Данный урок посвящен нелинейным сопротивлениям (резисторам).
Нелинейные сопротивления — это резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения или протекающего тока. На значение основного параметра таких резисторов влияют внешние (управляющие) факторы, такие как температура, напряженность магнитного поля, освещенность и другие.
Свое название нелинейные резисторы получают в зависимости от управляющего фактора. В данной статье рассматривается несколько типов резисторов с нелинейным сопротивлением.
Лампы накаливания в качестве нелинейного сопротивления
Нить накаливания лампы накаливания обычно выполняется из вольфрама. Металлы с ростом температуры увеличивают свое сопротивление, и при увеличении напряжения на лампе рост тока уже не пропорционален напряжению, а замедляется. Тем не менее, сохраняется монотонность зависимости, в качестве примера ниже вольт-амперная характеристика (ВАХ) автомобильной лампы накаливания 12 В 21 Вт.
В уроке 12 мы рассматривали схемы генераторов частоты с фазовращателем или мостом Вина. Эти схемы чувствительны к коэффициенту усиления усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи (ПОС) - при недостаточном усилении не возникает генерация, при избыточном искажается форма выходного напряжения вследствие работы транзисторов в режиме насыщения. Охват усилителя цепью отрицательной обратной связи (ООС) посредством нелинейного сопротивления лампы накаливания позволяет стабилизировать работу схемы. Пример ниже.
Известная вам по уроку 14 схема генератора частоты с мостом Вина (резисторы R3, R4, конденсаторы С3, С4). Стабилизация величины и формы выходного напряжения достигается включением в цепь ООС миниатюрной лампочки накаливания ЛН. В прежде рассмотренной схеме на месте лампы применялся резистор с постоянным сопротивлением R1, и коэф. усиления усилителя сохранялся постоянным и равнялся (R2/R1+1).
При замене резистора R1 на лампу ЛН с меняющимся сопротивлением Rл, при повышении амплитуды выходного сигнала нить лампы нагревается до большей температуры, вследствие чего ее сопротивление возрастает и коэффициент усиления усилителя (R2/Rл+1) уменьшается, что способствует сохранению амплитуды практически на прежнем уровне.
В случае уменьшения амплитуды генерируемых колебаний коэффициент усиления увеличивается. Таким образом, лампа накаливания действует здесь как автоматический регулятор амплитуды, удерживая режим автоколебаний вблизи порога самовозбуждения. В результате получаем на выходе генератора гармонический сигнал с постоянством амплитуды и малыми искажениями.
Терморезисторы
Терморезисторы (термисторы) - это п/п объемные резисторы с нелинейной ВАХ и резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от температуры. Их тип NTC (англ. Negative Temperature Coefficient - отрицательный температурный коэффициент), что означает, что с ростом температуры сопротивление термисторов падает. Ниже внешний вид некоторых терморезисторов.
Ниже в качестве примера зависимость сопротивления термистора от температуры.
Но эта зависимость справедлива при постоянстве поддержания температуры термистора внешними факторами. При подаче на термистор напряжения он начинает разогреваться, и зависимость тока от напряжения (ВАХ) определяется уже температурой саморазогревающегося термистора. Ниже на рисунке пример ВАХ термистора.
На ВАХ термистора можно выделить 3 основных участка: ОА, АВ и ВС.
- На начальном участке ОА характеристика линейна, так как при малых токах через него мощность, выделяющаяся в термисторе мала, температура терморезистора практически не изменяется, неизменно и его сопротивление.
- На участке АВ линейность характеристики нарушается, так как с ростом тока терморезистор саморазогревается, его сопротивление уменьшается, и напряжение на нем начинает отставать от тока.
- При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопротивления оказывается столь сильным, что напряжение на термисторе уменьшается (если ток поддерживать неизменным), при этом на ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок ВС и далее при увеличении тока).
Как следует из ВАХ термистора, она уже не монотонна, как у лампы накаливания, на ней есть участок отрицательного сопротивления, когда увеличение тока вызывает уменьшение напряжения, а не ожидающееся увеличение.
Терморезисторы используются для измерения температуры в качестве термодатчиков (в этом случае температура термистора определяется внешними факторами) и компенсации ухода параметров электрических цепей, возникших вследствие изменения температуры. Ниже схема регулирования оборотов кулера охлаждения блока питания.
При низкой температуре сопротивление терморезистора R1 высокое, транзистор VT1 заперт, напряжение на кулере M определяется разностью напряжения источника 12 В и рабочим напряжением стабилитрона VD1 (6,2-6,8 В), т.е. порядка 5 в, и кулер работает на малых оборотах.
При достижении температурой в блоке питания некоторого порогового значения, понизившееся сопротивление термистора открывает транзистор, и напряжение на кулере определяется уже не стабилитроном, а сопротивлением открывшегося транзистора, и регулируется в пределах от 5 до 11-11,5 В (с учетом напряжения насыщения транзистора), что приводит к охлаждению блокапитания.
Другие области применения термисторов:
- Промышленность. Контроль и регулирование температуры в различных процессах. Термисторы встраиваются в нагревательные системы, кондиционеры, системы охлаждения, печи и пр.
- Электроника. Защита от перегрева и управление тепловыми процессами.
- Медицина. Измерение и контроль температуры в медицинских приборах и системах. Термисторы встраиваются в термометры, инфракрасные измерительные устройства, системы поддержания постоянной температуры в инкубаторах и пр.
- Климатический контроль. Измерение и регулирование температуры в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
- Автомобильная промышленность. Контроль температуры двигателей, батарей, систем охлаждения и других узлов автомобиля.
Позисторы
У терморезисторов особого вида (называемых позисторами), с ростом температуры сопротивление не уменьшается, а растет. Их тип PTC (англ. Positive Temperature Coefficient - положительный температурный коэффициент). Внешний вид некоторых типов позисторов на рисунке ниже.
Ниже на рисунке пример зависимости сопротивления позистора от температуры. Эта характеристика снимается при напряжении, когда еще не проявляется варисторный эффект (будет описан ниже, при описаниях варисторов).
Как видно, на начальном участке характеристики позистор ведет себя как термистор - его сопротивление падает, и лишь начиная с некоторой температуры начинает расти. Ниже представлена ВАХ позистора.
По мере роста приложенного к позистору напряжения он начинает нагреваться, а следовательно, начинает расти и его сопротивление. Как только процесс достигнет определенного порога, ток начинает падать, на ВАХ наблюдается экстремум (максимум) тока.
Позисторы применяются в качестве датчиков систем регулирования температуры (противопожарная сигнализация, для тепловой защиты, ограничения и стабилизации тока в электрических схемах, термостатирования кварцевого стабилизатора, при этом они играют роль регуляторов температуры или нагревательных элементов). Совместно с терморезисторами позисторы используются для температурной стабилизации режимов транзисторов, для чего их включают в эмиттерные цепи транзисторов.
Варисторы
Варистор - нелинейный резистор объемного типа; защитный элемент, сопротивление которого резко падает при превышении определенного порога напряжения. Его действие основано на варисторном эффекте - изменении сопротивления монокристаллических и поликристаллических полупроводниковых и керамических резисторов под действием электрического поля. Эффект наблюдается при достаточно высоких напряжениях. Ниже на рисунке внешний вид некоторых видов варисторов.
ВАХ варистора - это нелинейная характеристика, симметричная для напряжений различной полярности, оттого варисторы могут применяться в цепях постоянного и переменного тока. Особенностью ВАХ является наличие участка малых токов (до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора, и участка больших токов, определяющего защитные свойства варистора и напряжение ограничения.
При приложении к варистору небольшого напряжения, ток через варистор не протекает, но если постепенно повышать напряжение, при некотором напряжении (пороговом) Uпор ток через варистор начинает проходить. Именно эту особенность варистора и используют для защиты от импульсных перенапряжений.
Ниже пример ВАХ варистора.
Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы - на рабочее напряжение до 20 кВ.
В частности, варисторы встраивают в сетевые удлинители, схема удлинителя на 4 розетки и его внешний вид на рисунке ниже.
Варистор в сетевом удлинителе работает для защиты нагрузки от импульсного (кратковременного) перенапряжения, вызванного помехами или грозовыми разрядами. При прохождении импульса высокого напряжения варистор спасает от перенапряжения подключенную через удлинитель аппаратуру, а если энергия скачка напряжения большая, чем может рассеять варистор, он выходит из строя. Максимальная рассеиваемая энергия варистора зависит от его габаритов (диаметра и толщины).
Поскольку данный удлинитель снабжен автоматическим термобиметаллическим многоразовым предохранителем Sc на 10 А, отключающим нагрузку при превышении тока, варистор вызывает срабатывание предохранителя.
Защита компьютерных блоков питания
Компьютерные блоки питания (БП) нуждаются в защите 2 видов - от первоначального броска тока, когда конденсаторы фильтра выпрямителя еще не зарядились и выпрямитель потребляет большой ток от сети, и от импульсных помех, проникающих из сети.
Ниже в качестве примера применения термисторов и варисторов приведен фрагмент схемы достаточно типичного блока питания компьютера форм-фактора (стандарта, задающий габаритные размеры технического изделия) ATX (титульный рисунок статьи).
FU1 - плавкий предохранитель (5 А на схеме), назначение которого при превышении блоком питания потребляемого тока перегореть, обесточив схему.
Диоды выпрямительного моста VD1 от броска тока при первоначальном заряде конденсаторов фильтра С4/С5 защищены терморезистором R2. Терморезистор R2 с отрицательным температурным коэффициентом ограничивает амплитуду броска тока зарядки конденсаторов С4, С5 в момент включения блока. Затем в результате саморазогрева его сопротивление падает, и он практически не влияет на работу выпрямителя.
Варистор R3 с классификационным напряжением больше максимальной амплитуды сетевого напряжения защищает от выбросов напряжения. Сопротивление варистора очень велико и достигает десятков мегом. Но при достижении напряжения между выводами варистора определенного значения (как правило, около 470 вольт) сопротивление скачкообразно падает до незначительных величин (единицы ом), тем самым пропуская высоковольтные всплески через себя, и защищая БП от их негативного воздействия.
Конденсаторы С1/СЗ и двухобмоточный синфазный дроссель L1 образуют фильтр, защищающий компьютер от проникновения помех из сети, а сеть - от помех, создаваемых компьютером. Дроссель с симметричными обмотками беспрепятственно пропускает противофазное напряжение (отрицательную и положительную полуволны напряжения сети). Но синфазная помеха, равным образом влияющая на оба питающих проводника, будет подавлена.