Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Современная электроника приобрела ещё одно уникальное наименование электронного компонента – силистор. Что это за компонент, как работает, как применяется? Рассмотрим тему, принимая во внимание широко распространённую электронику, в качестве которой выступают термисторы – они же датчики температуры. Это важный момент, так как обзор охватывает, как привычные термические резисторы, так и относительно новые приборы — кремниевые.

Силистор – продолжение родословной термисторов

Термисторы (термические резисторы) представлены электронными приборами простого исполнения. По сути, это дискретные элементы, на два контакта, твердотельной структуры, способные менять сопротивление под влиянием окружающей температуры. Такого эффекта вполне достаточно для измерений, применяя соответствующую схему.

Термические резисторы, в категорию которых входит силистор, подчиняются закону Ома, аналогично постоянным резисторам. Исключением является тот эффект, когда сопротивление термистора варьируется под температурным фоном, под воздействием которого находится устройство.

Родословная электронных компонентов термисторов

Применением различных полупроводниковых материалов и технологических процессов выполняется изготовление приборов, как отрицательного ТКС (Термический Коэффициент Сопротивления), так и положительного ТКС. В условиях повышения температуры структуры отрицательного ТКС имеют малое сопротивление. Соответственно, структуры положительного ТКС имеют высокое сопротивление.

Как показано схемой ниже, имеются возможности разделения резистивно-температурной зависимости на линейные и нелинейные характеристики. Соответственно, в границах диапазона рабочих температур.

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Родословная приборов схематично, с разделением по характеристикам линейным и нелинейным, включая такие полупроводники, как силистор: 1 – Устройства (родословная); 2 – отрицательный ТКС; 3 – положительный ТКС; 4 – нелинейные; 5 – линейные; 6 – нелинейные (переключаемые)

Термисторы отрицательного ТКС применяют на практике давно. Это стандартный электронный элемент измерения температуры. Вместе с тем, новые линейные термисторы быстро набирают популярность, обладая явными преимуществами. Линейная электроника на основе кремния получила наименование «силистор» или температурный датчик серии KTY.

Силисторы подпадают под категорию сенсоров положительного ТКС, так как сопротивление силисторов увеличивается с повышением окружающей температуры. Нелинейные термисторы положительного ТКС традиционно используются для токоограничивающих применений. Причина — быстрое увеличение сопротивления от воздействия температуры, величина которой соответствует точке Кюри. Такие нелинейные устройства положительного ТКС обычно характеризуют «переключающими».

Общие схемы включения на полупроводник силистор

Термисторам для работы требуется внешнее возбуждение, учитывая, что ток, проходящий через резистивный компонент, вызывает падение напряжения на этом компоненте. Простой и экономичный способ смещения термисторов – это применение источника постоянного напряжения и схемы делителя напряжения (картинка A). Изменением температуры здесь достигается изменение падения напряжения на термисторе.

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Схематика включений: A – конфигурация делителя напряжения; B – конфигурация с постоянным током смещения

Для проектов с источником напряжения рекомендуется использовать логометрический подход, что помогает свести на нет эффект изменения источника питания. Другое решение по смещению — это схема источника постоянного тока (картинка B), контролирующая чувствительность «Vtemp». Цель — достичь высокой точности и в полной мере использовать полномасштабные аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Напряжение «Vtemp» обычно подается либо непосредственно в АЦП, либо направляется через компаратор для дискретного определения порога (схема ниже). Выходной сигнал компаратора остаётся низким до момента, пока «Vtemp» не поднимется выше порогового напряжения, установленного R1 и R2. Когда выходной сигнал становится высоким, компаратор подаёт сигнал предупреждения о перегреве.

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Пример схематичного построения, где отмечается использование силистора (термистора) в сочетании с микросхемой компаратором для определения порога

С целью удержания предупреждающего сигнала до момента возврата температуры к заданному значению можно применить один из двух вариантов. Либо использовать компаратор, имеющий встроенный гистерезис, либо добавить в конструкцию резисторы обратной связи.

Возможно, следует предпочесть линейный отклик «Vtemp» через силистор, потому что этим решением упрощается программная реализация, что приводит к меньшему количеству ошибок.

Традиционно комбинируют несколько термисторов отрицательного ТКС с фиксированными резисторами. Так получают линейную зависимость напряжения от температуры. Как минимум, применение термистора отрицательного ТКС требует добавления параллельного резистора, чтобы обеспечить линеаризацию напряжения «Vtemp».

Однако силисторам положительной ТКС присуща линейность. Эти устройства предлагают линейную характеристику «Vtemp», следовательно, не нуждаются в каких-либо дополнительных схемах. Поэтому, когда требуется сэкономить место и затраты при сохранении линейного отклика «Vtemp», рекомендуется использовать именно силистор.

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Допуск сопротивления и чувствительность силистора

Силисторы классифицируются по допуску на резистивность: отклонение сопротивления при любой заданной температуре. Этот параметр находится в диапазоне от 0,5% до + 10% и обычно указывается как допуск сопротивления при 25°C в технических паспортах. При выборе силистора необходимо рассчитывать допуски сопротивления при температурах рабочего режима. Следует использовать:

  • минимальные,
  • типичные,
  • максимальные значения сопротивления.

Этот расчёт важен, учитывая, что традиционные термисторы отрицательного ТКС обычно имеют гораздо больший допуск по сопротивлению при отклонении от 25°C, чем указано в технических паспортах. В некоторых случаях допуск сопротивления может увеличиваться в диапазоне ± 1-4%.

Силисторы — приборы на основе кремния, имеют более стабильный допуск по сопротивлению, благодаря составу материала и постоянной чувствительности к сопротивлению. По сравнению с термистором отрицательного ТКС ± 1%, некоторые силисторы с допуском ± 1% имеют максимальный допуск сопротивления до ± 1,5% при любых температурах.

Еще один значимый параметр силисторов — изменение сопротивления на градус Цельсия (чувствительность). Если АЦП не измеряет чувствительность, это может повлиять на точность измерения температуры. Как правило, термисторы отрицательного ТКС имеют очень большую чувствительность при низких температурах по причине экспоненциально нелинейного уменьшения сопротивления.

Силисторы в данном случае демонстрируют более согласованные значения чувствительности, что обеспечивает стабильные измерения в границах полного диапазона рабочих температур. Для силисторов также характерной является большая степень чувствительности. Поэтому, для точных измерений высоких температур оптимально подойдёт именно силистор.

Преимущественные стороны калибровки

Калибровка термисторов в процессе сборки – очевидный момент, позволяющий получить более точные показания температуры. Калибровка обычно выполняется путём измерения выходного сигнала термистора при известной температуре с последующим выполнением смещения. В зависимости от типа термистора и конкретного температурного диапазона, количество рекомендуемых точек калибровки сильно варьируется.

К примеру, когда требуется измерить широкий диапазон температур (+- 50°C и более), приборы отрицательного ТКС обычно требуют нескольких точек калибровки. Такой подход позволяет уменьшить ошибку, обусловленную допуском сопротивления, а также изменением чувствительности в зависимости от температуры.

Между тем силисторы – приборы на основе кремния, требуют, как правило, одноточечной калибровки, благодаря таким показателям, как:

  • высокая консистенция кремния,
  • линейность резистивно-температурной характеристики,
  • низкий допуск сопротивления.

Эффект самонагрева и дрейф датчика

Эффект самонагрев проявляется, когда прибор рассеивает мощность в виде тепла по мере пропускания тока. Это тепло генерируется внутри сердечника термистора и оказывает влияние на точность измерения. Степень самонагрева зависит от факторов:

  1. Материальная композиция.
  2. Размер термистора.
  3. Величина тока, протекающего через термистор.
  4. Условия окружающей среды, такие как теплопроводность окружающей среды датчика.
  5. Схема электрощита.

Сопротивление силистора положительного ТКС на основе кремния увеличивается с повышением температуры, чем достигается снижение энергопотребления. Поскольку такого типа элементы сделаны из кремния, имеет место минимальный самонагрев, по сравнению с теми же термисторами отрицательного ТКС.

Силистор положительного ТКС на основе кремния также отличается меньшим дрейфом датчика, по сравнению  с традиционным термистором отрицательного ТКС. Очевидный момент, учитывая лучшую стабильность кремния.

Общие методы преобразования программным обеспечением

Существует несколько способов программного преобразования VTemp непосредственно в значение температуры. Начальный принцип всех практически аналогичен. Код программы считывает значение из АЦП и присваивает это значение переменной. От этой точки уже допустимо рассчитать значение сопротивления и применить один из многих методов преобразования.

Одним из распространённых методов видится использование справочной таблицы. Таблица предварительно заполняется массивом рабочих температур и ожидаемыми значениями сопротивления.

Программный код выполняет поиск ближайшего значения сопротивления в таблице путём округления в большую или меньшую сторону, подыскивает соответствующее значение температуры. Если требуется высокая точность, используется таблица с интерполяцией. Вычисление температуры между двумя значениями таблицы вместо округления в большую или меньшую сторону, соответственно, приведёт к более точным показаниям.

Другой метод преобразования температуры, предпочтительный для приложений, требующих памяти, — уравнение аппроксимации кривой. Уравнение точно представляет кривую резистивно-температурного устройства. Обычный метод для термисторов отрицательного ТКС влечет за собой использование уравнения Стейнхарта-Харта:

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

где: T — температура (Кельвин); R — расчётное значение сопротивления; A, B, C — расчётные коэффициенты; ln — функция натурального логарифма.

Между тем применительно к силисторам допустимо использовать простую формулу полиномиальной регрессии четвертого порядка, что приводит к более быстрому времени обработки, чем уравнение Стейнхарта-Харта:

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

где T — температура (Цельсий); R — расчётное значение сопротивления; A (0–4) — полиномиальные коэффициенты.

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Силистор это кремниевый термистор линейного типа

Заключение

Силисторы — приборы на основе кремния, имеют массу преимуществ перед традиционными термисторами отрицательного ТКС. Доступны несколько вариантов исполнения силисторов на основе кремния, но препятствием внедрения таких электронных устройств является достаточно высокая стоимость. Между тем фирма «Texas Instruments» выпускает семейство приборов на основе кремния, сопоставимых по цене с обычными термисторами.

При помощи информации: TI

Источник