ФОЭ Базир Г.И. Ульяновск

тивления приемникаизлученияподдействиемвходногооптическогосигналапри неизменном входном напряжении на оптроне, так и из-за изменения входного напряжения при неизменной освещенности приемника излучения входным оптическимсигналом. Таким образом, этотоптрон имеетдва входа: оптический Ввх и электрический Uвх. Конструктивно такой оптрон должен быть выполнен так, чтобы, по крайней мере, часть светового потока от излучателя света поступала на приемник излучения, вызывая уменьшение его сопротивления. С уменьшением сопротивления приемника излучения возрастает яркость свечения излучателя света, что приводитк дальнейшему уменьшениюсопротивления приемника излучения и т. д. Этот процесс при определенных условиях ( Bвх > Bвх.пор или

Uвх >Uвх.пор) может привести к резкому скачкообразному возрастанию тока,

проходящего через оптрон, и его выходного излучения.

Кроме двух входов (оптического и электрического) оптрон имеет два аналогичных выхода, что позволяетразнообразить его области применения. Он может выполнять функции своеобразного ключа или триггера. Сема оптрона с положительной обратной связьюприведена на рисунке16.

Оптрон с положительной обратнойсвязьюмеждуегоэлементами:

а– принципиальная схема; б – вольт-амперная характеристика

а) б) Рисунок 16

Пример схемы оптрона с отрицательной обратной оптической связью приведен на рисунке 17. В таком оптроне излучатель света и приемник излучения включены параллельно.

51

ваниевидимого излученияодной длины волныв видимое излучение другой, длины волны, невидимое инфракрасное излучение—- ввидимое, рентгеновское— ввидимоеит. д.

ТЕРМИСТОРЫ

Термистор – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрическогосопротивления полупроводника от температуры.

ТЕРМИСТОРЫ ПРЯМОГО ПОДОГРЕВА Принцип действия термисторовс отрицательным температурным коэффици-

ентомсопротивления.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием тепла, выделяющегося в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменеия теплового облучения термистора (например, при изменении температуры окружающейсреды). Наиболее широко применяются термисторы, основной особенностью которых являетсязначительное уменьшение сопротивления с увеличением температуры, то есть термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры можетбыть обусловлено разными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением их подвижности или фазовыми превращениями полупроводниковогоматериала.

1. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа AIII BV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупро-

53

водника. И в том, и в другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимомалы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температурысоответствуетуравнению:

на из поликристаллических окисных полупроводников – из окислов так называемых металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинокполучаютметодами керамической технологии, то есть путем обжига заготовок при высокой темпера-

проводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. Врезультате при образовании окисла в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы

54

с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними нонами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому всеэлектроны(илидырки), которыемогутпереходитьотодного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур термистора. Из-засильного взаимодействия носителей заряда с ионами подвижность носителейзарядав окисномполупроводникеоказываетсямалой иэкспоненциально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора окисного полупроводника оказывается такой же, как и у термисторов из ковалентных полупроводников, но коэффициент температурной чувствительности характеризуетв этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

3. Вокислах ванадия V2O4 и V2O3 при температуре фазовых превращений (68 и –110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также можетбыть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазонетемператур, соответствующихфазовомупревращению.

Характеристикиипараметрытермисторов прямогоподогрева

Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопро-

тивленияоттемпературы. Зависимостьноситэкспоненциальныйхарактер. Пример температурной характеристики одногоиз термисторов приведеннарисунке19.

Рисунок19

Номинальное сопротивлениетермистора– это егосопротивлениепри опре-

деленной температуре (обычно 20 °С). Термисторы изготовляют с допустимым отклонением отноминального сопротивления ±20, 10 и 5 %. Номинальные сопро-

55

тивления различных типов термисторов имеютзначения отнескольких омдо несколькихсотен килоом.

Коэффициент температурной чувствительности В – это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики термистора. Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термистора, практически постоянно для данного термистора в рабочем диапазоне температур и для различных типов термисторов находится в пределах от 700 до 15 000 К. Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путем измерениясопротивлений термисторапри двухтемпературах Т0 и Тпо формуле:

Температурный коэффициент сопротивления термистора показывает от-

носительное изменение сопротивления термистора при изменении температуры на один градус:

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать с индексом, указывающим температуру, при которой имеетместо данное значение. Зависимость температурного коэффициента сопротивления оттемпературы можно получить,

TKR = −B / T 2 .

Значения температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах – (0,8–6,0) 10-2 К-1.

Коэффициент рассеяния термистора Н численно равен мощности, рассеи-

ваемой термистором при разности температур термистора и окружающейсреды в один градус или, другимисловами, численно равенмощности, которую надовыделить втермисторе, чтобынагретьего на один градус.

56

Статическая вольт-амперная характеристика термистора – это зависи-

мость падения напряжения на термисторе отпроходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой.

На рисунке 20 показаны статические вольт-амперные характеристики термисторов.

I

Рисунок20 Линейность характеристик при малых токах и напряжениях объясняется

тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру. Сопротивление термистора определяется, таким образом, суммарной температурой – температурой окружающей среды и температурой перегрева термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшаетсяс увеличением тока и температуры в соответствии с рис. 20, линейность статической вольт-амперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора может наблюдаться падающий участок статической вольтамперной характеристики, т. е. уменьшение напряжения на термисторе с увеличением проходящегочерез неготока.

Мощность, выделяющаяся в термисторе, непрерывно возрастаетс увеличением проходящего через термистор тока, несмотря на уменьшение падающего на термисторе напряжения. В результате гиперболы равной мощности пересекаютстатическую вольт-амперную характеристику термистора только в одной точке. Для каждой точки статической вольт-амперной характеристики термистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, выделяющейся в термисторе из-за проходящего тока, и мощностью, которую он рассеивает в окружающуюсреду:

57

U 2 / R = I 2 R = H (T −Tокр ),

где Т – температура термистора; Токр – температураокружающейсреды.

Из уравнения можно получить уравнения статической вольт-амперной характеристики термисторавпараметрическомвиде:

U = HR∞(T −Tокр) exp TB ,

ляетсякоэффициентом рассеяния Н, коэффициентом температурной чувствительности В, номинальным сопротивлением термистора и температурой окружающей среды. Так, при уменьшении коэффициента рассеяния Н (например, при уменьшении давления воздуха, окружающего термистор) происходитболее интенсивный разогрев термистора, и, следовательно, те же температуры достигаются при меньших мощностях, выделяемых в термисторе при прохождении тока, т. е. статическая вольт-амперная характеристика смещается вниз (вобласть меньших напряжений).

При увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление термистора, снижается максимум статической вольт-амперной характеристики, и уменьшается ее крутизна. Такуюзависимость используютв системах автоматическогоконтроля ирегулированиятемпературы.

Увеличение коэффициента температурной чувствительности В приводит к смещению максимумастатической вольт-амперной характеристики в сторону меньшихмощностей, акрутизна падающегоучастка возрастает.

Исследуем уравнение на максимум функции, полагая коэффициент температурной чувствительности и коэффициент рассеяния постоянными. Для этого первую производную от напряжения по току приравняем к нулю. Всвязи с параметрическим видом вольт-амперной характеристики в данном случае производную от напряжения по вспомогательной переменной, т. е. по параметру Т,

58

умножим на производную температуры по току и приравняем полученное произведение нулю:

dUdI = dUdT dTdI =0 .

Врезультате получим:

T 2Uээкст − BTUээкст + BTокр = 0 ;

отсюда

Из последнегоуравнения следует:

1. Статическая вольт-амперная характеристика термистора будет иметь экстремальные значения напряжения только приусловии

В>4Токр.

2. Существуетдва решения, соответствующие максимуму иминимуму напряжения на термисторе. Однако при минимуме напряжения на термисторетемпература его оказывается выше допустимой, то есть практически минимум на-

пряжения находится запределами рабочегодиапазонатемпературтермистора.

3. Температура, а значит, и сопротивление термистора при экстремальных значениях напряжения определяются только величинами Н и Токр. Температура термистора при экстремальных значениях напряжения не зависит, например, от коэффициента рассеивания. Поэтому максимумы (и минимумы) статических вольт-амперных характеристик термистора, помещенного в различные среды, должны наблюдаться при одних и тех же сопротивлениях термистора. Коэффициент рассеяния сказывается только на значениях напряжения и тока в точке максимума (и минимума) статической вольт-амперной характеристики, что следуетиз уравнений.

Максимально допустимая температура термистора – это температура,

при которой еще не происходит необратимых изменений параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая температура определяется не толь-

59

косвойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.

Максимально допустимая мощность рассеяния термистора – это мощ-

ность, при которой термистор, находящийся вспокойном воздухе при температуре 20 °С, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры. Приуменьшении температурыокружающеговоздуха, атакжепри работе термистора вередах, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния можетпревышать максимально допустимое значение.

Коэффициент энергетическойчувствительности термистора G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентомсопротивления соотношением:

G = HTKR .

Величина коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы термистора, т. е. будет различна в каждой точке статической вольт-амперной характеристики.

Постоянная времени термистора – это время, в течение которого температура термистора уменьшится на 63 % (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 20 °С). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависитот теплопроводности среды, в которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежитв пределах: от0,5 до 140 секунд.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. в Лейденской лаборатории в Голландии Камерлинг-Оннесом. Изучая зависимость удельного сопротивления

60