CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1001.48 KB, 40 trang )

GVHD: Ts. ĐÀO THÁI DIỆU
NTH: Nhóm 9
CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ BÁN DẪN
TIỂU LUẬN MÔN: THIẾT BỊ ĐO TRONG HÓA HỌC
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
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:
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.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
Nhiệt độ Kelvin(oK) Celsius(oC) Fahrenheit(oF)
Điểm không tuyệt đối
0 -273,15 -459,67
Hòa hợp nước- nước đá
273,15 0 32
Cân bằng nước-nước đá-hơi
nước
273,15 0,01 32,018
Nước sôi
373,15 100 212
Thang đo
nhiệt độ
và tương
quan.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
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.
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:

Theo phần tử cảm biến nhiệt:
•
Cảm biến tiếp xúc:
o
Nhiệt kế dãn nở( lưỡng kim)
o
Nhiệt kế áp suất( chất lỏng, chất khí)
o
Nhiệt ngẫu
o
Nhiệt điện trở:

Điện trở nhiệt kim loại

Nhiệt điện trở bán dẫn(silicon, diode, transitor)
•
Cảm biến bức xạ( không tiếp xúc)
o
Cảm biến quang( hỏa quang kế, hỏa kế quang điện)
o
Cảm biến siêu âm
o
Quang phổ
Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ:
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.
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.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
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.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Hình dạng thermistor
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
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.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
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.
Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
Đặc điểm thermistor
.

Phần lớn các thermistor có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là điện trở giảm
khi nhiệt độ tăng.

Các thermistor có độ nhạy rất cao, một sự thay đổi nhỏ nhiệt độ có
thể tạo ra sự thay đổi lớn về điện trở.

Kí hiệu nhiệt điện trở:


Mạch đo ứng dụng dùng điện trở nhiệt bán dẫn thermistor thường là
mạch cầu hở.
•
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
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
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.
⇒
Khi nhiệt độ tăng thì trở kháng của chất bán dẫn giảm
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
•
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
•
Với những phép đo chính xác hơn trong một phạm vi biến thiên
nhiệt độ rộng hơn thì ít nhiều sẽ có sai lệch
⇒
B là biến thiên theo nhiệt độ.
B(ρ) = B [1+ β(ρ – 100) ]
β = 2,5.10-4/K cho ρ > 1000C
β = 5.10-4/K cho ρ < 1000C
ρ là nhiệt độ với 0C
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Đối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Steinhart-
Hart:
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:
Nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

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.
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC

Một số lưu ý:
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.
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Nhiệt điện trở bán dẫn (âm)- NTC
Cấu tạo:
•
Cấu tạo bởi vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ
thuộc vào nhiệt độ như: MgO, Fe3O4,NiO…
•
Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng
nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt
độ cao.
Thang nhiệt độ Kelvin ( thang nhiệt động tuyệt đối ) : 0 oC = 273,15 oK – nhiệt độ cân đối ba trạng thái của nước. 0 oK = – 273,15 oC – nhiệt độ không tuyệt đối. Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ : Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ : Nhiệt độ Kelvin ( oK ) Celsius ( oC ) Fahrenheit ( oF ) Điểm không tuyệt đối0 – 273,15 – 459,67 Hòa hợp nước – nước đá273, 15 0 32C ân bằng nước-nước đá-hơinước273, 15 0,01 32,018 Nước sôi373, 15 100 212T hang đonhiệt độvà tươngquan. Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ : Phân loại : Theo chiêu thức cảm biến nhiệt độ cơ bản : Phương pháp tiếp xúc nhiệt : yên cầu cảm biến phải tiếpxúc vật lý trực tiếp với môi trường tự nhiên hay đối tượng người dùng đo, cóthể dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng hay chất khítrong một khoanh vùng phạm vi đo rất rộng. Phương pháp đo không tiếp xúc : cảm nhận nănglượng bức xạ của nguồn nhiệt ở dạng nguồn năng lượng thunhận được trong phần hồng ngoại của phổ điện từ. Giới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ : Theo thành phần cảm biến nhiệt : Cảm biến tiếp xúc : Nhiệt kế dãn nở ( lưỡng kim ) Nhiệt kế áp suất ( chất lỏng, chất khí ) Nhiệt ngẫuNhiệt điện trở : Điện trở nhiệt kim loạiNhiệt điện trở bán dẫn ( silicon, diode, transitor ) Cảm biến bức xạ ( không tiếp xúc ) Cảm biến quang ( hỏa quang kế, hỏa kế quang điện ) Cảm biến siêu âmQuang phổGiới thiệu tổng quan về cảm biến nhiệt độ : Trong kỹ thuật đo lường và thống kê và tinh chỉnh và điều khiển nhiệt độ hầu hết ứng dụngcác thành phần cảm biến tiếp xúc nhiệt, như : Phần tử cảm biến sắt kẽm kim loại : Nhiệt kế dãn nở ( lưỡng kim hay chất lỏng, chất khí ) Nhiệt điện trở kim loạiNhiệt ngẫuPhần tử cảm biến bán dẫnNhiệt trở bán dẫn ( thermo-diode, thermo-transistor ) ; vimạch cảm biến nhiệt IC.Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnNhiêt điện trở bán dẫn Thermistor ( thermal sensitive resistor – điện trở nhạy nhiệt ), là linh phụ kiện nhiệt điện trở bán dẫn, làm từ vậtliệu bán dẫn có điện trở phụ thuộc vào vào nhiệt độ. Trong ứng dụngthermistor được coi như dụng cụ hai cửa, hoạt động giải trí theo nguyênlý đổi khác điện trở theo nhiệt độ. Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnCấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnBao gồm tổng hợp hai hoặc ba lớp oxide sắt kẽm kim loại được dung kếtthích hợp trong một vật tư nền gốm và những dây dẫn ra đượchàn vào vật liệu bán dẫn hoặc chíp vi mạch, có phủ lớp vỏbọc epoxy hoặc thủy tinh. Phần lớn dạng cấu trúc những thành phần thermistor được định hướngtùy theo ứng dụng đơn cử, có dạng hạt ( thủy tinh ). Nhữngphần tử thermistor thao tác với dòng lớn nên phải có kết cấudạng đĩa. Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnCấu tạo cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnHình dạng thermistorGiới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnPhân loạiCác thermistor phân biệt theo hai loại thông số nhiệt độNTC-thermistor ( thành phần dẫn nóng ) có thông số nhiệt độ âm. PTC-thermistor ( thành phần dẫn nguội ) có thông số nhiệt độdương. Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnĐặc điểm thermistorCác thermistor không tuyến tính, do đó chúng không được dùngđể cung ứng chỉ số đo nhiệt độ với độ đúng mực cao, nhưng để chỉthị những đổi khác nhiệt độ, ví dụ như quá nhiệt. Có thể làm điện trởcủa thermistor thực sự tuyến tính bằng cách dùng mạch tương hỗ nhưmạch cầu Wheastone. Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở bán dẫnĐặc điểm thermistorPhần lớn những thermistor có thông số nhiệt độ âm, nghĩa là điện trở giảmkhi nhiệt độ tăng. Các thermistor có độ nhạy rất cao, một sự biến hóa nhỏ nhiệt độ cóthể tạo ra sự biến hóa lớn về điện trở. Kí hiệu nhiệt điện trở : Mạch đo ứng dụng dùng điện trở nhiệt bán dẫn thermistor thường làmạch cầu hở. NTC – viết tắt từ Negative temperature Coefficient, đó là nhữngđiện trở có thông số nhiệt âm : trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, như vậy NTC dẫn điện trong thực trạng được đun nóng tốt hơn sovới để nguội. Từ 00C đến 1500C điện trở NTC giảm đi hơn 100 lần. Nhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) – NTCNhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) – NTCNguyên lý hoạt động giải trí : Các chất bán dẫn thường có hiệu ứng nhiệt âm. Trong chất bán dẫn không chỉ có tốc độ của hạt dẫn, màquan trọng hơn, cả số lượng hạt dẫn cũng đổi khác theo nhiệtđộ. Bởi thế độ dẫn sẽ ngày càng tăng cùng với nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì trở kháng của chất bán dẫn giảmNhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) – NTCNhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) – NTCVới những chất NTC thì quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở, trường hợpcó dòng điện bé, hoàn toàn có thể trình diễn theo công thức : β : hằng số vật tư nhờ vào nhiệt điện trởRT : điện trở tại nhiệt độ cần đo T [ ° K ] RO : điện trở tại nhiệt độ TO [ ° K ] Nhiệt điện trở dẫn nóng NTC có thông số nhiệt độ âm từ – 0.030 đến-0. 055 [ 1/0 K ]. Nhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) – NTCVới những phép đo đúng chuẩn hơn trong một khoanh vùng phạm vi biến thiênnhiệt độ rộng hơn thì không ít sẽ có sai lệchB là biến thiên theo nhiệt độ. B ( ρ ) = B [ 1 + β ( ρ – 100 ) ] β = 2,5. 10-4 / K cho ρ > 1000C β = 5.10 – 4 / K cho ρ < 1000C ρ là nhiệt độ với 0CN hiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCĐối với nhiệt độ lớn hơn thì ta phải dùng phương trình Steinhart-Hart : Nhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCQuan hệ giữa nhiệt độ và điện trở : Nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lạiNhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCKhông được để thành phần thermistor NTC bị làm nóng lên do dòng điện chạyqua ( hiện tượng kỳ lạ phát nhiệt tự thân ). Phải quan tâm thực chất của vật tư khi dùng dòng điện xoay chiều vì tổng trở Rcủa NTC giảm khi tần số của dòng điện xoay chiều tăng. Nhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCMột số chú ý quan tâm : Khi dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thườngsẽ làm nhiệt độ của thermistor lớn hơn nhiệt độ thiên nhiên và môi trường. Nhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCNhiệt điện trở bán dẫn ( âm ) - NTCCấu tạo : Cấu tạo bởi vật tư sứ có đặc thù dẫn điện phụthuộc vào nhiệt độ như : MgO, Fe3O4, NiO … Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượngnhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệtđộ cao .

Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử