3. REZISTOARE DEPENDENTEvega.unitbv.ro/~nicolaeg/ELA-IM -MIAIA -EPI/Componente pasive de...Rezistoarele rezistoare neliniare sau dependente se caracterizează printr-o dependenŃă

3. REZISTOARE DEPENDENTE Rezistoarele rezistoare neliniare sau dependente se caracterizează printr-o dependenŃă a valorii raportului tensiune / curent de următorii factori:

- tensiunea electrică de la borne la varistoare; - temperatură la termistoare; - flux luminos la fotorezistoare; - câmp magnetic la magnetorezistoare.

3.1 Termistoare Termistoarele sunt rezistoare din categoria rezistoarelor dependente, la care valoarea

rezistenŃei electrice depinde de temperatura elementului rezistiv al termistorului. În funcŃie de modul de variaŃie al rezistenŃei cu temperatura [dependenŃa R(T)] se întâlnesc termistoare cu coeficient de temperatură negativ (NTC) sau pozitiv (PTC).

3.1.1. Termistoare cu coeficient de temperatură negativ NTC

Termistoarele NTC se caracterizează printr-o scădere pronunŃată a rezistenŃei odată cu

creşterea temperaturii (dependenŃă exponenŃială negativă a rezistenŃei electrice de temperatură) elementului rezistiv al termistorului, temperatură determinată de mediu sau de curentul electric care îl parcurge (efect Joule-Lentz).

3.1.1.1. Materiale. Caracteristici. Tehnologii Elementele rezistive ale termistoarelor cu coeficient de temperatura negativ - NTC sunt

realizate din materiale semiconductoare din oxizi ai metalelor din grupa fierului: oxizi de Fe, Cr, Mn, Co, Ni. Pentru obŃinerea unor caracteristici reproductibile alături de oxizi şi de elementele de impurificare se adaugă stabilizatori.

Oxizii utilizaŃi au în stare pură o rezistivitate ridicată, apropiată de cea a materialelor electroizolante. Prin adaos de atomi străini se reduce valoarea rezistivităŃii până la cea din domeniul ce corespunde materialelor semiconductoare. Se utilizează mai multe variante de impurificare, astfel: a.) La oxidul Fe2O3 o parte a ionilor Fe3+ este înlocuită de ioni de titan Ti4+ care la rândul lor, vor fi compensaŃi de o cantitate egală de ioni bivalenŃi Fe2+ pentru ca atomii să rămână neutrii din punct de vedere electric. Se obŃine o conducŃie electrică asemănătoare cu cea de la materiale semiconductoare.intrinseci. La temperaturi scazute electronii de pe straturile superioare ale Fe2+ se găsesc fixaŃi în vecinătatea ionilor Ti4+. Creşterea temperaturii favorizează

COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT

54

trecerea în stare cvasiliberă a acestor electroni şi astfel se obŃine creşterea conductivităŃii semiconductoare de tip n. b.) La oxizii NiO sau CoO prin substituŃia parŃială a ionilor Ni2+ sau Co2+ cu ioni de litiu Li1+, rezultând ioni Ni3+ şi repectiv Co3+. La temperaturi scăzute, sarcina pozitivă formată la ionul Ni3+ sau Co3+ este fixată în vecinătatea atomului străin de Li. La creşterea temperaturii legătura covalentă devine necompensată, sarcina virtuală pozitivă, golul, contribuie la creşterea conductivităŃii σ, la fel ca la materialele semiconductoare de tip p.

Procesul de fabricaŃie al elementului rezistiv al termistoarelor se aseamănă cu cel folosit în industria materialelor ceramice :

- măcinarea şi cernarea oxizilor; - amestecul oxizilor cu anumite elemente de adaos (stabilizatori şi plastifianŃi) şi cu lianŃi; - formarea elementului rezistiv prin presare (disc) sau extrudare (forma alungită); - sinterizarea la temperatură ridicată. Partea finală a procesului tehnologic constă în ataşarea contactelor electrice. Această operaŃie

se realizează prin descompunerea termică a unui compus pe bază de argint sau prin alte procedee de metalizare a zonelor la care urmează a se realiza lipirea contactelor electrice. Pentru unele aplicaŃii, elementul rezistiv al termistoarelor NTC se introduce în tuburi de sticlă, în scopul protecŃiei acestuia împotriva gazelor şi a fluidelor agresive.

Termistoarele miniatură NTC se obŃin din pasta de oxizi cu compoziŃia respectivă, având forma unei picături, care se aplică între două conductoare paralele din platină, după care se supun uscării şi sinterizării. Firele de platină au diametrul de 60 µm şi distanŃa dintre ele 0,25 mm (tehnologia Philips - [20]). Prin sinterizare spaŃiul dintre fire se reduce prin contracŃia materialului elementului rezistiv şi se stabilesc contactele electrice.

Conductivitatea electrică σ a materialelor semiconductoare de tip n sau p este dată de relaŃia : µσ Nq= (3.1)

unde : N - concentraŃia purtătorilor de sarcină; q - sarcina electrică; µ - mobilitatea purtătorilor de sarcină.

Valoarea conductivităŃii σ este dependentă de temperatură, deoarece atât concentraŃia de purtători de sarcină N , cât şi mobilitatea µ depind de temperatură, de forma:

Tk

W

N

a

eCN ⋅

−

⋅=1

Tk

Wa

eC ⋅

−

µ ⋅=µ2

(3.2)

unde : CN,, Cµ - constante; Wa1, Wa2- energii de activare (Wa2<< Wa1); k - constanta lui Boltzmann; T- temperatura (absolută). DependenŃa conducŃiei electrice de temperatură σ (T) se obŃine prin înlocuirea relaŃiilor (3.2)

în expresia (3.1). Rezultă:

eC= )/kTW+W-( aa 21σσ (3.3)

unde, constanta

µσ CCqC N⋅= .

REZISTOARE DEPENDENTE

55

Corespunzător, variaŃia rezistivităŃii σρ 1/= a materialului se scrie sub forma : eC= W/kT∆ρ (3.4) unde : )CC1/q(=C N µ este o constantă;

W+W=W aa 21∆ este energia de activare.

DependenŃa rezistenŃei termistorului cu temperatura RT(T) se exprimă prin relaŃia :

eA=R TB

T ⋅ (3.5)

unde : A este o constantă de proporŃionalitate, care depinde de materialul din care este realizat termistorul, dar şi de dimensiunile geometrice ( lSR ⋅=ρ ) ;

W/k=B ∆ reprezintă indicele de sensibilitate termică al termistorului, dependent de material şi de tehnologia de fabricaŃie utilizată.

DependenŃa tipică RT(θ) pentru un termistor NTC este prezentată în figura 3.1.a ,unde cu R0

şi R25 s-au notat rezistenŃele termistorului corespunzătoare temperaturilor θ = 0°C şi θ = 25°C. Se indică, alătutat, caracteristicile de temperatură pentru trei termistoare având acelaşi indice de sensibilitate termică B, dar rezistenŃe nominale diferite, respectiv: Rn1=R25=20Ω, Rn2=R25=200Ω, Rn3=R25=5000Ω .

Fig. 3.1. Caracteristici de temperatură la termistoare NTC a.) Explicativă la determinarea mărimi R25; b.) DependenŃele RT (T) pentru 3 termistoare

3.1.1.2. Caracteristici electrice. Parametrii DependenŃa rezistenŃei de temperatura la termistoarele NTC (fig.3.1.a) se prezintă analitic

printr-o funcŃie exponenŃială (3.5). Constanta A corespunde rezistenŃei termistorului la o temperatură T (valoare dată). Astfel, dacă la temperatura absolută T1 , termistorul are rezistenŃa

a.) b.)


56

RT1, rezistenŃa acestuia RT2 la temperatura T2, se poate calcula prin înlocuirea acestor valori în relaŃia (3.5), respectiv :

eR=R TTB

TT)

11(

12 12

−⋅ (3.6) Din relaŃia (3.6) rezultă că sunt necesari doi parametrii pentru determinarea rezistenŃei

termistorului la o temperatură T2 dată, respectiv rezistenŃa la temperatura T1 (RT1) şi indicele de sensibilitate B.

RezistenŃa nominală RTn corespunde valorii rezistenŃei termistorului, măsurate în condiŃii de

disipare nulă, de obicei, se consideră temperatura θ=25°C. În acest caz, are loc egalitatea:

R=R 25T n (3.7)

Determinarea rezistenŃei RTn (la disipare nulă) se face astfel încât puterea absorbită de

termistor să fie suficient de mică pentru ca disiparea de putere să nu provoace o variaŃie a rezistenŃei termistorului mai mare de 0,1% (T=const.). Din dependenŃa grafică RT (T), rezistenŃa

R=R 25T n se determină aşa cum se indică în figura 3.1.a.

Indicele de sensibilitate termică B, într-un domeniu de temperatură (T2 - T1) se determină

din relaŃia (3.6), respectiv:

[ ] R/Rln)T-T/(TT=B TT1221 21⋅⋅ [°°°°K] (3.8)

Valoarea indicelui B se calculează, [12], pe intervalul de temperatură +25°C (T1=298,15 K)

şi +85°C (T2=358,15 K), la care corespund valorile rezistenŃei R25 şi R85. Prin înlocuirea acestor valori în relaŃia (3.8) şi efectuarea calculelor, se obŃine:

85

251780R

Rln=B ⋅ (3.9)

Coeficientul de variaŃie cu temperatura αT se determină cu relaŃia:

2

1

T

B-

RdT

dR=

T

TT =⋅α [1/K] (3.10)

Înlocuind în relaŃia (3.10), valoarea indicelui de sensibilitate B (relaŃia (3.9)) pentru

temperaturile +25°C (T=298,15K) şi +85°C (T2=358,15 K), rezultă:

85

25

R

Rln-2,002=25 ⋅α [%/°C]. (3.11)

De exemplu:


57

Să se calculeze valoarea rezistenŃei electrice RT a unui termistor M85 (Siemens) la temperatura de 1000C şi coeficientul de variaŃie cu temperatura αT, dacă acesta are R25=100 kΩ (la 250 C) şi indicele de sensibilitate B=3950 K.

Din relaŃia (3.6) în care se înlocuiesc: T1=273 + 25 =298 K şi T2=273 + 100 = 373 K

rezultă:

Ω=⋅Ω=

−kekR

C958,6100 298

1

373

13950

)100( 0

Coeficientul de variaŃie cu temperatura αT se calculează jumătatea intervalului,

respectiv la temperatura KT 33350273 =+= . Prin înlocuire în relaŃia (3.10) se obŃine:

KK

K

T

B=T /%56,3

)333(

395022

−=−=−α

Factorul de disipaŃie D reprezintă raportul dintre puterea P disipată pe termistor şi variaŃia

temperaturii acestuia, faŃă de o temperatură specificată T0, [de obicei T0=298,15 K (+25°C)]:

0TT

P=D

− [W/K] (3.12)

Caracteristica tensiune-curent UT(IT) la termistoarele NTC reprezintă dependenŃa dintre

curentul care parcurge termistorul IT şi căderea de tensiune UT de la bornele acestuia. Datorită variaŃiei rezistenŃei cu temperatura, această caracteristică prezintă un maxim care depinde de temperatură mediului. În regim termic stabilizat (la echilibru termic), puterea disipată pe termistor este egală cu puterea transferată mediului:

R)/U(=IR=)T-D(T=P T

2TTT0

2 (3.13)

Din relaŃia (3.13) se poate obŃine tensiunea UT sau curentul IT, iar prin înlocuirea valorii RT

din relaŃia (3.5) rezultă :

e)AT-D(T=R)T-D(T=U B/T0T0T (3.14)

eA

)T-D(T=)T-(T

R

D=I B/T-0

0

T

T (3.15)

Prin rezolvarea sistemului de ecuaŃii format din ecuaŃiile (3.14) şi (3.15) se obŃine

caracteristica tensiune - curent a termistorului [UT(IT)]. Pentru stabilirea maximului caracteristicii UT(IT) se pune condiŃia:

0=dT

dU T , (3.16)


58

iar, în urma rezolvării rezultă : 0=BT+BT-T 0

2 (3.17) Din ecuaŃia (3.17) se obŃine temperatura TUmax, corespunzătoare tensiunii UTmax :

BT-4BB

2

1=T 0

2

Umax ± (3.18)

Valoarea care rezultă pentru semnul minus din faŃa radicalului (3.18), dă temperatura

corespunzatoare maximului curbei, valoare care are sens numai dacă expresia de sub radical este pozitivă, respectiv:

T4>B 0 (3.19) DependenŃa U=f(I) cu un maxim (fig. 3.2) se obŃine numai dacă este îndeplinită condiŃia

(3.19). ConsideraŃiile făcute pentru determinarea valorii TUmax sunt valabile numai în regim staŃionar, caz în care temperatura corespunzătoare maximului tensiunii depinde numai de indicele de sensibilitate termică. RezistenŃa statică a termistorului se defineşte pe caracteristica U=f(I) într-un punct (P, fig. 3.2) fiind proporŃională cu panta dreptei dusă din origine la punctul considerat (unghiul α). Pentru valori ale indicelui de sensibilitate B=2000…4000K, la termistoarele NTC uzuale, TUmax= 85°- 45°C.

Constanta de timp termică τth sau constanta termică reprezintă intervalul de timp necesar unui termistor pentru a-şi modifica temperatura sau rezistenŃa de la o valoare iniŃială (T0 , R0) la o valoare finală (valoare indicată). Dacă se notează H [J/K] capacitatea termică a termistorului şi se egalează energia cedată cu cea primită, rezultă :

HdT=)dtT-D(T 0 (3.20)

Prin integrarea ecuaŃiei (3.20) pe intervalul (0 - t) şi respectiv (T - T1) rezultă:

e)T-T(=T-T t/

010τ (3.21)

unde: H/D=thτ este constanta termică de timp.

VariaŃia procentuală a temperaturii (T-T0) / T0 în funcŃie de τth se indică în tabelul 3.1.

T3 α β

U

I

A P

IP

UP T1

T2

T3 >T2 >T1

Fig. 3.2. DependenŃa U=f(I) la T=const.


59

Tabelul 3.1. DependenŃa ratei de modificare T- T0 [%] de constanta de timp τth

Durata τth 2τth 3τth 4τth 5τth 6τth 7τth

T- T0 [%] 62,3 86,5 95,0 98,2 99,4 99,8 99,9

Din tabelul 3.1 se observă, că după un timp t> (6-7) τth temperatura, respectiv rezistenŃa RT termistorului atinge practic valoarea finală.

Constanta termică τth [s] reprezintă timpul de răspuns al termistorului, fiind dependentă de construcŃia termistorului prin parametrii H si D. În reprezentarea grafică a variaŃiei temperaturii sau a rezistenŃei termistorului în funcŃie de timp, tangenta la curbă atinge valoarea finală după o durată t egală cu τth (fig.3.3).

Definirea constantei termice de timp τth se face în funcŃie de utilizările termistorului: • la răcire, constanta τth corespunde intervalului de timp în care modificarea rezistenŃei normate (RT/R25) atinge 63% din valoarea avută iniŃial - (fig. 3.3) (variaŃia temperaturii este de 100°C); • la încălzire, constanta τth se defineşte prin intervalul de timp în care modificarea rezistenŃei (RT/R25) normate atinge 37% din valoarea avută iniŃial - (fig. 3.3) (variaŃia temperaturii este de 100°C);

Constanta termică se poate calcula în acelaşi mod ca o constantă de timp a unui circuit electric în funcŃie de capacitatea termică Cth ≡ H [J/K] (dependentă de masa termistorului) şi rezistenŃa termică Rth = 1/D (dependentă de suprafaŃa de contact cu mediul):

ththth CR ⋅=τ (3.22)

Constanta termică τth are valori cuprinse între 0,5 s la termistoarele de măsură până la 100 s

la termistoare cu încălzire indirectă.

3.1.1.3. Utilizările termistoarelor NTC După modul de utilizare se întâlnesc următoarele variante:

a) termistoare care încălzire proprie termistoare cu încălzire directă la care temperatura termistoarelor este produsă de puterea disipată, putere care rezultă prin introducerea termistoarelor în circuite electrice cum ar fi: în circuitele pentru limitarea curentului (fig. 3.4), circuite de temporizare (fig. 3.5), circuite pentru stabilizarea tensiunii, etc.

la răcire

la încălzire

t ττττth

RT/ R25

1 0,63 0,37 0

Fig. 3.3 Explicativă la determinarea constantei termice


60

În circutele de încălzire ale filamentelor tuburilor electronice sau a a lămpilor cu filamente metalice se foloseşte pentru limitarea curentului de pornire un termistor în serie cu aceste filamente, aşa cum se indică în schema din figura 3.4. Aceste filamente prezintă la rece (temperatura mediului) o rezistenŃă de aproximativ zece ori mai mică decât în regim normal de funcŃionare. Dacă aceste filamente s-ar cupla direct la tensiunea de alimentare, curentul iniŃial la cuplare ar fi de aprox. 10 In şi le-ar ar putea afecta. Termistorul care se înseriază cu aceste filamente va avea la pornire o rezistenŃă mare apropiată de valoarea rezistenŃei nominale R25 şi prin aceasta la pornire curentul din circuit este mai mic decât In. Pe măsură ce termistorul se încălzeşte, datorită curentului de care este parcurs, rezistenŃa sa se reduce la o valoare mult mai mică. După o perioadă de timp (ordin secunde) filamentele vor fi parcurse de curentul nominal.

În figura 3.5.a se prezintă un circuit de temporizare la cuplare sau la anclanşare. În această schemă se foloseşte un termistor NTC înseriat cu bobina releului de tensiune continuă de 24 V, circuitul fiind alimentat la o tensine de 35V. La cuplarea butonului B datorită faptului că rezistenŃa termistorului este mare, curentul ce parcurge bobina releului d1 este mai mic decât valoarea necesară anclanşări (contactul 1d1 rămâne deschis).

După o durată de timp, în care termistorul este parcurs de curent, rezistenŃa RT a acestuia se reduce (fig. 3.5.b), iar curentul din circuitul bobinei atinge valoarea I1 de aclanşare. La atingerea acestui curent se va închide contactul 1d1. Intervalul de timp din momentul cuplării alimentării până la aclanşare (închiderea contactului normal deschis 1d1) depinde de constanta termică de timp a termistorului. Pe caracteristica U-I a termistorului s-a trasat dreapta de sarcină ce intersectează axele în punctele pentru RT =0 şi RT =∞ .

t0

u

Fig.3.4 Circuit cu termistor NTC pentru protecŃia filamentelor metalice

In

30

20

10

30 mA

UTmax

0 10 20

I

URel

I1

1,2 kΩ

Fig. 3.5 Circuit de temporizare la cuplare cu termistor a) schema circuitului b) caracteristica U-I

b)

1d1

d1

B

t0 UT

URel RRel=1,2 kΩ

RT

35 V

a)


61

b) termistoare pentru compensare şi pentru măsură la care rezistenŃa depinde de temperatura mediului în care sunt amplasate; se folosesc pentru: circuite de compensare a variaŃiilor de temperatură a mediului ambiant, circuite de măsurare a temperaturii, etc;

c) termistoare cu încălzire indirectă la care rezistenŃa se modifică prin încălzirea produsă de

curentul dintr-o înfăşurare de încălzire aflată în contact termic cu corpul acestora.

3.1.2. Termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv PTC 3.1.2.1. Materiale. Caracteristici. Tehnologii Termistoarele PTC se deosebesc de termistoarele NTC prin următoarele caracteristici :

- coeficientul de temperatură este pozitiv numai între anumite temperaturi, în afara acestui interval coeficientul de temperatură fiind nul sau negativ; - valorea absolută a coeficientului de temperatură a termistorului PTC este mai mare decât cel al termistorelor NTC;

In figura 3.6 se prezintă comparativ dependenŃa de temperatură a rezistenŃei RT a termistoarelor NTC şi PTC, la scara logaritmică.

3.1.2.2. ConstrucŃia termistoarelor PTC Termistoarele PTC se realizează din titanat de bariu (BaTiO3) sau din soluŃii solide de

BaTiO3 şi SrTiO3 printr-o tehnologie asemănătoare cu cea folosită la fabricarea termistoarelor NTC. Electronii de conducŃie din structura materialului se obŃin prin impurificarea cu elemente având valenŃa diferită faŃa de cea a materialului de bază. Prin substituirea ionilor de Ba2+ cu ioni trivalenŃi de bismut Bi3+ sau a ionilor tetravalenŃi Ti4+ cu ioni pentavalenŃi de stibiu Sb5+ sau niobiu Nb5+ se obŃine o conducŃie de tip n.

Pentru obŃinerea coeficientului pozitiv de variaŃie a rezistenŃei cu temperatura (PTC) se realizează un tratament termic al elementelor rezistive ale termistoarelor în atmosferă de oxigen. În urma acestui tratament, atomii de oxigen sunt absorbiŃi la suprafaŃa cristalelor prin captarea electronilor din stratul superficial, rezultând ioni O2-. Se creează o barieră de potenŃial din sarcina superficială negativă şi sarcina spaŃială pozitivă. Ca urmare a barierei de potenŃial ce rezultată prin deplasarea electronilor spre suprafaŃa cristalului, se obŃine o rezistenŃa suplimentară în termistor. RezistenŃa barierei Rb se poate descrie cu relaŃia :

Fig. 3.6 Caracteristicile de temperatură pentru termistoare NTC şi PTC


62

ea

C=R kT

qV

b

b

⋅ (3.23 )

unde, sau folosit noŃiunile :

C - constanta; a - dimensiunea medie a cristalelor; Vb - potenŃialul electric al barierelor, iar

a

1 - numărul barierelor pe unitatea de lungime a termistorului.

PotenŃialul Vb depinde invers proporŃional de permitivitatea εr a materialului. Ca urmare a acestei dependenŃe şi rezistenŃa Rb se modifică în funcŃie de variaŃia permitivităŃii. VariaŃia permitivităŃii εr cu temperatura este caracteristică materialelor feroelectrice de tipul BaTiO3 sau a soluŃiilor solide ale acesteia. Pentru temperaturi T > Tc (Tc - temperatura Curie a materialului feroelectric), εr scade cu creşterea temperaturii, de forma:

T-T

C=

crε ( 3.24 )

(constanta 10C 5≈ ), ceea ce duce la creşterea potenŃialului barierelor Vb şi prin aceasta

rezistenŃa elementului rezistiv va avea o creştere pronunŃată. Efectul de creştere a rezistenŃei (coeficient de temperatură pozitiv) cu temperatura se manifestă într-un domeniu limitat de temperatură TRmin si TRmax, (fig. 3.6), valori care se situează între -30°C si +180°C.

La temperaturi ce depăşesc o valoare Trmax (Trmax=180 - 200°C) electronii captaŃi de atomii de oxigen sunt în mare parte eliberaŃi, fapt ce determină scăderea potenŃialul barierei. În acest domeniu de temperatură coeficientul de variaŃie al rezistenŃei se modifică devenind negativ. ExistenŃa barierelor de potenŃial determină o capacitate electrică - capacitatea barierei Cb. Efectul de şuntare al acestei capacitaŃi se face simŃit la frecvenŃe mari.. Ca urmare, termistoarele PTC în curent alternativ vor prezenta o impedanŃă Zb (RT în paralel cu Cb), care numai la frecvenŃe joase se poate aproxima cu RT (fig. 3.12).

3.1.2.3. Caracteristici electrice. Parametrii

DependenŃa rezistenŃei de temperatură RT(T) la termistoarele PTC este mai dificil de

exprimat analitic comparativ cu aceeaşi dependenŃă la termistoarele NTC. În domeniul în care coeficientul de temperatură al rezistenŃei este pozitiv, dependenŃa RT(T)

se aproximează cu relaŃia :

T<T<TpentruCe+A=R RmaxRminBT

T ( 3.25 ) unde A, B, C sunt constante. DependenŃa tipică de variaŃie a rezistenŃei (log R) în funcŃie de temperatură este prezentată în

figura 3.7. Pe această caracteristică se indică rezistenŃele termistorului PTC pentru diferite valori ale temperaturii, respectiv:

Rn– rezistenŃa nominală = rezistenŃa temistorului la temperatura de 250 C; Rmin - rezistenŃa minimă a temistorului; TRmin – temperatura pentru Rmin (după care începe variaŃia pozitivă);


63

Rb – rezistenŃa echivalentă a barierei de potenŃial; Tb – temperatură ce corespunde barierei de potenŃial (temperatura după care începe

creşterea exponenŃială a rezistenŃei); Rp – rezistenŃa corespunzătoare limitei superioare pentru variaŃie exponenŃială; Tp.- temperatura limită superioară (temperatura după care se modifică comportarea).

Fig. 3.7 DependenŃa tipică de temperatură a rezistenŃei a unui termistor PTC Coeficientul de temperatură ∝∝∝∝T se obŃine din relaŃia (3.25) prin diferenŃiere:

Ce+A

BCe=RdT

dR=

BT

BT

Tα ( 3.26)

In aplicaŃiile practice, dependenŃa RT(T) a termistoarelor PTC descrisă prin relaŃia (3.25) are

o utilizare restrânsă, preferându-se prezentarea acesteia sub formă grafică. Caracteristica tensiune-curent UT(IT) reprezintă dependenŃa dintre curentul care parcurge

termistorul IT şi căderea de tensiune UT de la bornele acestuia, pentru Tamb=const. Datorită încalzirii termistorului la trecerea curentului se produce o creştere pronunŃată a rezistenŃei acestuia şi ca urmare, apare efectul de limitare al curentului în circuitul electric în care este înseriat termistorul PTC. Până la o anumită valoare a curentului, dependenŃa UT(IT ) are caracter liniar, dar, datorită încălzirii, la depăşirea temperaturii de comutare TRmin, rezistenta RT creşte rapid şi ca urmare, curentul va prezenta o scădere pronunŃată. Limitarea curentului se produce numai dacă rezistenŃa de sarcină a termistorului permite stabilirea în circuit a unui curent care să determine modificări ale temperaturii termistorului în intervalul TRmin <T< TRmax. Astfel, (fig. 3.7), punctul de functionare se obŃine la intersecŃia caracteristicii U=f(I) a termistorului cu caracteristica de sarcină (dreptele R1, R2, R3 ). Pentru R3>R2>R1 se obŃin punctele P1 (punct stabil), P1' şi P1'' (puncte instabile). FuncŃionarea într-un punct stabil (P3) are loc numai pentru rezistenŃele de sarcină R1 şi R2, nu şi pentru R3., care nu atinge punctul de comutare. Atingerea valori curentului de comutare (a temperaturii de comutare) se obŃine după un interval de timp

log R

T [0C]

Tp T25 Tmin Tb

Rmin

Rb

Rp

Rn


64

care depinde de constanta de timp a termistorului H/D=thτ , (relatia (3.20)) şi de valoarea

rezistenŃei. Valoarea maximă a curentului IP din circuitul termistorului se poate calcula considerând o valoare constantă a coeficientului de disipare termică D=const.

Puterea P disipată pe termistor este : RI=P 2 şi pentru variaŃii mici ale acesteia, se poate scrie: IR+I2RI=P 2∆∆∆ . (3.27.a)

Pentru valoarea maximă a funcŃiei (vârful curbei I(U), având coordonatele cu indice P) se

pune condiŃia 0=I p∆ , respectiv: IR=P p2

p ∆∆

VariaŃia P∆ se obŃine din expresia factorului de disipaŃie termică, din care în urma derivării, rezultă:

I=DR

Tp

2

p

p

∆

∆ (3.27.b)

Din caracteristica RT(T) se poate scrie :

R

T-T=

R

T

p

ambp

p

p

∆

∆ (3.27.c)

Fig. 3.7 Explicativa la funcŃionarea termistoarelor PTC a.) caracteristica I(U);

b.) caracteristica I(t) şi se obŃine :

R

)T-TD(=I

p

ambpp (3. 27.d )

1

2

I[A]

3

R1

R2> R1

R3 > R2 > R1

t[s] 0 2 4 6

b)

0


65

În figura 3.7.a. intersecŃia dreptelor de sarcină R1 şi R2 cu curba I(U) a termistorului are loc în două puncte diferite. IniŃial funcŃionarea are loc în punctele ŃŃ' PşiP 11 , care se deplasează pe curba descrescătoare şi se stabilizează în P3. ' Valoarea iniŃială a curentului (valoare mare - imediat după conectarea circuitului cu termistor PTC - punctele P1'', P1') se deplasează în punctul P3

(valore mică a curentului), apărând un efect de “comutare” după un timp proporŃional cu valoarea curentului (fig.3.7.b). Aceasta evoluŃie se datorează creşteri rezistenŃei termistorului (scădere a curentului) prin autoîncălzire. VariaŃia în timp a rezistenŃei RT(t) unui termistor PTC introdus într-un circuit electric cu rezistenŃă constantă este prezentată în figura 3.8.

Fig. 3.8 DependenŃa rezistenŃă – timp pentru un termistor PTC

Factorul de disipaŃie D şi constanta de timp termică τth se definesc şi se determină la fel ca la termistoarele NTC [relaŃiile (3.13) – (3.21)].

Parametrii caracteristici ai unor termistoare PTC destinate măsurătii şi reglajului de

temperatură, fabricaŃie Siemens, sunt indicaŃi în tabelul 3.2. Tabelul 3.2 Parametrii caracteristici ai unor termistoare PTC (Siemens)

Tip P310 P330 P350 P390 P430 P450

Umax[V] 60 60 60 60 60 60 Rn[ΩΩΩΩ] 46 27 27 33 40 46 Rb[ΩΩΩΩ] 80 54 54 58 58 58 Tb[

0C] 40 60 80 120 160 180 Rmin[ΩΩΩΩ] 40 27 27 29 29 29

TRmin[0C] ≤105 ≤70 ≤70 ≤75 ≤75 ≤75 Rp[kΩΩΩΩ] ≥20 ≥20 ≥20 ≥20 ≥10 ≥5 Tp[

0C] 95 110 125 155 200 220 ααααT[%/0C] 16 20 28 29 13 13

ττττth[s] 66 66 60 60 60 60 D[mW/K] 10 10 11 11 11 11


66

3.1.2.4. Utilizările termistoarelor PTC

Termistoarele PTC se utilizează in circuitele electrice în care se urmăreşte variaŃia rezistenŃei

cu temperatura RT(T) la fel ca termistoarele NTC, respectiv, cu încălzire indirectă, dar mai ales cu încălzire directă.

a) Circuit de reglare a temperaturii În schema din figura 3.9 se prezintă un circuit electronic de reglare a temperaturii ce foloseşte ca senzor de temperatură un termistor PTC. Acest termistor de tip P 350 are rolul de comandă pentru tranzistorul Darlington T care are în circuitul de ieşire motorul de curent continuu (M c.c.) al ventilatorului.

La temperaturi scăzute până la 600C valoarea rezistenŃei RT a termistorului este mică, în jurul valorii de 20Ω (tabelul 3.2). În aceste situaŃii între baza şi emitorul tranzistorului tensiunea UBE

are valoarea:

VRR

RUU

BT

BCBE 33,0

82020

2014 =

+⋅=

+=

Pentru această tensiune UBE tranzistorul Darlington este blocat şi ventilatorul nu

funcŃionează. La creşterea temperaturii mediului în care se află termistorul, creşte rezistenŃa termistorului PTC şi odată cu aceasta şi tensiunea UBE. Tranzistorul va intra în conducŃie la UBE≥1V şi ventilatorul va funcŃiona până la temperatura de aprox. 800C cu turaŃie scăzută. La depăşirea acestui prag de temperatură cu 3-40C se obŃine condiŃia de conducŃie la saturaŃie a tranzistorului şi prin aceasta se obŃine funcŃionarea ventilatorului la turaŃia nominală. Dioda Zener DZ are rol de protecŃie al tranzistorului (joncŃiunea bază – colector) la tensiunile autoinduse care pot să apară la deconectarea motorului.

b) Circuit de demagnetizare a măştii perforate de la tubul cinescop tricrom Una dintre aplicaŃiile tipice ale termistoarelor PTC o reprezintă cea a circuitelor de

demagnetizare a măştii perforate din tubul catodic al televizoarelor color (tricrom). Măştile perforate din tuburile televizoarelor color sunt realizate din material feromagnetic. Aceste măşti trebuiesc periodic demagnetizate pentru ca deviaŃia fasciculelor de electroni să nu fie influenŃată de câmpul magnetic al acesteia şi prin aceasta să nu se producă distorsiuni de culoare.

UC=+14 V

Fig. 3.10 Circuit de reglare a temperaturii cu termistor PTC

DZ BZY97 C24

RT

P 350

RB

820 Ω

M c.c.

T BD 643


67

Demagnetizarea măştii perforate se face la fiecare pornire a televizorului, respectiv la cuplarea tensiunii de alimentare. Se foloseşte un circuit de demagnetizare format dintr-o bobină amplasată pe tubul cinescop care este alimentată cu un curent alternativ cu amplitudine descrescătoare. În circuitul electric care asigură aplicarea unui curent cu amplitudine mare la momentul cuplării alimentării, curent care apoi se reduce până la o valoare nesemnificativă după câteva secunde rolul principal îl are termistorul PTC (fig. 3.11).

Fig. 3.11 Circuit de demagnetizare al măştii perforate

Terminalul PTC înseriat cu circuitul format din varistorul VDR şi bobina L de demagnetizare

a tubului cinescop în paralel cu rezistenŃa Rp. este conectat la tensiunea reŃelei (U=220V, f=50Hz). La cuplarea televizorului temperatura termistorului PTC fiind scăzută (temperatura ambiantă) rezistenŃa electrică a acestuia este mică şi prin circuit în primul moment va trece un curent mare (de câŃiva amperi) prin bobina L. Acest curent produce după aprox. o secundă creşterea temperaturii termistorului şi ca urmare se produce creştea rezistenŃei acestuia. Astfel, după câteva secunde, practic întreaga cădere de tensiune va avea loc la bornele termistorului, iar prin circuit va trece un curent mult mai mic (de ordin mA). Acest curent va trece în cea mai mare parte prin circuitul rezistenŃei Rp, deoarece varistorul VDR va avea rezistenŃă foarte mare (tensiunea de la bornele sale este mică). Valoarea rezistenŃei Rp se dimensionează pentru ca punctul de funcŃionare al termistorului să se situeze în domeniul de temperatură Tb <T< Tp (fig. 3.9).

3.2. Varistoare Varistoarele fac parte din categoria rezistoarelor dependente - rezistoare a căror rezistenŃă

depinde de valoarea tensiunii electrice aplicate la borne. Pentru codificare se utilizează iniŃialele V(oltage) D(ependent) R(ezistors) .

3.2.1. ConstrucŃia varistoarelor. Parametrii Un varistor este compus din: elementul rezistiv, armături şi terminale. Se folosesc materiale

pe bază de carbură de siliciu (SiC) şi oxid de zinc (ZnO) sau pe baza altor oxizi metalici (TiO2, ZrO2, CaO, SnO2, MnO2, CuO).

Elementul rezistiv, corpul varistorului, se caracterizează, în funcŃie de natura materialului din care este realizat şi forma sa (disc, cilindrică, paralelipipedică, etc.) printr-o anumită dependenŃă curent-tensiune.

+t PTC

VDR U

Rp 220 V, 50 Hz

L - Bobina de demagnetizare


68

Tehnologia de fabricaŃie a varistoarelor constă în operaŃii de pregătire a materialului de bază: măcinare, cernere, dozare. Urmează realizarea amestecului în anumite proporŃii cu liant şi eventual a unor alte materiale de adaos, pentru obŃinerea unor anumite caracteristici electrice şi pentru stabilizarea acestora. Ca liant, se folosesc diferite varietăŃi de argilă, sticlă lichidă, ultraporŃelan, răşini organice. Presarea se realizează împreună cu lianŃi şi plastifianŃi în matriŃe, rezultând tronsoane care au forma elementului rezistiv al varistorului. Aceste tronsoane sunt supuse unui proces de sinterizare la temperaturi de 1000 - 1300 oC ( la SiC ), după care se aplică un tratament de îmbătrânire artificială pentru stabilizarea caracteristicilor.. Prin aplicarea de impulsuri electrice cu amplitudini care depăşesc tensiunea nominală se străpung eventualele contacte imperfecte datorită peliculelor de oxizi de la suprafaŃa cristalelor. În urma acestui proces se consideră că elementul rezistiv este pregătit pentru faza de fixare a armăturilor care se realizează în mod asemanător cu tehnologia de la termistoare.

DependenŃa dintre curentul I prin varistor şi tensiunea U la borne este dată de relaŃia:

nUKUKI 21 += (3.28)

unde, K1,K2 sunt constante, iar exponentul n>1. Această dependenŃă (3.28) se obişnuieşte să se exprime prin:

α= KUI ; β= CIU ( 3.29 )

unde s-au folosit notaŃiile: K- constantă care stabileşte tensiunea de lucru a rezistorului; α β, -coeficienŃi de neliniaritate. Caracteristica tensiune-curent U( I ), la scară exponenŃială, se indică în figura 3.12.

Fig 3.12 Caracteristica U=f(I) a unui varistor Dacă se logaritmează ecuaŃia (3.29) rezultă :

IlogClogUlog β+= (3.30) În aceiaşi figură (fig. 3.12) s-a reprezentat şi semnificaŃia pentru exponentul β , care

reprezintă coeficientul unghiular al caracteristicii U( I ) la scară exponenŃială. DependenŃele U(I) ale varistoarelor se reprezintă, de obicei, pentru U >0, I >0 ( cadranul I ). Aceste caracteristici sunt identice pentru U <0, I <0 ( cadranul III ), în cazul varistoarelor simetrice. Pentru anumite aplicaŃii se realizează şi varistoare cu caracteristici asimetrice.


69

Comparând relaŃiile (3.29) şi (3.30) rezultă :

β=α 1 , αβ

==CC

k11

1 (3.31)

Valorile constantelor C şi β pentru un varistor depind de compoziŃia materialului folosit la

realizarea elementului rezistiv şi de tehnologia de fabricaŃie. Astfel, C depinde în primul rând de forma şi de dimensiunile varistorului. Valorile uzuale sunt: C=14÷500, β = 0,15÷0,35.

Conform relaŃiei (3.29) este posibilă indicarea caracteristicilor electrice ale unui varistor prin doi paremetrii: C sau k şiα sau β . Această caracterizare nu oferă o precizie suficientă, deoarece pentru variaŃii reduse ale tensiunii, curentul prin varistor se modifică între limite largi, neliniaritatea caracteristicii depinzând de valorile curentului.

O modalitate, utilizată în caracterizarea varistoarelor, constă în indicarea tensiunii U la cel puŃin 3 valori ale curentului I ( de exemplu: 1, 10, 100 mA, eventual 1A ). Neliniaritatea dependenŃei caracteristicii tensiune - curent a varistoarelor poate fi caracterizată prin parametrii specifici: RezistenŃa Rv a varistorului, care rezultă prin înlocuirea tensiunii şi curentului din relaŃia (3.28), respectiv :

1−ββ

=== CII

CI

I

URV (3.32.a)

sau

α−α

=== 11U

KKU

U

I

URV (3.32.b)

relaŃii care indică dependenŃa pronunŃată a valorii Rv de curent şi de tensiune. Puterea disipată Pd într-un varistor, se obŃine prin înlocuirea în relaŃia de calcul a puterii a uneia din expresiile rezistenŃei şi rezultă:

12 +β== CIIRP Vd (3.33.a)

sau

12

+α== KUR

UP

V

d (3.33.b)

Din relaŃiile (3.33) rezultă o creştere pronunŃată a puterii disipate Pd odată cu tensiunea aplicată. Puterea disipată maximă Pmax a unui varistor depinde de temperatura maximă pe care o poate atinge elementul rezistiv al acestuia, fără să-şi modifice caracteristicile. Astfel, pentru varistoare cu elementul rezistiv nelăcuit temperatura maximă de utilizare este în jur de 150oC, iar pentru cele lăcuite de 120oC. Limitarea puterii maxime disipate pe varistoare se stabileşte în acelaşi mod ca la rezistoarele liniare, în funcŃie de temperatura ambiantă Tamb. În mod obişnuit, se indică valoarea curentului maxim Imax permis, deoarece tensiunea de la borne are variaŃii relativ reduse.


70

De exemplu: Pentru 5=α , 15+⋅= UKPd , dublarea puterii disipate Pd

'=Pd va rezulta pentru

tensiunea U' ( U,U'U 1212 61

≅= ) deci, pentru o creştere cu 12% a tensiunii. Coeficientul de temperatură al constantei CT stabileşte efectul temperaturii asupra

rezistenŃei varistorului şi se evaluiază considerând coeficientul β independent de temperatură. Valoarea coeficientului CT la o temperatură T, se determină prin considerarea unei variaŃii liniare de forma:

)Ta(CC TT ∆⋅+= 1

0 (3.34)

unde CT0

- valoarea coeficientului C la 0oC ;

a - coeficientul de temperatură al constantei C [ uzual, a = ( -1 ... -2,8 )·10 -3 [1/oC ]; ∆T T T= − 0 este variaŃia de temperatură. Coeficientul de temperatură αT este dat de relaŃia:

12

12

1

1

TT

II

IT −

−⋅=α , [1/K] ( 3.35)

unde, I1 şi I2 sunt curenŃii prin varistor la temperatura T1, respectiv T2.

Asimetria A caracteristicii U(I) a varistoarelor se exprimă prin diferenŃa dintre curenŃii I1, I2 corespunzători unor tensiuni de valori absolute egale şi polarităŃi opuse:

1001

12 ⋅−

=I

IIA , [%] (3.36)

Varistoarele normale prezintă o asimetrie redusă (A<10%), dar se realizează şi varistoare cu

caracteristică asimetrică. La varistoarele nesimetrice valorile mărimilor C şi β au valori diferite, în funcŃie de polaritatea tensiunii aplicate. [de exemplu: foarte mici într-un sens (β ≅ 0,07), iar în celălalt sens valori mici, dar şi o capacitate echivalentă mai mare].

Principalii parametrii ai varistoarelor, cuprinşi între datele de catalog, sunt urmatorii: Tensiunea nominală Un [V] reprezintă valoarea tensiunii continue care se obŃine la bornele

varistorului, atunci când acesta este parcurs de un anumit curent. Acestă mărime se marchează pe corpul varistorului. Datorită neliniarităŃii dependenŃei U(I), se obişnuieşte indicarea tensiunii de la bornele varistorului pentru 3 valori ale curentului.

Puterea nominală Pn [W] este valoarea maximă a puterii, care poate fi disipată pe elementul

rezistiv al varistorului, fără ai afecta integritatea acestuia, în condiŃii de temperatură specificate (de obicei, Tamb= 60o sau 70oC).


71

Curentul nominal In [mA] corespunde valorii curentului prin varistor, la care puterea disipată are valoarea nominală la o temperatură specificată ( Tamb=60o sau 70oC ).

Coeficientul de neliniaritate β se indică pentru două limite ale curentului sau tensiunii. De exemplu: β = 0,14...0,4 pentru I = 0,3·In...3In. Coeficientul de temperatură ααααT calculat cu relaŃia (3.35) se indică prin valorile limită,

corespunzătoare unui domeniu de temperatură T2 …T1, pentru valori date I1 şi I2 ale curenŃilor sau se prezintă sub formă grafică prin dependenŃa αT = f (I).

Coeficientul de asimetrie A (3.36) indică abaterea de la simetrie a caracteristici tensiune-

curent. Pentru varistoarele asimetrice se dau caracteristicile tensiune-curent sau parametrii la alimentarea în sens direct (cadranul I) sau în sens invers (cadranul III).

3.2.2. Modelarea varistoarelor Varistoarele se utilizează atât în circuite electrice şi electronice cu tensiuni continue,

alternative de joasă şi medie frecvenŃă, precum şi în circuite de impulsuri. Comportarea varistoarelor în curent continuu este diferită de cea în curent alternativ.

a.) Comportarea varistoarelor în curent continuu ConducŃia electrică la varistoare, caracterizată printr-o dependenŃă neliniară curent - tensiune

(fig.3.10), este dată de rezistenŃa de contact dintre granulele elementului rezistiv. Caracteristicile acestui conglomerat sunt determinate de numărul de contacte ale cristalitelor care formează o reŃea complicată de rezistenŃe în serie şi în paralel.

Teoria microcontactelor este una dintre teoriile prin care se argumentează influenŃa tensiunii

asupra conducŃiei electrice în varistoare susŃine următoarele: conducŃia electrică depinde de forma cristalitelor şi de contactele care se stabilesc, fiind dependentă de valoarea tensiunii şi a încălzirii contactelor dintre granule. În procesul sinterizării elementului rezistiv se formează contacte nemijlocite între granule, cât şi contacte prin intermediul unor punŃi din materialul liantului. Fiecare contact intermediar se caracterizează printr-o anumită tensiune de amorsare a autoexcitaŃiei electronice, în timp ce prin contactele nemijlocite în paralel (fig. 3.11.a.), curentul variază liniar cu tensiunea aplicată. La atingerea tensiunii de amorsare (U1, U2, U3, U4) se produce o creştere bruscă a curentului prin contactele dintre granule aşa cum se indică în figura 3.11.b. Prin suprapunerea acestor efecte şi medierea acestor caracteristici parŃiale se obŃine caracteristica rezultantă I(U) a varistorului (fig.3.11.c). În baza acestei teorii se poate considera, că obŃinerea unei caracteristici I(U) abrubte, rezultă pentru materialele la care contactele granulelor au o comportare apropiată. În figura 3.11.c. se indică dependenŃa curent-tensiune pentru cele două tipuri de varistoare mai frecvent utilizate ZnO şi SiC.. Varistoarele din ZnO prezintă o caracteristică mai abrubtă decât la SiC, dar la o tensiune mai mică.

Teoria stărilor de suprafaŃă consideră că granulele de SiC sunt acoperite cu un strat a cărui

conducŃie este diferită de cea a părŃii interioare, (exemplu: tip p şi tip n sau invers ) formându-se microjoncŃiuni p-n caracterizate printr-o anumită barieră de potenŃial. Pentru două granule în contact se obŃine un circuit serie cu două diode în opoziŃie. Caracteristica globală curent-tensiune a varistorului rezultă prin suprapunerea efectelor de conducŃie a circuitelor serie-paralel şi


72

paralel-serie de diode în opoziŃie. O asemenea caracteristică se poate aproxima analitic folosind relaŃiile (3.31), iar aliura acesteia se indică grafic în figura 3.11.c.

Parametrii specifici: rezistenŃa Rv, se .calculează cu una din relaŃiile (3.32) sau din dependenŃa grafică (fig. 3.11.c) pentru o anumită valoare într-un punct M : ( )MV IUR ∆∆= ,

puterea disipată Pd se calculează cu una din relaŃiile (3.33), iar valoarea maximă a puterii disipate Pmax este limitată de temperatura maximă a corpului varistorului.

Fig. 3.19. a) Schema echivalentă a microcontactelor; b) Caracteristica I(U) a microcontactelor; c) Caracteristica I(U) globală

b.) Comportarea varistoarelor în circuite de curent alternativ Se urmăreşte stabilirea particularităŃiilor pe care le prezintă circuitele cu varistoare

alimentate cu tensiune sinusoidală comparativ cu cele alimentate cu tensiune continuă.

La aplicarea unei tensiuni sinusoidale la bornele unui varistor u U tef= 2 sinω , datorită dependenŃei neliniare tensiune-curent (3.29 ), curentul prin varistor nu va mai fi sinusoidal. Dacă se notează cu Ief valoarea efectivă a curentului sinusoidal (pentru a-l deosebi de curentul continuu), definită prin relaŃia:

IT

dtef

T

= ∫1 2

0

i , , (3.37)

prin înlocuirea expresiei curentului prin varistor din relaŃia (3.29), rezultă:

I KUT

t dtef ef

T

= ∫22

2

2

2

0

α

ω α(sin ) (3.38)

O tensiune continuă U, având valoarea U=Uef determină prin circuitul varistorului un curent I::


73

α= efKUI (3.39)

Dacă se notează cu r raportul valoarea efectivă a curentului sinusoidal şi cea a curentului

continuu r = Ief / I şi prin înlocuirea relaŃiilor (3.38), (3.39), se obŃine :

rT

t dt

T

= ∫22

2

2

2

0

α

ω α(sin ) (3.40)

Rezultă că, la aplicarea unei tensiuni sinusoidale la bornele varistorului, curentul care îl parcurge este nesinusoidal. La varistoarele cu caracteristici tensiune-curent simetrice, curentul nesinusoidal se poate descompune (în serii Fourier) într-o sumă de armonici impare.

Puterea disipată pe varistor la tensiune alternativă sinusoidală Pac se obŃine prin integrarea pe o perioadă a puterii instantanee pac=u·i şi Ńinând seama de simetrie rezultă:

dtpT

dtpT

P

T

ac

T

acac ∫∫ ==2

00

21 ( 3.41 )

Pornind de la relaŃia (3.41) prin introducerea valorii instantanee a tensiunii se obŃine :

∫ +α+α

ω⋅

=

+α22

1

0

1

1 22T)(

dt)t(sinT

KUP ef

ac (3.42)

Raportul q dintre puterea în curent alternativ Pac şi puterea disipată în curent cotinuu Pcc

3.5

1.5

2

2.5

3

1

4 5 6

q = Pac/Pc

4

3

2

α=1/β

4 5 6

1 α=1/β

r = Ief/I

Fig. 3.12 DependenŃa I

Ir ef= şi

cc

ac

P

Pq = în funcŃie de coeficientul de asimetrie α

β=

1


74

(q=Pac /Pcc) la tensiunea U=Uef are valoarea :

dt)t(sinTP

Pq

T)(

cc

ac ∫ +αω⋅==+α

223

0

12 (3.43)

DependenŃa raportului curenŃilor r şi cel al raportului puterilor q pentru U=Uef , în funcŃie de

valoarea coeficientului de nesimetrie α se prezentată grafic în figura 3.12. Se observă (fig. 3.12. b) că puterea în curent alternativ Pac disipată la aceeaşi tensiune U=Uef

este mai mare decât puterea disipată în curent continuu Pcc, raportul acestora crescând odată cu coeficientul de nesimetrie α. Din dependenŃa )(fq α= se poate determina valoarea maximă a puterii disipate în curent alternativ Pmax în funcŃie de puterea disipată în curent continuu Pcc şi de raportul q:

q

PP cc=max (3.44)a

La utilizările varistorului în circuitele de joasă frecvenŃă efectul elementelor parazite este redus. La frecvenŃe mai mari decât frecvenŃa reŃelei (f > 50Hz) trebuie să se Ńină seama şi de elementele parazite, care în cazul unui varistor (VDR) sunt: C, Rp, Rs, Ls din schema echivalentă (fig.3.13.a). Pentru frecvenŃe f > 1kHz are efect îndeosebi capacitatea parazită C, care reduce impendanŃa echivalentă a varistorului. Datorită acestui efect, curentul prin varistor creşte odată cu frecvenŃa tensiunii aplicate (fig.3.13.b).

3.2.3. Utilizările varistoarelor Cele mai importante utilizări ale varistoarelor sunt:

- în domeniul televiziunii pentru limitarea şi stabilizarea amplitudinii impulsurilor, precum şi a amplitudinii oscilaŃiilor ; - la protecŃia contactelor releelor ; - la limitarea supratensiunilor la deconectarea sarcinilor inductive ;

Fig. 3.13. a.) Schema echivalentă a varistorului; b.) InfluenŃa frecvenŃei asupra caracteristicii U=f(I) a unui varistor

a) b)


75

- la reducerea supratensiunilor de comutaŃie la motoarele de curent continuu de mică putere ; - la stabilizarea curentului sau tensiunii în circuite electrice. Stabilizarea tensiunii U2 la variaŃii ale tensiunii de intrare U1 se poate obŃine folosind circuitul din figura 3.14.

Modificarea tensiunii U1 cu ∆U1 ( ex. - ∆U1 ) determină deplasarea punctului de funcŃionare din P1 în P2, rezultând o modificare cu ∆U2 ( ∆U2 <∆U1) mai redusă decât variaŃia tensiunii de intrare (fig. 3.14.b).

Se poate observa că efectul de stabilizare al tensiunii U2, la variaŃia tensiunii de intrare U1 şi la modificarea rezistenŃei de sarcină RS, este cu atât mai bună cu cât neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune a varistorului este mai pronunŃată. Aceasta corespunde la un coeficient de neliniaritate α=1/β de valoare ridicată. ( α ≅ 5 pentru SiC şi α ≅ 25 la ZnO ).

În mod asemănător se obŃine stabilizarea tensiunii U2, la variaŃia rezistenŃei de sarcină RS ( fig. 3.15). Punctul de funcŃionare, dat de intersecŃia caracteristicii U( I ) cu dreapta U=RS·I, (la creşterea rezistenŃei RS) se deplasează din P1 în P2. (fig. 3.15.b), determinând la bornele .rezistenŃei RS o variaŃie cu ∆U2 a tensiunii. Această variaŃie de tensiune, în circuitul cu varistor este mult mai redusă, decât într-un circuit cu rezistenŃă liniară.

Fig. 3.17 Stabilizarea tensiunii la modificarea rezistenŃei de sarcină RS ProtecŃia contactelor (la relee, comutatoare etc.) la comutarea sarcinilor inductive se

realizează limitând tensiunea autoindusă prin conectarea varistorului în paralel cu: - contactul de comutare K (fig. 3.16.a); - bobina L (sarcină inductivă ) (fig. 3.16.b).

a) b)

Fig. 3.14 Stabilizarea tensiunii la variaŃii ale tensiunii de intrare

a) b)


76

În cazul motoarelor de curent continuu de mică putere, varistoarele se conectează în paralel cu fiecare din bobinele rotorice (fig. 3.16.c), limitând tensiunile autoinduse care apar la comutare pe contactele dintre colector şi perii.

Fig.3.16 Utilizări ale varistoarelor la limitarea supratensiunilor a) pe contactul releului; b) pe bobină; c) la motoare de curent continuu

3.3. Fotorezistoare

Fotorezistoarele sunt rezistoare a căror rezistenŃă depinde de valoarea fluxului luminos incident. DependenŃa rezistenŃei fotorezistoarelor are la baza efectul fotoelectric intern în materiale semiconductoare care constă în:

- generarea purtătorilor de sarcină de neechilibru la absorbŃia radiaŃiei luminoase; - difuzia purtătorilor de sarcină de la suprafaŃa iluminată spre interiorul materialului

datorită gradientului concentraŃiei purtătorilor de sarcină pe direcŃia câmpului electric aplicat din exterior;

- recombinarea purtătorilor de sarcină. 3.3.1 ConstrucŃia fotorezistorului. FuncŃionare

Fotorezistoarele se realizează dintr-un strat de material semiconductor prevăzut cu contacte

ohmice simetrice pentru conectarea lor într-un circuit electric. Fotorezistoarele sensibile la radiaŃia luminoasă din regiunea vizibilă a spectrului se

realizează, de regulă, din combinaŃii de două materiale semiconductoare din grupele II şi IV ( AIIBIV ), dintre care cele mai răspândite sunt CdS şi CdSe. ConducŃia electrică la aceste materiale depinde de caracteristica impurităŃilor introduse, fenomenul de fotoconducŃie prezentând caracter intrinsec sau extrinsec.

Fotorezistoarele din CdS sau CdSe se realizează atât din monocristale, cât şi sub formă de straturi subŃiri obŃinute prin presare si sinterizare. Aceste structuri policristaline se obŃin la temperaturi ridicate din prelucrarea pulberilor de sulfură de cadmiu CdS sau selenură de cadmiu CdSe. Prin modificarea parametrului de compozitie x între 0 şi 1, se obŃin fotorezistoare cu sensibilitate maximă pentru diferite lungimi de undă din spectru vizibil. Astfel, pentru obŃinerea de fotorezistori cu sensibilitate maximă la o anumită lungime de undă a radiaŃiei luminoase se utilizează compusul ternar CdS1-xSex unde (0,1)xε . Pentru x=0 se obŃin fotorezistori din CdS cu

a) b) c)


77

sensibilitate maximă în domeniul radiaŃiei cu m0,55= µλ , iar când x=1 rezultă semiconductori

din CdSe cu sensibilitate maximă pentru m0,713= µλ .

În domeniul infraroşu al spectrului m5-1= µλ se utilizează compuşi semiconductori din grupa AIVBIV (PbS, PbSe, PbTe) sau compuşi ternari cu elemente din grupele IV si VI (de exemplu PbSxSe1-x). Se utilizează de asemenea, compuşi din grupa AIIIBIV (InSb,InAs). Fotorezistorii din InSb sau InAs se realizează sub forma de plăcuŃe subŃiri, tăiate din monocristale. Contactele electrice (electrozi metalici) se depun la suprafata stratului fotoelectric prin evaporare termică in vid.

Electrozii metalici ai fotorezistoarelor se realizează din Au, Ag, Pt sau alt metal anticoroziv, care se depune în strat subŃire prin evaporare termică în vid sau prin aliere, urmărindu-se obŃinerea unui contact electric cât mai intim cu stratul fotosensibil.

SuprafaŃa stratului fotoelectric cuprinsă între electrozii metalici reprezintă suprafaŃa activă a fotorezistorului şi poate avea valori între 0,2…200 mm2. Stratul de material fotosensibil cuprins intre electrozi, cu o anumită formă şi dimensiuni poartă numele de element fotosensibil (fig.3.17.a). Pentru protecŃia elementului fotosensibil acesta se acoperă cu un strat dielectric transparent în domeniul radiaŃiei la care este sensibil fotorezistorul. Există construcŃii la care unul dintre electrozi se depune sub stratul fotosensibil, iar celălalt electrod se depune sub forma de strat metalic subŃire pe suprafaŃa stratului fotosensibil. Pentru această construcŃie, câmpul electric din fotorezistor este orientat pe direcŃia radiaŃiei incidente.

DependenŃa dintre rezistenŃa elementului fotosensibil şi intensitatea luminoasă L incidentă se poate stabili, considerând proporŃionalitatea numărului de electroni eliberaŃi în unitatea de timp N cu intensitatea luminoasa L, respectiv fluxul luminos ΦL= Lld şi suprafaŃa elementului fotosensibil (fig.3.17.a):

φηη L=Lld=N (3.45)

unde: η este o constantă care depinde de lungimea de undă;

ld suprafaŃa plachetei (s-a considerat forma dreptunghiulară). La aplicarea unei tensiuni U între contactele plachetei (elementului fotosensibil) apare un

câmp electric E, care determină deplasarea electronilor cu viteza v:

d

UEv ⋅=⋅= µµ (3.46)

LldLld

a) b)

Fig. 3.17. a.) Element fotosensibil; b.) Fotorezistor cu electrozi interdigitali


78

unde, µ este mobilitatea purtătorilor de sarcină; d -distanŃa dintre electrozi. La electrodul cu potenŃial pozitiv vor ajunge numai o parte a electronilor eliberaŃi, respectiv numai cei care se găsesc la distanŃa τv de electrod, τ fiind durata de viaŃa a electronilor liberi.

FracŃia de electroni care contribuie la curentul I prin fotorezistor este d

vτ, iar prin înlocuire

rezultă:

φ⋅τ⋅µ⋅⋅η

⋅⋅τ⋅µ⋅⋅ητ

⋅ L2U

d

e=UL

d

le=

d

veN=I (3.47)

Prin înlocuirea relaŃiei (3.47) se obŃine rezistenŃa fotorezistorului RΦ:

Lle

d=

I

U=R 1-

µτηφ (3.48)

Durata de viaŃa τ a electronilor depinde de lungimea de undă λ a radiaŃiei şi de iluminare:

L)(= -0

βλττ (3.49)

unde, β este o constantă. RelaŃia dintre rezistenŃa fotorezistorului şi iluminare se poate aproxima cu relaŃia:

LA=R -αφ (3.50)

unde, le

d=A

0τµη, iar α=1-β.

Din relaŃia (3.50), care stabileşte dependenŃa rezistenŃei fotorezistorului de iluminare,

rezultă o bună sensibilitate a fotorezistorului, atunci când parametrul A are o valoare scăzută. Aceasta se poate obŃine prin alegerea de materiale cu valori mari ale parametrilor η, µ, τ0 şi prin

construcŃie cu un raport d

l cât mai mic. Practic, raportul

d

l de valoare scăzută se realizează

printr-o construcŃie cu electrozi interdigitali (fig.3.17.b) sau prin folosirea unui electrod metalic semitransparent.

3.3.2. Caracteristici electrice. Parametrii

DependenŃa analitică a rezistenŃei electrice RΦ[Ω] a unui fotorezistor de iluminare L[lx]

incidentă se poate exprima cu relaŃia (3.49). Valoarea parametrului A, cât şi cea a exponentului α, depinde de materialul semiconductor şi de procedeul de fabricaŃie. De exemplu: la CdS parametrul α=0,7-0,9.

a) Caracteristica rezistenŃă-iluminare a fotorezistoarlor indică dependenŃa rezistenŃei electrice a fotorezistorului de iluminare R(L) pentru o anumită lungime de undă a radiaŃiei luminoase (fig. 3.18.a).


79

Pentru această caracteristică se pot stabili următorii parametrii: • RezistenŃa de întuneric RD reprezintă rezistenŃa electrică a fotorezistorului măsurată

după 30 minute în întuneric total. În general, această valoare este de ordinul MΩ (RD>10 MΩ [20]).

• RezistenŃa la iluminare RI corespunde rezistenŃei unui fotorezistor la o iluminare specificată (ex. 1000 lx). Valoare rezistenŃei este de ordinul sutelor de ohmi (RI=75…300 Ω [20]).

• Constanta de timp τ se poate aprecia în funcŃie de viteza de variaŃie a rezistenŃei fotorezistorului în unitatea de timp [Ω/s]. La fotorezistoarele uzuale, rata de restabilire, care indică creşterea rezistenŃei la oprirea iluminării, este mai mare de 200 kΩ/s.

b) Caracteristica tensiune-curent (caracteristica voltampermetrică U=f(I)) este liniară

pentru anumite intervale ale tensiunii aplicate. Din relaŃia (3.47) rezultă o caracteristică I(U) liniară (considerând că mărimile η, µ, τ nu depind de tensiune sau curent) a cărei pantă creşte odată cu creşterea fluxului luminos ΦL (fig. 3.16 b). Fotorezistoarele se conectează în circuite electrice de curent continuu sau variabil în serie cu o rezistenŃă Rs . InformaŃia asupra fluxului luminos (iluminare L) este fie curentul I din circuit, fie căderea de tensiune Us de la bornele fotorezistorului.

La utilizarea fotorezistoarelor în asemenea circuite, trebuie să se Ńină seama de parametrii electrici corespunzători funcŃionării în acest regim, respectiv de: tensiunea admisibilă (valoarea maximă a tensiunii care poate fi aplicată între terminale) şi de puterea de disipaŃie nominală P[W]. Pentru fotorezistoarele Philips [20] tensiunea admisibilă este de 160V (valoare de vârf), iar valoarea puterii ce o poate disipa (la 400C) într-o anumită gamă de temperaturi ale mediului pentru fotorezistoare miniatură este conform figurii 3.18.b (Tmax<600C).

Constanta de timp τ , în acest context, reprezintă timpul după care curentul prin fotorezistor scade de “e” ori (e=2,7182). Din punct de vedere al constantei de timp fotorezistoarele prezintă inerŃie mai mare, comparativ cu alte dispozitive fotoelectrice.

În practică, nu întotdeauna caracteristicile I(U) sunt liniare, absenŃa liniarităŃii observându-

se în special la fotorezistoarele cu structură policristalină.

a) b)

Fig. 3.18 a) Caracteristica rezistenŃă-iluminare a unui fotorezistor PbS b) DependenŃa puterii disipate de temperatură


80

c) Caracteristicile spectrale reprezintă dependenŃa caracteristicilor electrice ale fotorezistoarelor de caracteristicile spectrale ale radiaŃiei incidente (lungimea de undă λ sau frecvenŃa radiaŃiei). Sensibilitatea spectrală Sλ se calculează prin diferenŃa dintre curentul I prin

fotorezistor şi curentul de întuneric Id , raportată la fluxul luminos monocromatic ΦL incident:

λλ

λ Φ

∆=

Φ

−=

IIIS d (3.51)

Sensibilitatea depinde de lungimea de undă λ a radiaŃiei. Aceste caracteristici prezintă un

maxim al sensibilitaŃii Sλ la anumite lungimi de undă ale radiaŃiei, în funcŃie de proprietăŃile fizice ale materialului semiconductor din care este realizat stratul fotosensibil.

La fotorezistoare din Se, CdSe, CdS, BiS, BiSe sensibilitatea maximă este cuprinsă între

3000-11000A. În figura 3.19 se indică caracteristica spectrală a sensibilitaŃii relative a unui fotorezistor din sulfură de cadmiu (CdS).

Fig. 3.19 Caracteristica spectrală a unui fotorezistor CdS

Modificarea răspunsului spectral 100I-I=[%]S

d

φ λ

λ se obŃine prin impurificarea controlată

a combinaŃiilor binare sau prin combinaŃii din mai multe materiale semiconductoare. Printre materialele cele mai utilizate sunt: • seleniu cristalin cu caracteristică spectrală ce cuprinde domeniul vizibil până în

domeniul infraroşu: λ=4000…7000 A0 – vizibil, λ>7600 A0 – infraroşu, dar are sensibilitate relativ mică, comparativ cu alte materiale;

• sulfura de plumb (PbS) cu caracteristică spectrală care cuprinde domeniul infraroşu; maximul sensibilităŃii spectrale depinde de temperatura de funcŃionare, iar rezistenŃa de întuneric Rd se situiază în domeniu 104…107 Ω;

• sulfura de cadmiu (CdS) cu caracteristică spectrală ce cuprinde domeniul vizibil, fiind cea mai utilizată unei datorită sensibilităŃii spectrale ridicate şi a unei caracteristicii rezistenŃă – iluminare liniare;

• selenura de cadmiu (CdSe) are sensibilitate maximă la λ=7200 A0 şi inerŃie mică.


81

Parametrii elementelor fotoelectrice pot fi influentaŃi de compoziŃia şi în special de umiditatea atmosferică.

3.4. Magnetorezistoarele

Magnetorezistoarele fac parte din categoria rezistoarelor dependente, valoarea rezistenŃei

acestora fiind influenŃată de câmpul magnetic din vecinătatea acestora.

3.4.1. ConstrucŃia magnetorezistoarelor. FuncŃionare

FuncŃionarea se bazează pe efectul Gauss, care constă în modificarea traiectoriei purtătorilor de sarcină dintr-un material semiconductor în prezenŃa unui câmp magnetic. Procesul de conducŃie al curentului într-un cristal semiconductor în absenŃa unui câmp magnetic are loc pe traseul cel mai scurt dintre punctele de contact (fig. 3.20.a). În prezenŃa unui câmp magnetic se produce modificarea traiectoriei curentului în funcŃie de inducŃia câmpului magnetic aplicat, aşa cum se indică în figura 3.20.b. Prin deviaŃia purtătorilor de sarcină de la traiectoria normală se modifică şi valoarea rezistenŃei electrice a materialului. Unghiul pe care îl formează direcŃia curentului, după aplicarea câmpului magnetic, poartă numele de unghi Hall. Acest unghi, care depinde de valoarea inducŃiei magnetice aplicate, poate atinge la o inducŃie de 1T o valoare de aproximativ 800 [29]. Pentru obŃinerea unei modificări cât mai pronunŃate a rezistenŃei electrice se practică o lungire artificială a traseului în materialul semiconductor. Pentru aceasta se introduce în de-a lungul materialului semiconductor benzi conductoare dispuse transversal.

Fig. 3.20 ConducŃia electrică printr-o plachetă din material semiconductor a) şi b)

plachetă normală pentru 0=B şi 0≠B , c) şi d) plachetă cu benzi conductoare pentru 0=B şi

0≠B

Creşterea lungimii echivalente a traseului purtătorilor de sarcină din cristalul semiconductor, care rezultă la aplicarea câmpului magnetic, determină o creştere a rezistenŃei electrice a acestuia. În scopul creşterii acestui efect pe cristalul semiconductor (InSb) se prevăd, perpendicular pe direcŃia curentului, benzi conductoare din NiSb (fig. 3.20 c, d). În acest caz, datorită rezistenŃei electrice mult mai reduse a acestor benzi, traseul curentului are loc de-a lungul lor, iar între ele pe trasee a căror direcŃie este dată de unghiul Hall.

i i

a)

b)

i i

i i

i i

0=B

0≠B

c)

d)


82

Pentru realizarea magnetorezistoarelor se utilizează materialele semiconductoare formate din unele combinaŃii ale elementelor grupei a III şi IV care prezintă mai accentuat acest efect, cum ar fi InSb. Rezistivitatea materialului semiconductor se situează în jurul următoarelor valori:

m⋅Ω⋅= −5105ρ pentru materiale slab dopate, m⋅Ω⋅= −5102ρ pentru materiale mediu dopate şi

m⋅Ω⋅= −5101ρ pentru materiale puternic dopate. Pentru obŃinerea unei bune sensibilităŃi, respectiv o variaŃie relativă a rezistenŃei cât mai mare, este necesar ca lungimea traseului parcurs de curent să fie cât mai mare, iar secŃiunea cât mai mică posibil. Din considerente de coeficient de temperatură lăŃimea peliculei semiconductoare nu pot fi reduse la mai puŃin de 80 µm [29].

3.4.2. Caracteristici electrice. Parametrii a) Caracteristica rezistenŃă – inducŃie magnetică

Calitativ efectul de modificare a rezistenŃei unui magnetorezistor în funcŃie de valoarea

inducŃiei magnetice B şi de direcŃia acesteia faŃă de suprafaŃa plachetei semiconductoare este prezentat în figura 3.22 a. Deoarece efectul de modificare al rezistenŃei magnetorezistorului este maxim pentru componenta normală a inducŃiei, pentru altă înclinare se obŃine un efect de creştere proporŃional cu αcos⋅B (fig. 3.22 b).

RezistenŃa nominală R0 a magnetorezistorului este dată de caracteristicile materialului

semiconductor al plachetei în absenŃa unui câmp magnetic. ToleranŃa rezistenŃei nominale este dată de: omogenitatea materialului semiconductor de bază, precizia de reproducere a geometriei

Fig. 3.22 DependenŃa tipică a rezistenŃei unui magnetorezistor de: a) valoarea inducŃiei; b) de direcŃia inducŃiei magnetice

-900 -60 -30 00 30 60 900

R0

ϕ

R0

Fig. 3.21 Mod de construcŃie al unui magnetorezistor


83

plachetei semiconductoare şi a benzilor conductoare dispuse pe aceasta. Dimensiunile uzuale ale plachetei sunt: lăŃime 80 µm şi grosime 30 µm. În tehnologia de execuŃie actuală se asigură în mod normal toleranŃe de ±20%. La materialul InSb cu benzi conductoare de NiSb, se deosebesc trei valori distincte al conductivităŃii în funcŃie de gradul de dopare: D - dopare slabă cu 1)(200 −⋅Ω= cmσ , L – dopare

medie cu 1)(550 −⋅Ω= cmσ , N – dopare mare cu 1)(800 −⋅Ω= cmσ . În figura 3.23 se indică dependenŃa de inducŃie a rezistenŃei relative RB/R0 (la 250 C) pentru trei materiale semiconductoare: D – slab dopat, L – mediu dopat, N – puternic dopat.

Se observă că până la valori ale inducŃiei de 0,2 – 0,3 T caracteristicile prezintă o dependenŃă pătratică, iar la valori mai mari ale inducŃiei acestea devin liniare.

Principalii parametrii ai unor magnetorezistoare produse de firma Siemens sunt indicaŃi în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2 .Caracteristici ale unor magnetorezistoare

Tip

R0

[Ω] RB/ R0

la 0,3T la 1T

FP30D250E 250 3 15 FP17L200E 200 1,85 8,5 FP30L100E 100 1,85 8,5 FP30N60E 60 1,6 6

Plachetele de material semiconductor se obŃin prin tehnologii specifice domeniului:

debitare, şlefuire, după care se lipesc pe un suport izolant. În cele mai multe cazuri pe suportul izolant se depune o peliculă din material feromagnetic pentru creşterea sensibilităŃii. Se foloseşte un material cu permeabilitate magnetică şi inducŃie de saturaŃie de valori ridicate aşa cum este

0 0,4 0,8 1,2 1,6 B

20 15 10 5

Fig. 3.23 VariaŃia tipică a rezistenŃei relative pentru 3 materiale semiconductoare:

D – slab dopat, L – mediu dopat, N – puternic dopat

D L N


84

permalloyul (aliaj 20%Fe, 80%Ni, respectiv Fe19Ni79). Astfel, permalloyul tip Permenorm 5000 H2 se caracterizează printr-o inducŃie de saturaŃie de 1,5T.

Pentru reducerea efectului perturbator al temperaturii asupra modificării rezistenŃei, magnetorezistoarele se realizează, în varianta integrată, câte două (diferenŃial) sau patru conectate într-o punte Wheatstone (fig. 3.24), cu sau fără circuitul electronic de prelucrare. Fiecare magnetorezistor RM este astfel poziŃionat (pe cip) pentru obŃinerea unei maxime sensibilităŃi şi influenta minimă a temperaturii. In prezenta câmpului magnetic extern modificarea valorii rezistentelor punŃii produce, prin dezechilibrul acesteia , o tensiune de ieşire Uout(B) proporŃionala cu intensitatea câmpului magnetic aplicat (fig. 3.24).

Senzorii magnetorezistivi se folosesc pentru măsurări de mărimi magnetice inducŃie magnetică, câmp magnetic, magnetizaŃie. De asemenea, se utilizează şi pentru măsurări de mărimi neelectrice prin convertirea acestora într-o rezistenŃă electrică sau într-un număr de impulsuri cu valoare proporŃională cu mărimea de măsurat. Se realizează traductoare cu senzori magnetorezistivi pentru măsurarea presiunilor, a deplasărilor liniare unghiulare şi a turaŃiei. Senzorii magnetorezistivi folosiŃi pentru obŃinerea de impulsuri electrice, cum ar fi cei folosiŃi la măsurarea turaŃiei, conŃin în structura internă şi un magnet permanent (fig. 3.28). În acest fel inducŃia magnetică din zona structurii semiconductoare se modifică şi la apropierea de acesta a unui material feromagnetic. În figura 3.27 se prezintă o secŃiune printr-un traductor (Siemens) cu senzor magnetorezistiv. S-au făcut următoarele notaŃii:

1 – pol magnetic pe care se fixează “cipul” - placheta semiconductoare (2) cu senzorii magnetorezistivi conectaŃi ca în punte (fig. 3.26);

3 – material feromagnetic pentru intensificarea câmpului magnetic în zona “cipului”; 4 – magnetul permanent; 5 – terminale; 6 – carcasă.

+UB =5V

RM3 RM3

RM2 RM1

Uout(B)

Fig. 3.24 Magnetorezistoare conectateate în punte (senzor magnetorezistiv integrat)


85

Senzorii magnetorezistivi se pot folosi pentru măsurarea fără contact a deplasărilor unghiulare, eliminând dezavantajul potenŃiometrelor rezistive clasice. Pentru funcŃionarea corecta a acestora este necesar ca valoarea câmpului magnetic extern sa fie mult mai mare decât câmpul intern produs de către un magnet permanent.

Fig. 3.28 Principiul de funcŃionare al unui traductor de turaŃie cu senzor magnetorezistiv

Documents

3. REZISTOARE DEPENDENTEvega.unitbv.ro/~nicolaeg/ELA-IM -MIAIA -EPI/Componente pasive de...Rezistoarele rezistoare neliniare sau dependente se caracterizează printr-o dependenŃă