Fórum ElektroLab.eu

Čo sú nelineárne odpory

Čo sú nelineárne odpory
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  650 zobrazení
5
 0
Rádioamatérov almanach

Pri nelineárnych rezistoroch neexistuje lineárny vzťah medzi napätím a prúdom pretekajúcim cez komponent. V praxi sa môžete stretnúť s VDR, NTC, PTC, LDR a MDR ako s typickými predstaviteľmi týchto typov komponentov.

Predslov

Lineárne odpory

Bežné pevné rezistory, ako napríklad známe rezistory s uhlíkovým alebo kovovým filmom, sú lineárne prvky. To znamená, že existuje lineárny vzťah medzi napätím, ktoré aplikujete na rezistor, a prúdom, ktorý cez neho prechádza. Tento lineárny vzťah je zakreslený do grafu na obrázku nižšie. Krivka, ktorá udáva vzťah medzi napätím a prúdom, je priamka. Ak sa napätie na rezistore zdvojnásobí z 10 V na 20 V, zdvojnásobí sa aj prúd. Koniec koncov, vzťah medzi prúdom a napätím je daný Ohmovym zákonom: U = I x R

Lineárny vzťah medzi prúdom a napätím s obyčajným odporom.

Nelineárne odpory

Bolo vyvinutých niekoľko typov rezistorov, kde vzťah medzi prúdom a napätím nie je lineárny. Táto nelinearita je spôsobená skutočnosťou, že odpor nemá konštantnú hodnotu, ale závisí od určitých vonkajších faktorov. Tri hlavné typy sú:

  • VDR - Rezistor závislý od napätia, kde odpor klesá so zvyšujúcim sa napätím v časti. Výsledkom je, že prúd rastie viac ako lineárne so zvyšujúcim sa napätím v celom komponente.
  • NTC - Odpor s negatívnym teplotným koeficientom, kde odpor klesá so zvyšovaním teploty komponentu. Pretože teplota rezistora závisí aj od rozptýleného výkonu, to znamená od prúdu a napätia, priamym dôsledkom je, že vzťah medzi I a U nie je lineárny.
  • PTC - Odpor s pozitívnym teplotným koeficientom, kde sa odpor zvyšuje pri zahrievaní komponentu. Z rovnakého dôvodu ako pri NTC spôsobuje tento jav nelineárny vzťah medzi napätím a prúdom.

Nelineárne charakteristiky

Typické nelineárne charakteristiky týchto troch komponentov sú zhrnuté na obrázku nižšie. Zvláštne charakteristiky NTC a PTC sú výsledkom množstva nelinearít, ktoré sa hromadia. Pretože prúd a napätie nie sú lineárne spojené, neexistuje ani lineárny vzťah medzi týmito veličinami a výkonom rozptýleným v rezistore. Okrem toho vzťah medzi rozptýleným výkonom a teplotou komponentu tiež nie je lineárny. Kruh je uzavretý, pretože vzťah medzi teplotou a odporom tiež nie je lineárny.

Nelineárne charakteristiky VDR, NTC a PTC.

LDR a MDR

Okrem spomenutých troch nelineárnych rezistorov existujú ešte dva ďalšie typy, ktoré môžete tiež klasifikovať s nelineárnymi rezistormi. V skutočnosti to nie je správne, pretože ak sa odpor týchto komponentov udržiava konštantný, správajú sa ako normálny odpor, teda s lineárnym vzťahom medzi napätím a prúdom.

  • LDR - Odpor závislý od svetla, má odpor, ktorý klesá, keď je komponent osvetlený.
  • MDR - Magnetický závislý rezistor má odpor, ktorý závisí od magnetického toku dopadajúceho na komponent.

Rezistory LDR

Čo sú zač?

LDR sú rezistory, ktorých hodnota klesá s dopadom väčšieho množstva svetla na rezistor. LDR vám umožňujú navrhnúť svetelné závory alebo súmrakové spínače veľmi jednoduchým spôsobom.

Výroba

Fotocitlivé odpory môžu byť vyrobené z rôznych materiálov. Vo väčšine prípadov sa používa spekaný selenid kademnatý alebo sulfid kademnatý, ktorý je preferovaný, pretože má svoju maximálnu citlivosť na vlnovú dĺžku, pri ktorej má ľudské oko tiež svoju maximálnu citlivosť. Okrem toho sa však používajú aj určité polovodiče, ako je germánium, kremík, arzenid gália a indium antimón.

Citlivosť na svetlo

Fotocitlivosť sa dá vysvetliť skutočnosťou, že v spomenutých materiáloch je pomerne veľa pohyblivých nosičov nábojov, dier a elektrónov. Mobilita sa môže zvýšiť, ak nosiče náboja absorbujú energiu z elektromagnetického žiarenia dopadajúceho na materiál. Na vytvorenie „dvojice“, kombinácie diera / elektrón, je však potrebné minimum energie. Táto minimálna energia závisí od materiálu. Energia, ktorú môže elektromagnetické žiarenie vydávať, závisí okrem iného od vlnovej dĺžky. Táto energia je vyjadrená v elektrónvoltoch eV. Preto nie sú LDR rovnako citlivé na všetky typy svetla.

Fyzická prevádzka

Obrázok nižšie ukazuje, čo sa stane v LDR, keď je komponent pripojený k zdroju napätia U. Ak LDR nie je osvetlená (vľavo), reťazou bude stále pretekať veľmi malý prúd. Odpor neexponovaného LDR je preto veľmi vysoký. Tento prúd je výsledkom spontánneho posunu nosičov náboja, čiastočne v dôsledku tepelného miešania v materiáli.
Ak odhalíte LDR (vpravo), výrazne sa zvýši počet voľných nosičov v materiáli. Otvory migrujú do zápornej svorky zdroja napätia a prijímajú elektrón. Elektróny idú na kladnú svorku zdroja napätia, aby sa spojili s kladným iónom. V dôsledku tejto činnosti obvodom preteká väčší prúd, čo je najlepším dôkazom toho, že sa odpor LDR znížil.

Princíp fungovania LDR rezistora.

Spektrálna citlivosť LDR

Ako už bolo uvedené, citlivosť LDR závisí okrem iného od materiálu, z ktorého je komponent vyrobený, a od vlnovej dĺžky svetla. Na nasledujúcom obrázku je znázornená krivka citlivosti germánia-LDR. Maximum je v prípade svetelného žiarenia s vlnovou dĺžkou 1,8 µm.

Spektrálna citlivosť LDR na báze germánia.

Maximálna spektrálna citlivosť a minimálna energia môžu byť odvodené pre rôzne základné materiály z nižšie uvedeného prehľadu.

Germánium

  • Minimálne napätie: 0.7 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 1.8 µm

Kremík

  • Minimálne napätie: 1.1 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 1.0 µm

InSb

  • Minimálne napätie: 0.23 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 6.0 µm

GaAs

  • Minimálne napätie: 1.35 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 0.85 µm

CdS

  • Minimálne napätie: 1.20 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 0.55 µm

Odpor ako funkcia osvetlenia
Odpor LDR je daný výrazom: R = A x E
v ktorom:

  • R je odpor v ohmoch.
  • E je intenzita osvetlenia v luxoch.
  • A a α sú konštanty materiálu.

LDR v dennej laboratórnej praxi

Pri navrhovaní obvodov sa pravdepodobne budete zaoberať iba LDR sulfidu kademnatého (CdS). Obrázok nižšie zobrazuje tri verzie týchto komponentov.

Praktické verzie LDR na báze sulfidu kademnatého.

Špecifikácie LDR na báze sulfidu kademnatého

Stručný prehľad priemerných špecifikácií týchto komponentov:

  • Odpor za tmy: približne 100 MΩ
  • Odpor pri 1 000 luxoch: 300 Ω až 75 Ω
  • Doba zotavenia: 200 kΩ / s
  • Maximálne napätie: 150 V.
  • Parazitická kapacita: 6 pF

Rezistory MDR

Čo sú zač?

MDR sú rezistory, ktorých hodnota závisí od magnetického poľa prechádzajúceho cez rezistor. Čím väčšie je magnetické pole, tým vyšší je ich odpor. MDR sa dajú použiť napríklad pri navrhovaní tachometrov, kde permanentný magnet na rotujúcom hriadeli poskytuje zmenu odporu.

Princíp

Fungovanie týchto komponentov je založené na Gaussovom efekte. Ak privediete vodič prenášajúci prúd kolmo na magnetické pole, toto pole sa pokúsi dosiahnuť, aby sa nosiče náboja odchýlili od svojej dráhy vodičom. To spôsobí posun v prúdovej ceste vodičom, zmenšenie vodivého prierezu a zvýšenie odporu. Tento fyzikálny efekt sa samozrejme neobjaví rovnako u všetkých materiálov. Čisté kovy nie sú veľmi ovplyvnené. Bolo však možné vyvinúť zlúčeniny, ktoré sú maximálne ovplyvnené Gaussovým efektom. Veľmi užitočnou surovinou je InSb / NiSb, antimonid indný / antimonid nikelnatý, polovodičový materiál.

Technológia MDR

Väčšina výrobcov využíva uvedený materiál pri výrobe svojich MDR, ktoré sa nanášajú vo forme meandra na keramický podklad. Tento základný tvar je nakreslený na obrázku nižšie.

Konštrukcia MDR od spoločnosti Siemens.

Linearizácia prevádzky

Niektorí výrobcovia predávajú polia, ktoré obsahujú štyri identické MDR na jednom substráte a sú spojené ako Wheatstoneov most. Tým sa dosiahne nielen vyššia citlivosť, ale tiež sa zníži citlivosť celku na vplyvy teploty okolia a charakteristika je lineárnejšia.

MDR v dennej laboratórnej praxi

V praxi sa najčastejšie budete stretávať s MDR od spoločnosti Siemens. Na obrázku nižšie sú nakreslené dve praktické verzie. Tieto komponenty majú veľkosť iba niekoľko milimetrov, a preto sú ideálne na inštaláciu vo všetkých druhoch aplikácií. Ľavý MDR má typové číslo FP17-D500E a základný odpor 500 Ω. Maximálna zmena odporu je faktor 15, maximálne prípustné napätie v celej časti je 100 V.

Príklad používaných MDR od spoločnosti Siemens.

NTC rezistory

Čo sú zač?

NTC sú rezistory, ktorých hodnota klesá so zvyšovaním teploty rezistora. Napríklad s NTC môžete navrhnúť obvody, ktoré vypnú napájanie výkonového zosilňovača, ak je teplota chladiča príliš vysoká. NTC sa hodia aj pri navrhovaní nie príliš presných termostatov.

Výroba

Ako surovina na výrobu NTC rezistorov sa používajú oxidy zo skupiny železa, najmä železo, chróm, kobalt, mangán a nikel. Aj keď tieto materiály samy o sebe majú nepoužiteľný vysoký odpor, užitočná surovina sa získa zmiešaním s dobrými vodičmi, ako je lítium a titán. K práškovým oxidom sa pridajú spojivá, ktoré sa pomocou keramiky prevedú na plátky alebo tyčinky. Elektrické spojenia sa získavajú odparovaním kovových povrchov.

Charakteristika odporu NTC

NTC, niekedy označované ako termistory, majú veľký negatívny teplotný koeficient. Keď je komponent zahriaty, hodnota odporu výrazne klesá. Graf na obrázku nižšie, ktorý ukazuje vzťah medzi teplotou a vývojom odporu, tiež ukazuje, že vzťah nie je lineárny. Všimnite si os logaritmického odporu.

Vývoj odporu typického NTC pri zmene jeho teploty.


A teraz matematicky.

Vzťah medzi odporom a teplotou je exponenciálny podľa vzorca: Rt = Rn x eB(1/T - 1/Tn)

v ktorom:

  • Rt je odpor NTC pri teplote t.
  • Rn je odpor NTC pri 25 ° C.
  • B je konštanta určená rozmermi NTC.
  • T je teplota okolia vyjadrená v stupňoch Kelvina.
  • e sa rovná 2,718.

Linearizácia charakteristiky

NTC sa v praxi často používajú na meranie teplôt. Ak sa však snímanie vykonáva digitálne, musí existovať lineárny vzťah medzi teplotou a zmenou odporu. Preto je potrebné NTC linearizovať. Je potrebné povedať, že sa to nedá dosiahnuť v celom použiteľnom teplotnom rozmedzí. Rozsah 50 až 100 stupňov je maximum, v závislosti od nastavených limitov linearity. V praxi budete musieť vždy zvoliť malú oblasť a linearizovať vzťah medzi odporom a teplotou okolo tejto oblasti. Obrázok nižšie ukazuje štandardný spôsob. NTC je zahrnutý v sériovom / paralelnom usporiadaní Ri / Rt / R2. Pomer medzi napätím Us v celom obvode a napätím Ua v NTC je daný vzorcom:
Ua = Us / [R1 (1 / Rt + 1 / R2) + 1]
Toto je:

  • Rt odpor NTC v strede rozsahu, ktorý sa má linearizovať.
  • R1 je sériový odpor, ktorého hodnota sa rovná Rt.
  • R2 je paralelný odpor, ktorého hodnota sa rovná 10 x Rt.

Účinok takejto linearizácie je nakreslený v pravom grafe. Celý graf ukazuje normálny vývoj rezistencie NTC, bodkovaný graf rovnaký vývoj po linearizácii.

Linearizačný obvod pre NTC.

Tepelná časová konštanta

V prípade náhlych zmien vonkajšej teploty trvá určitý čas, kým sa NTC stabilizuje na nových podmienkach. Na definovanie tohto javu bol zavedený pojem "tepelná časová konštanta". Toto množstvo označuje obdobie, počas ktorého je teplotný rozdiel medzi prostredím a NTC stále 38%. Obrázok nižšie ukazuje vzťah medzi percentuálnou aproximáciou teploty NTC vo vzťahu k teplote okolia a počtom tepelných časových konštánt, ktoré tento proces zaberá.

Pojem tepelná časová konštanta je znázornený graficky.

NTC v dennej praxi

Rezistory NTC sú dostupné vo forme disku. Takéto typy sú zobrazené na obrázku nižšie.

Príklad vyhotovenia NTC.

Technické údaje

Tieto diskovité NTC majú maximálny rozptyl 1 W pri maximálnej prevádzkovej teplote 120 °C, tepelná časová konštanta je 60 s. Vyrábajú sa s hodnotami medzi 2.2 Ω a 60 kΩ pri 25 °C.

PTC rezistory

Čo sú zač?

PTC sú rezistory, ktorých odpor sa zvyšuje so zvyšovaním teploty rezistora. Pretože existuje určitá teplota, pri ktorej je odpor náhle veľmi vysoký, môžete tieto rezistory použiť na návrh tepelných poistiek, ktoré sa automaticky zapínajú a vypínajú.

PTC na báze titaničnanu bárnatého

Klasický PTC sa vyrába na báze titaničitanu bárnatého. Takýto komponent má akýsi "odporový skok". To znamená, že pri určitej teplote sa odpor veľmi rýchlo zvýši až o faktor 1 000. Mimo túto oblasť je jeho charakteristika dosť plochá. Odpor ako funkcia teplotného grafu je znázornený na obrázku nižšie. Na prvý pohľad tento obrázok neukazuje nič o prudkom náraste odporu. Ak však vezmete do úvahy, že stupnica osi rezistora je logaritmická, všetko bude jasné. Pri maximálnom rozptyle 1 W pri maximálnej prevádzkovej teplote 120 °C je tepelná časová konštanta 60 s. Vyrábajú sa s hodnotami medzi 2.2 Ω a 60 kΩ pri 25 °C.

Pomer teploty k odporu PTC, kde sú hodnoty odporu vyjadrené na logaritmickej osi.

PTC efekt

Tento skok odporu, nazývaný tiež PTC efekt, je výsledkom dosť komplikovaného fyzikálneho procesu. V zásade je pri určitej teplote kyslík, ktorý sa zachytil počas spekania, absorbovaný na povrchu kryštálových zŕn. To výrazne zvyšuje odolnosť materiálu.

Kremíkové PTC

Skoková krivka odporu normálneho PTC nad určitú teplotu sa používa na ochranu obvodov pred nadmernými teplotami. Sú však mysliteľné aj aplikácie, pri ktorých sa oceňujú lineárne zmeny medzi hodnotou teploty a odporu. Na tento účel boli vyvinuté kremíkové PTC. Tieto časti sú vyrobené z kryštalického kremíka, ktorý bol kontaminovaný konkrétnou látkou, aby sa dosiahli požadované teplotné vlastnosti. Na nasledujúcom obrázku je znázornený graf teploty / odporu takého PTC.
Kremíkové PTC sa dodávajú pre prevádzkové teploty medzi -8 °C a +200 °C. Nevýhodou týchto komponentov je ich vysoká tolerancia: tolerancie ± 20% nie sú výnimkou, zatiaľ čo PTC titaničitanu bárnatého sa vyrábajú s toleranciami ± 0,5%.

Charakteristika PTC na báze kremíka.

Poly-PTC

PTC účinok titaničitanu bárnatého je možné, ako už bolo uvedené, vynikajúco použiť pri všetkých druhoch teplotnej ochrany. Šokový efekt vo vývoji rezistencie sa však môže výrazne zlepšiť vývojom takzvaných "poly-PTC". Ako je zrejmé z grafu na obrázku nižšie, prechod od nízkeho po vysoký odpor je v týchto komponentoch takmer štvornásobný. Pod kritickou teplotou je odpor pomerne konštantný a dosť nízky. Nad touto teplotou sa hodnota odporu zvýši o faktor 100 000 a potom zostáva pomerne konštantná pri zvyšovaní teploty. Tieto PTC sú vyrobené z homogénnej hmoty zloženej z uhlíka a špecifického polyméru. Pod kritickou teplotou sú častice polyméru malé. Výsledkom je, že častice uhlíka dosadajú na seba a odpor materiálu je nízky. Nad kritickou teplotou polymérne častice napučiavajú. Výsledkom je, že uhlíkové častice sú stlačené od seba, takže sa veľmi zvyšuje rezistivita materiálu.

Tepelná charakteristika Poly - PTC.

VDR Rezistory

Čo sú zač?

VDR sú odpory, ktorých hodnota závisí od napätia na rezistore. Odpor klesá s rastúcim napätím v komponente. Môžete použiť VDR na ochranu komponentov a obvodov pred napäťovými špičkami, napríklad na napájacom napätí.

Výroba

VDR, nazývané tiež varistory, sa vyrábajú z prášku oxidu kovu ako základu. Kandidáti sú oxid zinočnatý, oxid titaničitý alebo karbid kremíka. Tento prášok sa speká a lisuje medzi dvoma elektródami.

Fyzická prevádzka

Nelineárny vzťah medzi prúdom a napätím možno vysvetliť nasledovne. Odpor oxidu je veľmi nízky. Spojivo je však umiestnené medzi hranicami zŕn a má vysoký odpor. Avšak prierazné napätie medzi dvoma zrnami je dosť nízke, konkrétne asi 3 V. Keď napätie na VDR stúpa, bude sa lámať čoraz viac hraníc zŕn. Prelomená hranica však znamená lokálne zníženie rezistivity materiálu. To spôsobí pokles odporu VDR.

Charakteristika prúdového napätia

Vzťah medzi prúdom a napätím cez VDR je znázornený na obrázku nižšie. Táto vlastnosť je riadená vzťahom: U = C x Iβ
v ktorom:

  • U je napätie na VDR.
  • I prúd VDR.
  • C je napätie na VDR, keď ním preteká prúd 1 A.
  • β hmotná konštanta.
  • p hmotná konštanta.

Typická charakteristika priebehu U/i vo VDR.

VDR v dennej praxi

V praxi sa budete zaoberať hlavne diskami VDR. Často sa používajú napríklad v spínacích zdrojoch napájania zariadení, hlavne v ochranných obvodoch. Tieto sú znázornené na obrázku nižšie. Existuje niekoľko sérií:

  • Séria s priemerom približne 14,5 mm, táto séria dokáže rozptýliť 0,8 W a obsahuje 12 hodnôt odporu s hodnotami C medzi 18 V a 900 V.
  • Séria s priemerom asi 42,5 mm, táto séria dokáže rozptýliť 3 W a obsahuje 13 hodnôt odporu s hodnotami C medzi 14 V a 980 V.

V každodennej praxi sa najčastejšie používajú disky VDR v tvare disku.

Pokiaľ sa vám článok páčil - nezabudnite ho ohodnotiť hviezdičkami - Ďakujeme.



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis