VIII VEŽBA 8. SNIMANJE KARAKTERISTIKA TERMISTORA SA POZITIVNIM TEMPERATURSKIM KOEFIIJENTOM (PT) I NEGATIVNIM TEMPERATURSKIM KOEFIIJENTOM () ; TERMOMETAR SA TRANZISTOROM ( PN SPOJEM) KAO SENZOROM TEMPERATURE PT termistor otpornik čija otpornost eksponencijalno raste sa porastom temperature u određenom ospegu iznad Kirijeve temperature. Osnovni materijal za proizvodnju PT termistora je barijum titanat (BaTi0 3 ). Kirijeva temperatura se podešava dopiranjem, u zavisnosti od primene termistora. PT termistori se koriste kao prekidački elementi za zaštitu motora od samozagrevanja, indikatore nivoa, itd. Kao termometri se koriste samo za uske temperatune opsege, kada ih odlikuje odlična osetljivost, i kotiste se u digitalnim toplomerima, za merenje telesne temperature. Termistor Poluprovodnički otporni pretvarač čija otpornost ekponencijalno opada sa porastom temperature. Karakteriše ih velika osetljivost. Mogu biti minijaturnih dimenzija što omogućava merenje veoma brzih temperaturnih promena. Napon direktno polarisanog PN spoja linearno opada sa porastom temperature. Temperaturni opseg termometara na bazi PN spoja je uzak i kreće se od oko -50 pa do oko 150. Ipak zbog niske cene često se koriste. Da bi se obezbedila lineranost neophono je korišćenje stujnog ogledala kojim se poništava uticaj nereproduktivnosti karakteristika traznistora u procesu njihove proizvodnje. 8.1. ZADATAK VEŽBE a) Snimiti karakteristiku otpornost - temperatura, RPT ( T ) i R ( T ), PT i termistora i odrediti konstantu B [1/K] za oba termistora. b) Podesiti izlaznu karakteristiku (nulu i osetljivost) tranzistorskog termometra tako da se temperatura u opsegu 0 80 očitava na skali digitalnog milivoltmetra. Osetljivost merenja treba da iznosi 10 mv/. c) Na više ustaljenih temperatura izmedu 0 i 80 izmeriti greške tranzistorskog termometra poredeći ga sa preciznim živinim termometrom. d) Za vreme izvođenja eksperimenta meriti napon baza-emitor senzorskog tranzistora i odrediti srednju osetljivost napona U u [mv/ ]. be 8.2. TEORIJSKI OSNOVI Termistori sa pozitivnim temperaturskim koefieijentom ( PT ) predstavljaju poluprovodničke senzore temperature koji se izrađuju od feroelektričnih materijala. U ograničenom temperaturskom opsegu počev od jedne određene temperature, PT termistori naglo povećavaju otpornost. Tipičan oblik RPT ( T ) karakteristike prikazan je na sl. 8.1. Pri nižim temperaturama PT termistori imaju otpornost od samo stotinak oma. U ovoj oblasti temperaturski koeficijent otpornosti ima malu negativnu vrednost. Počev od tzv. Kirijeve temperature započinje brzi porast otpornosti od oko 50 %/º. To predstavlja više od 100 puta veću osetjivost od metalnih otpornih termometara i oko 10 puta veću od termistora. Pri visokim temperaturarna otpornost dostiže oko tri reda veličine veću vrednost nego ispod Kirijeve temperature. Radi upoređenja na sl. 8.1 je isprekidanom linijom prikazana i tipična karakteristika termistora. Porast otpornosti PT termistora iznad Kirijeve tačke je toliko brz da se oni uglavnom koriste za diskretnu (on/off) signalizaciju premašenja neke temperature. PT termistori se ne primenjuju u merenjima temperature, osim u uskom temperaturnom opsegu (npr. merenju temperature ljudskog tela). Osnovni materiji za proizvodnju PT termistora je barijum titanat (BaTiO 3). On se koristi takođe i za izradu piezoelektričnih pretvarača. U čistom stanju barijum titanat je izolator koji kao strana 1 od 7
feroelektrik ima veoma veliku relativnu dielektričnu konstantu ( r >100). PT termistori se proizvode postupkom sinterovanja, što znači da oni imaju strukturu keramike. Pre sinterovanja sprašenom barijum titanatu se dodaju određene primese koje materijalu daju osobine poluprovodnika. Sinterovanje se obavlja pri temperaturi od oko 1400. Sinterovani materijal sastoji se od mnoštva 4 monokristalnih zrna dimenzija oko 5 10 cm, koja su međusobno razdvojena graničnim slojevima 5 debljine 10 cm. Barijum titanat, iznad Kirijeve temperature T, menja tip kristalne rešetke i gubi feroelektrične i piezoelektrične osobine. Opadanje dielektrične konstante iznad Kirijeve tačke prikazuje Kiri - Vajsov zakon: onst ( T ) (8.1) T Kirijeva temperatura T, na RPT ( T ) karakteristici sl. 8.1, odgovara otpornosti koja je dva puta veća od minimalne otpornosti, tj. RPT ( T ) 2 Rmin. Iznad Kirijeve temperature porast otpornosti prikazuje se izrazom: gde konstante B ( T T ) T PT R( T ) A e, ( T T ), (T > T ) (8.2) PT A PT i B PT karakterišu dati termistor. U literatmi se takođe koristi i izraz: B T PT PT PT R( T ) A e, ( T T ) (8.3) Slika 8.1: Otporno temperaturske karakteristike PT i termistora. Počev od tačke M na sl. 8.1, porast otpornosti je sporiji, a u tački P otpornost dostiže svoju maksimalnu vrednost, koja je preko tri reda veličine veća od R min. Pri daljem povišenju tempetature otpornost počinje da se smanjuje što je tipična pojava kod poluprovodnika. Kirijeva temperatura čistog barijum titanata iznosi 118. Dopiranjem se može ostvariti i sniženje i povišenje Kirijeve temperature. Na taj način se proizvode PT termistori sa različitim temperaturama reagovanja koje odgovaraju pojedinim namenama. Kirijeva temperatura komercijalnih PT termistora kreće se od 30 do 170. Smatra se da je otpornost PT termistora prvenstveno određena otpornošću slojeva koji okružuju monokristalna zrna, a ne otpornošću zrna. Iznad Kirijeve temperature smanjuje se dielektrična konstanta i raste potencijalna barijera na granici zrna, što rezultuje naglim porastom otpornosti termistora. Otpornost termistora se smanje sa porastom napona što se naziv varistorski efekt. Zato pri merenjima treba navesti koliki je bio radni napon termistora. Pri naizmeničnoj struji PT termistor se prikazuje ekvivalentnom šemom paralelne veze otpornika i kondenzatora. Impedansa termistora i temperaturska osetljivost se smanjuju sa porastom frekvencije. termistori predstavljaju otporne pretvarače za merenje temperature, koji se u električnom pogledu svrstavaju u poluprovodnike. Oni se dobijaju sinterovanjem smeše oksida metala sa dodatkom dopirajućih primesa. Ime su dobili skraćenjem engleskog termina "Negative Temperature oefficient strana 2 od 7
THERMally sensitive resistor". Pri zanemarljivo maloj sopstvenoj disipariji zavisnost otpornosti od temperature data je izrazom R T A e B T (8.4) gde je T [K] apsolutna temperatura, a A i B konstante koje zavise od tipa termistora. Izraz (8.4) može se napisati i u obliku 1 1 B T T1 (8.5) R ( T) R ( T ) e gde je R ( T 1 ) otpornost termistora na temperaturi T 1. Ako se na dve temperature T 1 i T 2 izmere otpornosti R ( T 1 ) i R ( T 2 ), iz (8.5) za konstantu B izračunava se B 1 ln R ( T2 ) / R ( T1 ) 1 1 T T 2 1 Termistor kao temperaturski senzor se karakteriše velikom osetljivošću, koja je oko deset puta veća od osetljivosti platinskog otpornog termometra. Međutim, otpornost termistora je veoma nelinearna, što se vidi na tipičnoj karakteristici, sl 8.1. termistori mogu imati minijaturne dimenzije, manje od milimetra, što ih čini pogodnim za merenje brzih temperaturskih promena. Zbog svoje velike osetljivosti termistori su pogodni za merenje u užim temperaturskim intervalima, kao na primer u medicini, biologiji, meteorologiji, klimatizaciji itd. Poluprovodničke komponente na bazi PN spoja, kao što su silicijumske diode i tranzistori koriste se sa uspehom kao senzori temperature. Napon direktno polarisanog PN spoja diode i tranzistora, u širokom opsegu temperature, menja se priblizno linearno sa osetljivošću od oko 2.2 mv/. Međutim, termometri na bazi PN spoja ipak se ne mogu konkurisati termometrima kao što su termoparovi ili platinski termometri, iz više razloga. Maksimalna temperatura PN spoja je relativno niska i kreće se oko 150. Napon PN spoja i njegova temperaturska zavisnost su nereproduktivne veličina, tj. menjaju se od jedne do druge serije proizvedenih komponenti. Međutim termometri na bazi PN spoja imaju i svoje dobre strane. Pre svega tranzistori i diode su jeftine komponente i raspoloživi su u svakoj laboratoriji. Tačnost koja je red a veličine 0.5, a takođe i merni opseg zadovoljavaju u mnogim praktičnim merenjima. Osim toga, oblik i dimenzije manjih tranzistora i dioda su pogodni za konstrukciju temperaturskih senzora uobičajenog oblika i brzine odziva. Već duže vremena postoje komercijalni tranzistorski termometri u formi jedne integrisane komponente koja sadrži i senzor i pojačavač u istom kućištu. 8.3. PRIMERI PRAKTIČNE PRIMENE PT TERMISTORA Na slici 8.2.a prikazana jc blok šema uređaja za zaštitu statorskih namota trofaznog električnog motora od pregrevanja pomoću PT termistora. Pri izradi, u namote se ugrađuju PT termistori čija Kirijeva temperatura odgovara maksimalno dozvoljenoj temperaturi namota. Kod pregrevanja (usled kratkog spoja ili blokiranja rotora), temperatura namota raste iznad Kirijeve, pa se otpornost PT termistora naglo povećava. Time se aktivira zaštitna sklopka (rele) i isključuje napon napajanja. Na sl. 8.2 b, c i d ilustrovane su neke od primena PT termistora u samozagrejanom režimu, tj. u nelinearnom opsegu U I karakteristika. Sl. 8.2 b prikazuje U I karakteristike u mirnom vazduhu i vodi. Disipaciona konstanta termistora u vodi je veća, pa je nelinearni deo karakteristike viši nego u vazduhu. U vazduhu radna tačka je A, a u vodi B. Prelaskom iz vazduha u vodu dobija se skokovita promena struje i napona, što predstavlja signal da je, na primer, nivo presao kritičnu granicu. U pokretnom fluidu strujni maksimum U I karakteristike se povećava sa porastom brzine. Pri različitim brzinama vazduha može se snimiti familija U I krivih, i na bazi njih projektovati uređaj za merenje brzine vazduha pomoću samozagrejanih PT termistora. Na sl. 8.2 c prikazano je merenje nivoa pomoću niza samozagrejanih PT termistora postavljenih duž rezervoara. U vazduhu svi termistori su veoma zagrejani i ukupna struja koju pokazuje instrument je mala. Kada neki od termistora dospe u tečnost, njegova temperatura opada, što (8.6) strana 3 od 7
prouzrokuje skokovito povećanje struje u glavnom kolu. Na taj način je pokazivanje ampermetra srazmerno nivou tečnosti. Slika 8.2: a) Primena PT termistora za zaštitu trofaznog motora, b) U I karakteristike u vazduhu i vodi c) merenje nivoa lečnosti pomoću niza samozagnjanih termistora, d) termistor kao ograničavac struje potrošača. Termistor se koristi i kao osigurač u kolima potrošača male snage. Termistor je spojen redno sa potrošačem, sl. 8.2 d. Pri struji većoj od maksimalno dozvoljene, otpornost termistora naglo raste, struja u kolu opada, što zaštićuje potrošač. Pri tome ne dolazi do oštećenja termistora. 8.4. ŠEME VEZA I UPUTSTVO ZA RAD a) Otpornost termistora meri se pomoću digitalnog ommetra. PT termistor ima Kirijevu termperaturu od oko 80 º, a nalazi se u posudi sa vodom zajedno sa termistorom. Voda se zagreva električnim grejačem. Merenje započinje od sobne temperature. Zagrevanje se vrši do oko 90. Dobijeni rezultati prikazuju se na dijagramu sa polulogaritamskom razmerom, log R f ( T ). Konstanta B jednaka je recipročnoj vrednosti koeficijnta pravca prave log R f ( T). Konstanta B PT PT termistora predstavlja nagib prave linije kojom se najbolje aproksimira strmi deo karakteristike log R f ( T ). PT PT 8.4.1. SENZORI NA BAZI PROMENE NAPONA BAZA-EMITOR Pri analizi rada tranzistora dolazi se do sledećeg izraza za struju kolektora: qvg qube r I kt Kt 1 c T e e (8.7) gde je konstanta zavisna od geometrijskih parametara, r konstanta određena temperaturskom zavisnošću pokretljivosti manjinskih nosilaca elektriciteta u bazi, q elementarno naelektrisanje. V G potencijal zabranjene zone, k Boltzmannova konstama, T apsolutna temperatura i U be napon bazaemitor. Pošto je pri direktnoj polarizaciji baze qube / kt 1 q, izraz (8.7) se prikazuje u aproksimativnom obliku: U be c r kt T VG ln (8.8) q I strana 4 od 7
Formula (8.8) pokazuje da napon U be predstavlja temperaturski zavisnu veličinu, koja se pri porastu temperature smanjuje. Pri rasponima temperature manjim od oko 100, i pri stalnoj struji kolektora, logaritamski član u izrazu (8.8) je približno konstantan. Napon baza-emitor tada predstavlja linearnu funkciju temperature, što omogućava primenu tranzistora kao temperaturskog senzora. Slika 8.3: Operacioni pojačavač satlranzistorskim senzorom temperatre u režimu sa konstantnom strujom kolektora. Kolo pomoću koga se ostvaruje konstantna struja tranzistorskog pretvarača prikazano je na slici 8.3. Tranzistor je priključen u kolo povratne sprege operacionog pojačavača. Ulazna otpornost pojačavača može se smatrati veoma velikom. Pošto je ulaz bez inverzije "+" uzemljen, to je i napon na ulazu sa inverzijom "-" takođe nula (tzv. vituelna masa). Struja otpornika R je konstantna i iznosi: I E (8.9) R Samim tim i struja kolektora tranzistora je konstantna. Pošto je baza uzemljena, napon baza-kolektor je blizak nuli, što eliminiše površinske struje na spoju. Izlazni napon operacionog pojačavača je temperaturski osetljiv parametar tranzistora U. 8.4.2. LINEARIZOVANI TRANZISTORSKI TERMOMETRI be Ako dva tranzistora sa identičnim parametrima V G, r i imaju različite kolektorske struje I 1 i I 2, iz (8.8) se za razliku napona baza emitor dobija: kt I c1 U be U be1 U be2 ln (8.10) q I Treba uočiti da je izraz (8.10) u potpunosti linearan po temperaluri, za razliku od približno linearnog izraza (8.8). Jedan od principa konstrukcije linearnog tranzistorskog termometra u formi integrisanog kola prikazan je na sl. 8.4 a. Strujno ogledalo koje čine tranzistori Q 3 i Q 4, deli struju I T na dve jednake struje I1 I2 IT / 2. Q 2 se sastoji od nekoliko identičnih tranzistora (obično 8) koji imaju jednake parametre sa tranzistorom Q 1. Svaki od 8 tranzistora ima kolektorsku struju Ii I1 / 8. Napon U ( T ) na emitorskom otporniku R e iznosi: c2 kt I c1 k ln8 U ( T ) U be1 U be2 ln T (8.11) q I q Tranzistorski termometar na sl. 8.4 a daje naponski signal U i koji je linearno srazmeran temperaturi, ali se isto kolo češće primenjuje kao senzor koji daje strujni signal proporcionalan temperaturi. Pošto je napon U linearno srazmeran sa temperaturom, to je i slučaj sa strujom I U R 1 T / e T. Ukupna struja I T kojom se napaja kolo iznosi: c2 I T 2k ln 8 358 10 2I c1 T (8.12) qr R e e 6 Ako se podesi da je Re 358, dobija se I T A T gde je 6 A 10 [A/K]. Drugim rečima kolo na sl. 8.4 a predslavlja strujni generator čija je struja potrošnje izražena u mikroamperima brojno jednaka apsolutnoj temperaturi u K. Ovo kolo se kao komponenta sa dvožičnom vezom koristi za merenja temperature na većim rastojanjima, jer struja praktično ne zavisi od otpornosti veza i napona izvora za strana 5 od 7
napajanje, sl. 8.4 b. Izvor za napajanje spojen je sa rednim otpornikom R na kome se dobija izlazni napon. Ako je, npr. R 1000, izlazni napon u milivoltima je brojno jednak temperaturi u Kelvinima. Slika 8.4: a) Uz objašnjenje principa rada lineamog tranzistorskog termometra, b) kolo sa sl. a) primenjeno za daljinsko merenje temperature kao komponenta sa dvožičnom vezom. 8.4.2.1. ŠEMA TERMOMETRA I UPUTSTVO ZA RAD Šema ispitivanog termometra prikazana je na sl. 8.5. Kao pretvarač se koristi silicijumski tranzistor, koji je izolovan epoksidnom smolom i smešten zajedno sa živinim termometrom u termostatiranu posudu. Operacionim pojacavačem P 1 određen je radni režim senzorskog tranzistora, a na njegovom izlazu dobija se napon U be. Zener-dioda i otpornik R 1 obezbeđuju konstantan napon na otporniku R c a time i konstantnu kolektorsku struju tranzistora. Operacioni pojačavačem P 2 postiže se potrebno pojačanje napona U be. Otpornici R 2, R 3, i potenciometar R 4 služe za podešavanje nule izlaznog napona kada je pretvarač na tački topljenja leda. Naponsko pojačanje pojačavača P 2 je veće nego što je potrebno da se ostvari tražena osetljivost od 10 mv/. Smanjenje osetljivosti na potrebnu vrednost postiže se pomoću potenciometra R 5, sa čijeg se klizača izlazni napon vodi na ulaz digitalnog voltmetra. Slika 8.5: Šema eksperimentalnog tranzistorskog termometra. Pre početka merenja, pretvarač i živin termometar koji se koristi za kalibraciju, stavljaju se u termostatsku posudu sa smešom leda i vode. U toj posudi postaju sve dok živin termometar ne pokaže nulu, i dok se ne dobije konstantan izlazni napon na digitalnom voltmetru. Tada se pomoću strana 6 od 7
potenciometra R 4 "Podešavanje nule", postiže nulto pokazivanje voltmetra. Epruveta sa pretvaračem se zatim stavlja u termički izolovanu posudu sa vodom na temperaturi u opsegu (80-90), i uz stalno mešanje sačeka se dok se ne uspostavi kvazi-stacionarno stanje pri kome se opaža samo manje smanjivanje temperature termometra usled hlađenja vode u posudi. U tom trenutku se pomoću potenciometra R 5 podešava izlazni napon, tako da njegova vrednost u jedinicama 10 mv bude jednaka sa temperaturom u. Na primer, pri ustaljenoj temperaturi 81.5 izlazni napon treba da iznosi 815 mv. Opisanim postupkom izvršena je kalibracija termometra u dve tačke. Tačnost tranzistorskog termometra potrebno je proveriti na više ustaljenih temperatura unutar opsega kalibracije. Jedna od tih temperatura može da bude sobna. Pri tome je potrebno izmeriti znak i veličinu greške. Na ustaljenim temperaturama, pored izlaznog napona termometra potrebno je meriti takode napon U be. Promena napona Ube ( t) Ube( t) Ube(0 ) ΔUbe(t) = Ube(t) Ub (0 ) nanosi se na dijagram prikazan na slici 8.6, i kroz dobijene tačke povlači optimalna prava. Iz nagiba ove prave određuje se temperaturska osetljivost napona baza emitor izražena u mv/. Slika 8.6: Promena napona baza-emitor u zavisnosti od temperature. strana 7 od 7