Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперные характеристики терморезисторов с положительными ТКС зависят от температурной характеристики сопротивления, температуры окружающей среды и коэффициента рассеяния. С увеличением прикладываемого напряжения вольт-амперная характеристика подчиняется закону Ома до тех пор, пока нагрев протекающим током не увеличит температуру прибора выше точки Кюри. Далее сопротивление начинает резко расти, что сопровождается соответствующим уменьшением тока. На рис. 23 построено семейство типовых вольт-амперных характеристик терморезисторов с положительным ТКС для различных темпера-тур окружающей среды. При дальнейшем возрастании прикладываемого напряжения терморезистор с положительным ТКС может быть нагрет выше температуры, соответствующей точке перегиба на температурной характеристике сопротивления, и тогда ток снова начнет расти. Последующее нагревание может привести к тепловому разрушению, если сопротивление прибора приближается к R_max.

При использовании терморезисторов с положительным ТКС в качестве ограничителей тока полезно уметь рассчитать пиковое значение тока на вольт-амперной характеристике. Это можно сделать следующим графическим методом:

1. Строим температурную характеристику терморезистора с положительным ТКС в линейном масштабе (рис. 24).

2. Проводим касательную к этой характеристике, чтобы она проходила через точку на оси абсцисс, соответствующую температуре окружающей среды.

3. Определяем значения R_m и T_m и подставляем их вместе со значением К в уравнение:

(3.3)

Применение

В принципе, области применения терморезисторов с положительным и отрицательным ТКС совпадают. Можно указать два основных назначения этих приборов в зависимости от того, используются ли они как термодатчики для обнаружения изменений температуры окружающей среды или как элементы, рассеивающие мощность в режиме прямого подогрева. При измерении температуры важную роль играет температурная характеристика сопротивления, особенно на участке резкого изменения. В режиме рассеяния мощности интерес представляют статическая вольт-амперная характеристика и способность ограничивать ток. В других случаях, когда требуется низкий рабочий ток, большую роль играет динамическая вольт-амперная характеристика или временная зависимость тока.

Хотя в настоящее время терморезисторы с положительным ТКС уступают своим аналогам с отрицательным ТКС по числу и разнообразию применений, необходимо помнить, что первые относятся к сравнительно новым приборам. Лишь в последние годы стало очевидно, что терморезисторы с положительным ТКС могут сыграть важную роль в разработке полностью твердотельных переключающих и управляющих схем, причем число применении и специализированных конструкций приборов быстро возрастает. Поэтому можно предвидеть, что количество терморезисторов с положительным ТКС, используемых в промышленных и бытовых устройствах, в ближайшие годы достигнет уровня применения терморезисторов с отрицательным ТКС.

Когда терморезисторы с положительным ТКС используются в качестве термодатчиков, они работают при низких уровнях мощности во избежание саморазогрева. Чтобы избежать ошибок, вызываемых варисторным эффектом в материале этого типа, сопротивление следовало бы (в идеале) измерять при низком постоянном напряжении. Однако в реальных условиях точное регулирование прикладываемого напряжения становится ненужным, так как позисторы непригодны для прецизионного измерения высоких температур вследствие своей нестабильности, и поэтому здесь может идти речь только о чрезмерно больших колебаниях напряжения питания.

Известно, что идеальный датчик для измерения температуры должен обладать воспроизводимой линейной зависимостью сопротивления от температуры в широком диапазоне температур при высоком ТКС, а сам прибор должен иметь воспроизводимые параметры с приемлемыми отклонениями при серийном производстве. Терморезисторы положительным ТКС отвечают только одному из этих требований - имеют высокий ТКС. Они действительно обладают воспроизводимой температурной характеристикой сопротивления, но ее линейность ограничивается очень узким интервалом температур. Поскольку проводимость терморезисторов с положительным ТКС определяется свойствами как самих зерен, так и явлениями на их поверхности, то регулировать разброс сопротивлений в процессе производства в данном случае значительно труднее, чем для терморезисторов с отрицательным ТКС. Поэтому для получения приемлемого выхода годных приборов и снижения их стоимости приходится задаваться менее жесткими допусками. Еще более нестабильным, чем сопротивление, параметром терморезистора

с положительным ТКС является наклон его температурной характеристики, который также зависит от проводимости в объеме и на поверхности зерен. Так как характеристики терморезисторов с положительным ТКС далеки не только от идеальных, но даже от удовлетворительных, их не рекомендуют применять для измерения температуры.

Многие электротехнические устройства предназначены для работы при температурах, близких к предельно допустимой для используемых в них изоляционных материалов. Современные электродвигатели и некоторые трансформаторы имеют рабочую температуру лишь на 10-20°С ниже, чем предельно допустимая для изоляции обмоток. Любой дефект в устройстве или в системе, где работает это устройство, неизбежно влечет за собой повышение рабочей температуры устройства относительно номинальной и поэтому резко увеличивает вероятность его пробоя вследствие нарушения изоляции. Ремонт изоляции больших трансформаторов и электродвигателей обходится достаточно дорого; кроме того, их временный простой тоже связан с большими затратами. Даже в случае более дешевых элементов, таких как мощные транзисторы, истинный ущерб от пробоя может быть непропорционально выше стоимости ремонта или замены. Отсюда совершенно очевидна необходимость в защитном тепловом устройстве, которое сигнализирует или отключает источник питания, когда температура каких-либо основных устройств превысит допустимый уровень. Терморезисторы, обладающие очень большим положительным ТКС в определенном температурном диапазоне, являются идеальными термодатчиками для этих целей, и в устройствах тепловой защиты они стали применяться уже достаточно давно. Так, в течение последних десяти лет они успешно использовались для тепловой защиты обмоток возбуждения мощных электродвигателей.

Терморезисторы с положительным ТКС и небольшим наклоном температурной характеристики, а также температурой Кюри ниже 0°С можно использовать для термокомпенсации электронных элементов, схем и устройств.

Многие бытовые электротехнические приборы также снабжают терморезисторами для защиты от слишком больших токов или для ограничения потребления тока из сети при аварии. Терморезистор с положительным ТКС, включенный последовательно с конденсатором, защищает осветительную газоразрядную лампу от повреждения большим током при пробое конденсатора.

Терморезисторы часто заделывают в вилку электробритвы для ограничения тока вследствие дефекта в самой бритве и включения ее в сеть с напряжением, не соответствующим номинальному.

Трансформаторы многих калькуляторов также защищают от токовых перегрузок с помощью терморезисторов. Низковольтные источники для группового питания плат печатного монтажа в системах связи или ЭВМ тоже можно защищать от токовых перегрузок, вызываемых выходом из строя или коротким замыканием элементов печатных схем. Это осуществляют подсоединением к входной клемме каждой печатной платы низкоомного терморезистора вместо плавкого предохранителя. В случае необходимости сигнализации о возникновении аварийной ситуации параллельно терморезистору включают светодиод, который срабатывает при переходе терморезистора в более высокоомное состояние. Низкоомный динамик защищают от токовой перегрузки, последовательным соединением с его катушкой низкоомного терморезистора с положительным ТКС, который иногда шунтируют резистором.

Способность терморезистора с положительным ТКС ограничивать протекающий через него ток можно использовать для поддержания его в заданных пределах при больших изменениях прикладываемого напряжения и температуры. Чтобы добиться нужного значения тока, обычно терморезистор шунтируют постоянным резистором, сопротивление которого рассчитывают по известной вольт-амперной характеристике или находят эмпирическим путем.

В этом отношении большое практическое значение имеет применение терморезистора с положительным ТКС как токорегулирующего прибора в системах телефонной связи общего пользования.

Так как вольт-амперная характеристика терморезистора с положительным ТКС изменяется в зависимости от его коэффициента рассеяния, то один из способов изменения теплоотвода от терморезистора прямого подогрева заключается в изменении состава окружающей его среды, например в замене газа на жидкость. Чувствительность по отношению к окружающей среде можно максимизировать, модифицировав конструкцию терморезистора, например уменьшив теплопроводность его выводов. При соблюдении определенных условий терморезисторы прямого подогрева с положительным ТКС можно использовать в качестве чувствительных индикаторов уровня жидкости. Эти условия следующие:

· вольт-амперная характеристика терморезистора, погруженного в жидкость при максимально допустимой рабочей температуре, не должна перекрываться с характеристикой в газе (обычно воздухе) при наинизшей допустимой рабочей температуре;

· теплоемкость терморезистора с положительным ТКС должна быть малой, чтобы при изменении окружающих условий сигнал изменялся с малой постоянной времени.

Так как вольт-амперная характеристика терморезистора с положительным ТКС чувствительна к изменениям окружающей среды, то его можно использовать для обнаружения течений в жидкостях и газах.

Терморезисторы с положительным ТКС можно также применять для сигнализации о выходе из строя или снижении рабочих параметров вентиляторов и воздуходувок, в качестве устройств для тепловой защиты и саморегулируемых нагревательных элементов, генераторов импульсов и устройств временной задержки.