα οξυγόνου οπότε εισχωρεί το οξυγόνο στο κεραµικό υλικό και τα άτοµά του έλκουν ηλεκτρόνια από µια λεπτή ζώνη του ηµιαγωγού υλικού και στην επιφάνεια του κρυστάλλου. ηµιουργείται φραγµός δυναµικού U b µε αποτέλεσµα αύξηση της αντίστασης του θερµίστορ που δίνεται από την σχέση: Rb=(1/a)e Ub/kT a το µέγεθος των κρυσταλλιτών του υλικού(εποµένως 1/a ο αριθµός φραγµών δυναµικού ανά µονάδα µήκους). 25

26 PTC Thermistors 26

27 PTC Thermistors T1-T2, >T3 TTC<0 T2<T<T3 TTC>0 27

28 PTC Thermistors R T = A + Ce B / T (1) T (ºK) T=273 +Θ (ºC) A,B,C σταθερές και Β σε ºK. Στα θερµίστορ Si για -60ºC <T<150 ºC R T =R 25 (T/298)

29 29

30 PTC Thermistors 30

31 PTC Thermistors Για µικρές τιµές τάσης το ρεύµα που διαρρέει το θερµίστορ είναι µικρό,(α-β),η καταναλισκόµενη ισχύς µικρή, δεν αυξάνει η θερµοκρασία του από Τ Α. (αντίσταση) Β-Γ αυξάνει η καταναλισκόµενη ισχύς, αύξηση θερµοκρασίας, Απο κάποια τιµή θερµοκρασίας (Γ- ) η αντίσταση του θερµίστορ µεγαλώνει και το ρεύµα µικραίνει (Ts Switch Temperature) 31

32 PTC Thermistors 32

33 Χαρακτηριστικά µεγέθη PTC Θερµοκρασία αλλαγής Ts Switch Temperature Θερµοκρασιακός συντελεστής αντίστασης α Θερµική σταθερά χρόνου 33

34 Χαρακτηριστικά µεγέθη PTC Ο θερµοκρασιακός συντελεστής αντίστασης γενικά για αντιστάτη R είναι α=dr/(rodt) (2) µε αναφορά σε θερµοκρασία θο π.χ. 25 ºC και η τιµή της R σ αυτή την θερµοκρασία είναι Ro. Από (1),(2) α=(logr2-logr1)/(t2-t1) %/ ºC Η κλίση του διαγράµµατος logr=f(t) Θερµική σταθερά χρόνου ο χρόνος για την ψύξη του θερµίστορ από την Τ1 στην Ts T A = 25 ºC 34

35 35

36 Εφαρµογές που η αντίσταση του θερµίστορ καθορίζεται από ΤΑ (µικρό ρεύµα) Αν ΤΑ>> ΤΑ<< Η αντίσταση (TTC<0) µικραίνει Εφαρµογές που η αντίσταση του θερµίστορ καθορίζεται από το ρεύµα(αυτοθέρµανση) Αύξηση της τάσης (απρόβλεπτα η λόγω βραχυκυκλώµατος) προκαλεί αύξηση του ρεύµατος άρα θέρµανση του PTC. Σαν αποτέλεσµα αυξάνεται η αντίσταση και µειώνεται το ρεύµα προστατεύοντας το φορτίο Ησηµαντική διαφορά PTC - NTC είναι ότι τα PTC αλλάζουν θερµοκρασίακό συντελεστή σε µια συγκεκριµένη θερµοκρασία T S 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 Varistors Varistor = variable resistor, δηλ ένα στοιχείο κυκλώµατος του οποίου η αντίσταση µεταβάλλεται µε την εφαρµοζόµενη τάση. Έχουν ισχυρή µη-γραµµική απόκριση και συνήθως χρησιµοποιούνται σαν περιοριστές τάσης (voltage limiters). Λειτουργούν διατηρώντας υψηλή αντίσταση έως κάποια τάση. Πέρα από την οποία η αντίστασή τους ελαττώνεται ραγδαία. Μπορούν να περάσουν µεγάλα ρέύµατα για σύντοµα χρονικά διαστήµατα εµποδίζοντας την άνοδο της τάσης πάνω από την τάση κατάρρευσης (breakdown voltage). Τα Varistor µπορούν να λειτουργήσουν σαν αυτοεπανατοποθετούµενες ασφάλειες (στην πραγµατικότητα 44

45 Varistors (Voltage Depended Resistor VDR) Τα βαρίστορ κατασκευάζονται απόκρυσταλλικό ανθρακούχο πυρίτιο SiC, οξείδια ψευδαργύρου (ZnO) ή τιτανίου. Τα υλικά αυτά συµπιέζονται µε κεραµική ύλη σε σχήµα δίσκου ή ράβδου ºC. Ο χρόνος θέρµανσηςκαθορίζει τα χαρακτηριστικά του. Μικροβαρίστορ τάση ζένερ 3,5 v πάχος 0,02 mm. Η ηλεκτρική συµπεριφορά εξαρτάται από το πάχος. Π.χ. Για πάχος 0,6 mm αντιστοιχούν περίπου 29 στοιχεία άρα η τάση αγωγής 100 V. U=cI β όπου c σταθερά και β από 0,02 (ZnO) 0,4(SiC). 45

46 Varistors 46

47 Varistors 47

48 Varistors 48

49 Varistors P D =UI=UKU α (α=1/β Κ=1/c β ) Μικρή µεταβολή στην τάση προκαλεί µεγάλη µεταβολή στην καταναλισκόµενη ισχύ επειδή α (2,5-50) 49

50 Varistors 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 59

60 60

61 Παγιδευτής υπερρεύµατος µε αέριο (surge arresters) 61

62 Παγιδευτής υπερρεύµατος µε αέριο (surge arresters) 62

63 Παγιδευτής υπερρεύµατος µε αέριο (surge arresters) 63

64 Φωτοαντιστάτες (photoresistors Light Deppended Resistors LDR) 64

65 Φωτοαντιστάτες 65

66 Φωτοαντιστάτες 66

67 Παθητικά κυκλώµατα µέτρησης αισθητήρων Κυκλώµατα φωτοδιόδων-φωτοαντιστάσεων Thermistor Half-Bridge ιαιρέτης τάσης Αλλάζει ένα στοιχείο Wheatstone Γέφυρα R3 = αισθητήρας αντίστασης R4 είναι ταιριασµένη µε την τυπική τιµή της R3 Αν R1 = R2, Vout = 0 Η Vout µεταβάλλεται όπως αλλάζει η R3 VCC 67

68 Basic Opamp Configuration Voltage Comparator digitize input Voltage Follower buffer Non-Inverting Amp Inverting Amp 68

69 More Opamp Configurations Summing Amp Differential Amp Integrating Amp Differentiating Amp 69

70 Converting Configuration Current-to-Voltage Voltage-to-Current 70

71 Instrumentation Amplifier (Ενισχυτής Μετρήσεων) Robust differential gain amplifier gain stage Input stage high input impedance buffers gain stage no common mode gain can have differential gain input stage Gain stage differential gain, low input impedance Overall amplifier amplifies only the differential component high common mode rejection ratio total differential gain high input impedance suitable for biopotential electrodes 71 with high G d = 2R2 + R R 1 1 R R 4 3

72 72