Automatikai építőelemek 5.

Az előadások a következő témára: "Automatikai építőelemek 5."— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők Ellenállás függése a hőmérséklettől: Félvezető ellenállás karakterisztikája ahol: „a” - anyagállandó, „b” - energiaállandó és „T” = abszolút hőmérséklet. A „b” értéke a következő módon számítható:

2 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők 3.46. ábra. Termisztorok kialakítása Félvezető ellenállás-hőmérő anyagai: - nehézfémek ötvözetei, oxidjai - Si és Ge tiszta, vagy szennyezett formájában Termisztorok A gyakorlati kialakításukra mutatnak példát az ábrák 3.48. ábra. Termisztorok kialakítása 3.47. ábra. Termisztorok kialakítása

3 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők Látható hogy a termisztort az átfolyó áram fűti, így ez a típus felhasználható olyan folyamatok vizsgálatára, ahol hőcsere zajlik (pl. áramlásmérésnél), amely folyamatot termoanemometriának nevezzük. A termisztorok jellemző adatai: - ellenállása 25 °C–on néhány száz ohm-tól néhány kohmig terjed, - az ellenállása 80 °C-on a 20 °C-on mért érték 5/8-ad része, Fő problémája, hogy csak nagy szórással készíthetők ezért cseréjük során ismételt hitelesítést kell végrehajtani. A mérési tartománya -200…200 °C között lehetséges. A termisztorok előnyei: - a viszonylag nagy érzékenység, - kis időállandó - jó mechanikai tulajdonságok. Hátrányai: - a nemlineáris karakterisztika - nagy gyártási szórás - magas hőmérsékleten nem használható. Termisztorok kialakítása

4 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezetős ellenállás hőmérők A félvezetős hőmérsékletérzékelő ellenállások három fajtája terjedt el: negatív karakterisztikájú (NTK) pozitív karakterisztikájú (PTK) terjedési ellenállás alapú szilícium hőmérsékletérzékelők Az NTK (negatív hőmérsékleti együtthatójú) termisztorok fémoxidok keverékéből szintereléssel készülnek. Ez a technológia lehetővé teszi a kiviteli formák sokféleségét, az olcsó, nagy tömegű gyártást. Többféle kivitelben készülnek: gyöngytermisztorok, tárcsatermisztorok, rúdtermisztorok, morzsatermisztorok stb. Az egyes termisztorfajták között, de a fajtákon belül is jelentős méreteltérések vannak. A gyöngytermisztorban például gombostűfejnyi nagyságú termisztor massza van, többnyire védő üvegcsőbe forrasztva. A tárcsatermisztorok különböző átmérőjű és vastagságú oxidpasztillák, amelyek kivezetéssel, védőlakk burkolattal vagy fémszerelvénnyel kiegészítve készülnek. A rúdtermisztorok hossza és átmérője is tág határok között változhat. A morzsatermisztorok ónozott kontaktusfelületű, apró hasáb alakú alkatrészek, amelyeket főleg hibrid integrált, és felületen szerelt (SMD) áramkörök használnak fel.

5 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők A termisztorok viselkedését jelleggörbéik ismertetésével lehet követni. A legfontosabb az ellenállás-hőmérséklet jelleggörbe, amely a különböző hőmérsékleteken mért terheletlen ellenállások összefüggése. Az NTK termisztorok ellenállását hőmérsékleti hatással kétféle módon lehet befolyásolni: a környezeti hőmérséklet változtatásával termisztorba betáplált teljesítmény (az átfolyó áram) növelésével. . Különböző típusú hőmérők jelleggörbéi a jelű: platina ellenállás hőmérő b jelű: NTK termisztor c jelű: PTK termisztor d jelű: terjedésiellenállás alapú szilícium érzékelő A szinterelési eljárás melegítés által előidézett atomi diffúzió. A hőbevitel elősegíti az anyag atomi vagy ionos komponenseinek migrációját. Gyakran az adalék komponensek megváltozott újraeloszlása eredményezi a szinterelt anyagok termikus, mechanikus vagy elektromos tulajdonságainak jelentős megváltozását.

6 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők A termisztorok fontos paramétere még a termikus időállandó. A termisztor saját, és szerelvényeinek tömege, hőszigetelő tulajdonságai miatt csak késéssel reagál a hőmérsékletét megváltoztató hatásokra. A termikus hőtehetetlenségét a termikus időállandó jellemzi: (t th). Az időállandó azt az időt jelenti, amely szükséges ahhoz, hogy a termisztor és a környezete közötti hőmérsékletkülönbség a 63,2%-ot elérje. Az időállandó nagyságát a termisztor hőtehetetlenségén kívül a környezeti hatások is befolyásolják. Emiatt nem szükségképpen azonos a lehűlési és a felmelegedési időállandó értéke. A katalógusokban megadott érték nyugvó levegőben mért lehűlési idő, amely néhány másodperctől száz másodpercig terjedhet. Szabályozástechnikai célokra használt NTK termisztoroknál az áramkör működése szempontjából az a döntő, hogy mennyi idő alatt ér el a kikapcsolt termisztor ellenállása egy olyan értéket, amelynél a folyamatot újra lehet indítani. Ebben az esetben hasznos tájékoztatást ad az úgynevezett feléledési idő. A feléledési idő az az időtartam, amennyi idő ahhoz szükséges, hogy a megengedett maximális terheléssel üzemelő, a környezetével termikus egyensúlyban lévő NTK termisztor kikapcsolása után arra a hőmérsékletre hűljön le, amelyen ellenállásának értéke eléri a szobahőmérsékleten mért ellenállása értékének felét.

7 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők A pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTK) termisztorok A pozitív hőmérsékleti tényezőjű (PTK) termisztorok alapanyaga polikristályos báriumtitanát, amelyet kis mennyiségű fémdioxid adalékok (stroncium és titánoxidok) tesznek félvezetővé. Működési elve szerint a ferromágneses anyag Curie-pontja közelében elveszíti mágneses tulajdonságát és paramágnesessé alakul, ez egy bizonyos hőmérséklet tartományban következik be. 30 °C – 50 °C a felső határ az alsó pedig változó. Nevét Pierre Curie Nobel-díjas francia fizikusról kapta. A PTK termisztorok ellenállása frekvenciafüggő, az impedanciája csökken a frekvencia növekedésével.

8 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők Terjedési ellenállás felépítése A terjedési ellenállás elvén alapuló eszközök Működésének alapja, hogy a szilíciumkristály egy bizonyos hőmérséklettartományban a hőmérséklet növekedésével növeli a töltéshordozók megkötöttségét, ami az ellenállás növekedését okozza. Ezt az ellenállást a kristály előlapján elhelyezett hegyes érintkező és a nagy felületen fémmel bevont hátlap között mérik. Az elrendezés tulajdonképpen egy kondenzátor, ahol a dielektrikumnak hőmérsékletfüggő ellenállása van. Amíg a hegyes érintkező „d” csúcsátmérője a kristály „D” vastagságához és a fémbevonat felületéhez képest kicsi, addig az ellenállás értéke csak a fajlagos ellenállástól és a csúcssugártól függ. Enyhén görbült jelleggörbével és pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik 150 °C-nál nagyobb hőmérsékleten szabad töltéshordozók képződnek és vezetővé válik. Ellenállás- hőmérséklet karakterisztika

9 Automatikai építőelemek 5.
Hőmérsékletfüggő ellenállások Félvezető ellenállás hőmérők A terjedési ellenállás elvén alapuló eszközök Nagy előnye a termisztorokkal szemben: - hasonló meredekség mellett linearitása lényegesen jobb olcsóbb ezt az biztosítja, hogy planáris technológiával gyártható a hozzávezetések helyének megváltoztatásával az ellenállás értéke széles határok között megváltoztatható.   ρ - linearis függvény a –50 … +120 °C tartományban. Érzékenysége ~ 0,7%/°C

10 Automatikai építőelemek 5.
Elektrolitos átalakítók Elektrolitok a savak, sók és lúgok vizes oldatai, amelyek vezetők. Az elektrolitok többféle mennyiséget, így elmozdulást, szögelfordulást, hidrogénion koncentráció változást alakít át ellenállássá. A elektrolit ellenállása: Elektrolitos átalakító blokkvázlata ahol: „κ” - elektrolit fajlagos vezetőképessége, „C” - cellaállandó, amely a geometriai elrendezéstől függ. Kétféle módon változhat az ellenállás értéke: - Változik a cellaállandó, amely akkor következik be, ha az átalakítót elmozdulásra vagy szögelfordulásra használjuk. Ekkor a fajlagos vezetőképesség állandó. - Változik a fajlagos vezetőképesség, amely akkor következik be, ha változik az ionkoncentráció. Ekkor változatlan a cellaállandó.

11 Automatikai építőelemek 5.
Elektrolitos átalakítók Az elektrolitos jelátalakítók fő hibája, hogy a fajlagos vezetőképessége erősen hőmérsékletfüggő, helyzet és rázás érzékeny. Előnye viszont, hogy egyszerű felépítésű, kis méret és kis mérőteljesítmény. Elektrolitos átalakítók elvi kialakítása

12 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók A fotóellenállások a megvilágítás változásait alakítják át ellenállás változássá. A működési elvének alapját a fotoemisszió jelensége képezi, amelynek lényege, hogy +elektronok lépnek ki. A másik alapvető fizikai hatás az ún. fotokonduktív hatás. Itt a félvezető ellenállása változik meg a fény hatására, mert töltések szabadulnak fel a félvezetőben. - Fotoemisszión alapuló eszközök a fotocellák. Fotocella felépítése ahol: „I” - fotocella árama, „c” - arányossági tényező, „Φ” – fényfluxus. A fotocellás átalakító karakterisztikája lineáris, az átfolyó áram – így a kilépő elektronok száma is – a megvilágítástól függ. A kilépő elektronok száma még függ a fény hullámhosszától és ettől függ a „c” arányossági tényező is. A katód anyaga ezüstoxidra felvitt céziumréteg, vagy bizmutoxidra felvitt ezüst-cézium ötvözet, stb Működése a látható fénytől az ultraibolya tartományig minden tartományban lehetséges. Az átfolyó áram μA nagyságú. Kétféle fotocellát különböztetünk meg; vákuum és gáztöltéses változatot.

13 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók Karakterisztikái az alábbi ábrákon. Hibaforrást jelent, hogy van ún. sötétárama – vagyis teljesen sötétben is folyik áram illetve kis áramok miatt zajos. Előnyei: üzembiztos (régebben ez volt az egyetlen használható eszköz). Hátrányai közé tartozik a kis érzékenység, viszonylag nagy méret, kis sávszélesség és a nagy tápfeszültség.

14 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók A fotóellenállások működése a fotokonduktív jelenségen alapul, amelynek alapja az ún. belső vezetés. Anyaga lehet szelén, germánium, szilícium, ólomszulfid stb. A fotóellenállás főbb tulajdonságait a táblázat tartalmazza: Se Ge Si Ólomszulfid Kadmiumszul-fid Átlagos érzékenység mA/lumen 0,1…3 30 0,06 3 2…3 Érzékenység hőmérséklet függése [% / oC] -0,4 - -1,5 -0,2 Sötétellenállás [Mohm] 0,01…10 0,1…10 1…1000

15 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók - a, Szelén (Se): Széles hullámhossztartomány, jelleggörbe nemlineáris, tehetetlensége elég nagy. - b, Kadmium-Szulfid (CdS): Napjaink leggyakrabban alkalmazott anyaga, amelynek monokristályos és polikristályos változata létezik. Az előbbi szűkebb, az utóbbi szélesebb tartományban mutat jelentősebb érzékenységet. A polikristályos változat jó fedésben van az emberi szem hullámhossz érzékenységével. Karakterisztikája széles tartományban lineáris. Hátránya, hogy kis megvilágításnál elég nagy az időállandója, tehát néhány száz Hz-nél nagyobb frekvenciával nem modulálhatóak. - c, Kadmium-Szelenid (CdSe) : Az infravörös tartományban mutatnak nagy érzékenységet. Meredekségük a CdS-hez képest 5…10 – szeres. Viszonylag nagy a hő-mérséklet függése. Az átviteli görbéje nemlineáris. A tehetetlenségi időállandója elfogadható értékű. d, Ólom-Szulfid: Többnyire az ipari méréstechnikában alkalmazzák, mert gyors működésűek. Spektrális érzékenysége főként az infravörös tartományba esik. Az ólomszulfidnak van egy különleges tulajdonsága, a hőmérséklet érzékenysége nem csak az amplitúdóra vonatkozik, hanem a hullámhosszra is kihat, ezért pirotechnikai alkalmazásoknál termosztátba kell helyezni. e, Ólom-Szelenid: Az infravörös tartomány legjobb tulajdonságú optikai érzékelője. Időállandója kicsi. A jelleggörbének két maximuma van. Infravörös tartományban van a legnagyobb érzékenysége.

16 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók A fotóellenállás elvi vázlata és elvi kialakítások

17 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók A fotóellenállások ellenállása annál kisebb, minél nagyobb a megvilágítás, ami azért lehetséges, mert a félvezető rétegben töltéshordozók száma a megvilágítás nagyságával nő. Minden fotóellenállás egy adott hullámhosszon éri el a legnagyobb érzékenységet. A hullámhossztól függő érzékenységet spektrális érzékenységnek nevezzük. Fotoellenállások spektrális érzékenysége

18 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók Vannak olyan fotóellenállások, amelyek a kék, zöld, narancs, vagy éppen a vörös tartományban érzékelnek, de vannak olyanok is, amelyek az infra tartományban. Katalógusok megadják a sötét és világosellen-állás értékét. A világos ellenállást 1000 lx. megvilágításhoz adják meg. Előnyei: a kis méret, viszonylag nagy áram, elég nagy sászélesség és jó illeszthetőség a félvezető elektronikához, Hátrány? Nemlineáris karakterisztika. A rezisztencia-változási tényezőt a sötétellenállás és világos ellenállás arányával fejezzük ki. Az „s” index a sötét állapotra, az „e” index az üzemi feszültség melletti állapotra vonatkozik.

19 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók Fotodiódák A fotodióda félvezető dióda, amelynek pn-átmenete jól átereszti a fényt. Gyártanak szilícium és germánium fotodiódát. Viszonylag széles tértöltési zóna keletkezik, és ha a tértöltési zónát nem éri fény, akkor csak nagyon kicsi zárási áram folyik. A zárási áram nagysága sötétben a zárótartományban normális Si-, ill. Ge-diódák zárási áramának felel meg. Fény hatására kötéseikből elektronok szabadulnak fel. Ahol a kristálykötés felszakad, egy szabad elektron és egy lyuk, azaz két szabad töltéshordozó keletkezik. A zárási áram néhány nagyságrenddel növekszik. A zárási áram és a beeső fény között lineáris összefüggés áll fenn Zárási áram beeső fény karaterisztika Fotodióda elvi felépítése

20 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók A fotodiódák ezért különösen jól alkalmazhatók fénymérésre. A zárási áram a megvilágítás erősségének változásaival majdnem egyidejűleg változik. Fő jellemző adat a fényérzékenység. Azt adja meg, hogy az „IR” zárási áram hány nA-rel növekszik a megvilágítás 1 lx-os növekedése hatására. Megadják katalógusban: - maximális fényérzékenység „λES” hullámhosszát. - „fg” határfrekvencia „CS” zárórétegkapacitás „Id” sötétáram, amelyet meghatározott zárófeszültségre adnak meg. (AL ) még fontos jellemző a fényérzékeny felület nagysága A fotodiódákat a zárási áram és a megvilágítás erőssége közötti lineáris összefüggés miatt túlnyomórészt mérési célokra alkalmazzák. Nagyon kisméretűek lehetnek, így alkalmazásukkal nagy alkatrészsűrűség érhető el. A fotodiódák további alkalmazási területe a vezérlés- és szabályozástechnika. Ott, ahol a fotoellenállások nagy tehetetlenségük miatt nem építhetők be, fotodiódákat alkalmaznak. Ha a Si fotoelemeket és fotodiódákat összehasonlítjuk, sok hasonlóságot fedezhetünk fel közöttük. A fotodiódák fotoelemként is alkalmazhatók, ha nem helyezzük feszültség alá, így világítás hatására feszültséget képesek leadni, hatásfokuk azonban rosszabb, mint a fotoelemeké.

21 Automatikai építőelemek 5.
Fotóellenállásos átalakítók Fototirisztorok A négyrétegű pnpn fotodióda (fototirisztor) felépítését, helyettesítő modelljét láthatjuk Fototirisztor elvi felépítése Telepet kapcsolva a kivezetésekre, a feszültség viszonyok olyanok lesznek, hogy a két külső átmenet nyitóirányban, míg a belső átmenet záróirányban polarizálódik. A belső átmenet nagy ellenállást képvisel mindaddig, amíg az alkalmazott feszültség el nem éri a letörési feszültséget. A két állapot: a szakadás és a rövidzár, valamint a kettő közötti éles átmenet, kapcsolókhoz teszi hasonlóvá a négyrétegű diódát, amely kikapcsolt állapotban végtelen nagy ellenállást és bekapcsolt állapotban rövidzárt jelent. A kétféle állapot közötti átbillenést nem csak a letörési feszültség elérésével lehet megvalósítani, hanem úgyis, hogy a tirisztorba töltéshordozókat injektálunk, amelyek hatására a belső átmenet megnyit. A fototirisztoroknál az injektálás fénnyel történik, az eszköz tehát fényjellel vezérelhető kapcsolónak fogható fel.

22 Automatikai építőelemek 5.
Mágneses ellenállásos átalakító (mágnestérlemezek) (MDR) Olyan félvezető ellenállások, amelyeknek az ellenállása mágneses térrel vezérelhető. A térlemezek lehetnek: fémes típusúak (E típus) műanyag típusúak (K típus). Az E típus hordozóanyaga nagy permeabilitású ferromágneses anyag. Az ebből készült hordozóalapra szigetelőanyagot visznek fel, és ezen van a félvezető réteg. A K típus hordozóanyaga műanyag vagy kerámia. A hordozóra, amely rendesen kb. 0,1 mm vastagságú, indium-antimonid réteget visznek fel (szokásos rétegvastagság 25 µm). Az indium-antimonid nikkel-antimonid szálakat tartalmaz, amelyek nagyon jó vezetőképességűek. Mágnestérlemez felépítése

23 Automatikai építőelemek 5.
Mágneses ellenállásos átalakító (mágnestérlemezek) (MDR) Áramút mágnestér nélkül A méretek megválasztásától függően az ellenállás értéke mágneses tér nélkül néhány ohm-tól néhány kohm-ig terjed. Ha nincs jelen mágneses tér, akkor az áramútja egyenes vonalú. Mágneses tér hatására a töltéshordozók lefelé kényszerülnek Az egyik fémes vezetőszálról a másikra ferde pályán lépnek át. A vezetőszálak rövidzárási hidakat képeznek. A fluxussűrűség növekedésével az áram útja egyre ferdébb lesz, az út hossza pedig egyre nagyobb. Az áram úthosszának növekedése azonban a térlemez ellenállásának növekedését jelenti. A mágneses tér irányának az ellenállás nagyságára nincs hatása. Jellemző adatok: „R0” az alapellenállás mágnestér nélkül, „RB” az ellenállás mágnestér hatására, RB/R0 a relatív ellenállás változás hőmérsékleti tényező 25 °C-on. Áramút kis B értéknél Áramút nagy B értéknél

24 Automatikai építőelemek 5.
Mágneses ellenállásos átalakító Mágnesdiódák Mágnesdióda felépítése A mágnesdiódák olyan diódák, amelyeknek az ellenállását külső mágneses térrel változtatni tudjuk. A mágnesdiódák germániumból és szilíciumból készített félvezető elemek. A kis germániumlap egyik végébe „p” zónát, a másikba pedig „n” zónát visznek be dotálással. A kettő közötti vezetőzóna egyik szélét oly módon szennyezik, hogy ott a töltéshordozóknak erős rekombinációja mehessen végbe. Ez az un. rekombinációs zóna (R zóna) elnyeli a töltéshordozókat Az „R” zónában kerülő töltéshordozók rekombiálódnak, azaz az elektronok és lyukak egyesülve megsemmisítik egymást. Minél több szabad töltéshordozó tűnik el, annál nagyobb lesz a mágnesdióda ellenállása. A „B” mágneses fluxussűrűséggel a rekombináció gyakorisága vezérelhető. A rekombináció gyakoriságának növekedése töltéshordozóritkuláshoz és ezáltal a mágnesdióda ellenállásának növekedéséhez vezet.

25 Automatikai építőelemek 5.
Feszültségfüggő ellenállások(VDR) A VDR (másként még elektromos tér vezérelt) ellenállások (varisztorok) sziliciumkarbidból, vagy cinkoxidból (ZNR-Zinc Oxide Nonlinear Resistor) készített ellenállástárcsák, amelyek jelleggörbéje nemlineáris. Az ellenállásérték növekvő feszültséggel csökken. feszültségfüggő ellenállás karakterisztikája Jellemző adatok: - „C” - az alapellenállás jellemzője, „β” - az áramnövekedés meredekségének mértéke (0,3…0,5), „Pmax” - maximális terhelés.

26 Automatikai építőelemek 5.
Kapacitív jelátalakítók. A kapacitív jelátalakítók feladata az elmozdulás, hosszúság, szögelfordulás átalakítása kapacitássá. Kapacitív érzékelő blokkvázlata ε 0 = 8, [A.s / V.m] ε = ε r . ε 0 ”A” a kondenzátor felülete (m2) „d” a lemezek távolsága (m) A permittivitás annak a mértéke, hogy egy közeg mennyire áll ellen a rá ható elektromos térrel szemben. Más szavakkal, a permittivitás megmutatja milyen mértékben hat egy elektromos tér a közegre, a dielektrikumra. A permittivitást az anyag azon képessége határozza meg, hogy az mennyire képes polarizálódni a tér hatására, és így csökkenteni a teljes elektromos teret az anyagon belül. Úgy is mondhatjuk, hogy a permittivitás megmutatja az anyag képességét az elektromos mező átadására. 4.2 ábra.Néhány kapacitív megoldás. Az SI rendszerben a permittivitás (ε) egysége a (F/m)

27 Automatikai építőelemek 5.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet