CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN

Trang 1

GVHD: Ts ĐÀO THÁI DIỆUNTH: Nhóm 9

TIỂU LUẬN MÔN: THIẾT BỊ ĐO TRONG HÓA HỌC

Trang 2

NỘI DUNG

NTC-NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN ÂM

PTC- NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN DƯƠNG

1 Giới thiệu cảm biến nhiệt độ

2 Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

3 Ưu nhược điểm nhiệt điện trở bán dẫn

Trang 3

Nhiệt độ: là số đo cường độ chuyển động hỗn độn của các phân

tử cấu tạo nên vật thể Nhiệt độ là một đại lượng vật lý thể khối như ánh sáng, nhưng có đặc trưng quán tính, do vậy chỉ có thể xác định gián tiếp thông qua tính chất trạng thái đã biết trước của

sự vật có liên quan tới nhiệt độ

Thang nhiệt độ: là hệ thống định cỡ và tính nhiệt độ theo một quy

tắc nào đó Trong kĩ thuật, để có thể xác định giá trị nhiệt độ một vật người ta dựa vào các quá trình có thể tái tạo lại được làm cơ

sở lập thang đo nhiệt độ

Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:

Trang 4

Các thang nhiệt độ tuân theo định luật nhiệt động học:

• Thang nhiệt độ Fahrenheit: nước đá tan ở 32oF, sôi ở 212oF

oC= (oF-32) ; oF= oC + 32

• Thang nhiệt độ Celsius(thang bách phân):

oC = oK – 273,15; 1oC = 1oK

• Thang nhiệt độ Kelvin (thang nhiệt động tuyệt đối):

0oC = 273,15oK- nhiệt độ cân bằng ba trạng thái của nước

0oK = - 273,15 oC - nhiệt độ không tuyệt đối

Trang 5

Nhiệt độ Kelvin( o K) Celsius( o C) Fahrenheit(

o F )

Điểm không tuyệt

và tương quan

Trang 6

Phân loại:

 Theo phương pháp cảm biến nhiệt độ cơ bản:

•Phương pháp tiếp xúc nhiệt: đòi hỏi cảm biến phải tiếp xúc vật lý trực tiếp với môi trường hay đối tượng đo, có thể dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng hay chất khí trong một phạm

vi đo rất rộng.

•Phương pháp đo không tiếp xúc: cảm nhận năng lượng bức

xạ của nguồn nhiệt ở dạng năng lượng thu nhận được trong phần hồng ngoại của phổ điện từ

Trang 7

 Theo phần tử cảm biến nhiệt:

 Điện trở nhiệt kim loại

 Nhiệt điện trở bán dẫn(silicon, diode, transitor)

•Cảm biến bức xạ( không tiếp xúc)

oCảm biến quang( hỏa quang kế, hỏa kế quang điện) oCảm biến siêu âm

oQuang phổ

Trang 8

Trong kỹ thuật đo lường và điều khiển nhiệt độ chủ yếu ứng dụng các phần tử cảm biến tiếp xúc nhiệt, như:

 Phần tử cảm biến kim loại:

•Nhiệt kế dãn nở(lưỡng kim hay chất lỏng, chất khí)

•Nhiệt điện trở kim loại

•Nhiệt ngẫu

 Phần tử cảm biến bán dẫn

• Nhiệt trở bán dẫn (thermo-diode, thermo-transistor); vi mạch cảm biến nhiệt IC.

Trang 9

Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

Nhiêt điện trở bán dẫn Thermistor (thermal sensitive resistor –

điện trở nhạy nhiệt), là linh kiện nhiệt điện trở bán dẫn, làm từ vật liệu bán dẫn có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ Trong ứng dụng thermistor được coi như dụng cụ hai cửa, hoạt động theo nguyên

lý thay đổi điện trở theo nhiệt độ

Trang 10

Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

 Bao gồm tổ hợp hai hoặc ba lớp oxide kim loại được dung kết

thích hợp trong một vật liệu nền gốm và các dây dẫn ra được

hàn vào chất liệu bán dẫn hoặc chíp vi mạch, có phủ lớp vỏ bọc epoxy hoặc thủy tinh

 Phần lớn dạng cấu trúc các phần tử thermistor được định hướng

tùy theo ứng dụng cụ thể, có dạng hạt (thủy tinh) Những phần

tử thermistor làm việc với dòng lớn nên phải có kết cấu dạng đĩa

Trang 11

Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

Hình dạng thermistor

Trang 12

Phân loại

Các thermistor phân biệt theo hai loại hệ số nhiệt độ

 NTC-thermistor (phần tử dẫn nóng) có hệ số nhiệt độ âm

 PTC-thermistor (phần tử dẫn nguội) có hệ số nhiệt độ dương

Trang 13

Đặc điểm thermistor

Các thermistor không tuyến tính, do đó chúng không được dùng

để cung cấp chỉ số đo nhiệt độ với độ chính xác cao, nhưng để chỉ thị những thay đổi nhiệt độ, ví dụ như quá nhiệt Có thể làm điện trở của thermistor thực sự tuyến tính bằng cách dùng mạch hỗ trợ như mạch cầu Wheastone

Trang 14

 Kí hiệu nhiệt điện trở:

 Mạch đo ứng dụng dùng điện trở nhiệt bán dẫn thermistor thường là mạch cầu hở

Trang 15

•NTC – viết tắt từ Negative temperature Coefficient, đó là những điện trở có hệ số nhiệt âm: trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, như thế NTC dẫn điện trong tình trạng được đun nóng tốt hơn so với để nguội

•Từ 00C đến 1500C điện trở NTC giảm đi hơn 100 lần

Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Trang 16

Nguyên lý hoạt động:

• Các chất bán dẫn thường có hiệu ứng nhiệt âm

• Trong chất bán dẫn không chỉ có vận tốc của hạt dẫn, mà quan trọng hơn, cả số lượng hạt dẫn cũng thay đổi theo nhiệt

độ Bởi thế độ dẫn sẽ gia tăng cùng với nhiệt độ

Þ Khi nhiệt độ tăng thì trở kháng của chất bán dẫn giảm

Trang 17

Trang 19

• Với các chất NTC thì quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở, trường hợp

có dòng điện bé, có thể biểu diễn theo công thức :

 β : hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở

 RT: điện trở tại nhiệt độ cần đo T [°K]

 RO: điện trở tại nhiệt độ TO [°K]

• Nhiệt điện trở dẫn nóng NTC có hệ số nhiệt độ âm từ 0.030 đến 0.055 [1/0K]

-Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Trang 20

• Với những phép đo chính xác hơn trong một phạm vi biến thiên nhiệt độ rộng hơn thì ít nhiều sẽ có sai lệch

Þ B là biến thiên theo nhiệt độ

Trang 21

 Đối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Hart:

Steinhart-Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Trang 22

Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:

Nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lạiNhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Trang 23

 Không được để phần tử thermistor NTC bị làm nóng lên do dòng điện chạy qua (hiện tượng phát nhiệt tự thân).

 Phải chú ý bản chất của vật liệu khi dùng dòng điện xoay chiều vì tổng trở R của NTC giảm khi tần số của dòng điện xoay chiều tăng.

Một số lưu ý:

Trang 24

Khi dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thường

sẽ làm nhiệt độ của thermistor lớn hơn nhiệt độ môi trường

Trang 26

Phân loại:

 Kiểu phần tử K276 dùng cho những mạch chức năng đo và điều chỉnh nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí tự nhiện hay trong chất lỏng

 Kiểu K252 đặc biệt dùng cho các mạch ráp trên chassis ( khung, gầm, vỏ máy…)

Trang 27

Kiểu Điện

trở danh định RN

Dung sai Hệ số B

Phạm

vi nhiệt

độ [ 0 C ]

330 950 950

Các thông số khái quát của phần tử biến trở NTC

] K 0

% [ ΔTTnΔTR



Trang 28

Ứng dụng:

 Xác định nhiệt độ động cơ:

 Cấu tạo:

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có cấu tạo dạng trụ rỗng

có ren ngoài, bên trong có lắp một điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm

Trang 30

 Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ

bộ vi xử lý để thông báo cho ECU động cơ biết động cơ đang lạnh

 Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU động cơ biết là động cơ đang nóng Đường đặc tính tuyến của cảm biến nhiệt độ nướcNhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Trang 31

 Đo mực chất lỏng: Với dòng điện không đổi 10mA ta có điện

áp rơi trên NTC là 6.8V trong không khí Khi NTC tiếp xức với nước, lập tức điện áp tăng vọt lên 13V

 Đóng rơ-lê chậm lại: Với điện áp UB, dòng điện I chạy qua NTC và rơ-lê Vì NTC có điện trở khá lớn, cường độ dòng điện

I còn nhỏ so với cường độ dòng ngưỡng IS để rơ-lê có thể đóng lại Khi NTC nóng lên, điện trở giảm và I đạt trị số IS, rơ-

lê đóng lại

Trang 32

CẤU TẠO

NHIỆT ĐIỆN TRỞ PTC

Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp Bariumcarbonat, oxit Stronium và oxit Titan được ép nung từ 1000oC đến 1400oC

Trang 33

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Trang 34

 Trong một khoảng nhiệt độ đặc trưng, PTC có hệ số nhiệt độ dương rất lớn

 Sự gia tăng nhiệt độ là do hình thành một lớp chặn ở vùng lân cận hạt nhân tinh thể bán dẫn.

 Độ lớn mức điện thế của lớp chặn tùy thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu quanh nó.

 Sự hình thành lớp chặn quyết định sự gia tăng điện trở.

 Ở miền điện trở thấp, hằng số điện môi cao, lớp chặn yếu, nhiệt độ làm việc của PTC thấp nên điện trở tăng chậm.

 Khi nhiệt độ tăng lên, hằng số điện môi giảm, lớp chặn mạnh lên làm điện trở tăng dốc đứng.

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Trang 35

Trang 36

ỨNG DỤNG

mắc nối tiếp PTC với động cơ Khi có sự cố, dòng điện gia tăng làm tăng nhiệt độ của PTC, lúc đó điện trở của PTC cũng tăng lên làm giảm dòng điện.

khoa, một số bộ phận trong xe hơi…

có điện áp, PTC tăng điện trở lên 100 lần nên làm giảm dòng điện 100 lần Ứng dụng làm mạch trễ cho việc làm giảm độ từ hóa trong kỹ thuật truyền hình.

Trang 39

Ưu điểm:

 Kết cấu thermistor làm cho chúng trở thành biến cảm nhạy hơn tất cả các cảm biến nhiệt khác đối với sự thay đổi nhiệt độ, cho

độ phân giải cao

 Tương đối rẻ tiền so với điện trở kim loại dây quấn khác

 Kích thước nhỏ, bền cho phép chúng sử dụng được trong nhiều ứng dụng khác nhau

 Có sẵn kiểu điện trở đã được tuyến tính hóa

 Trị số điện trở cao nên không cần bù điện trở dây nối

Ưu, nhược điểm:

Trang 40

Khuyết điểm:

 Phạm vi nhiệt độ đo bị hạn chế ( từ -100 0 C đến 300 0 C) Các thermistor PTC có phạm vi nhiệt độ sử dụng hẹp hơn NTC.

 Nhiệt độ bộc lộ thấp hơn so với RTD hay nhiệt ngẫu.

 Không có các đặc tuyến nhiệt độ và định chuẩn điện trở tiêu chuẩn

 Sự phát nhiệt tự thân có thể ảnh hưởng đến độ chính xác, nhiệt độ cao có ảnh hưởng tới độ ổn định lâu bền của cảm biến.

 Sự thay đổi điện trở không tuyến tính đòi hỏi những bộ phận phụ trợ để diễn dịch chính xác.

 Sự gia tăng số lượng bộ phận thành phần làm giảm độ an toàn.

 Đòi hỏi phải có các bộ phận thành phần hay mạch phụ trợ để điều khiển phụ tải ứng dụng.

Ưu, nhược điểm:

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	0,93 MB