E-shop ElektroLab.eu

Čo sú nelineárne odpory

Čo sú nelineárne odpory
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  551 zobrazení
4
 0
Rádioamatérov almanach

Pri nelineárnych rezistoroch neexistuje lineárny vzťah medzi napätím a prúdom pretekajúcim cez komponent. V praxi sa môžete stretnúť s VDR, NTC, PTC, LDR a MDR ako s typickými predstaviteľmi týchto typov komponentov.

Predslov

Lineárne odpory

Bežné pevné rezistory, ako napríklad známe rezistory s uhlíkovým alebo kovovým filmom, sú lineárne prvky. To znamená, že existuje lineárny vzťah medzi napätím, ktoré aplikujete na rezistor, a prúdom, ktorý cez neho prechádza. Tento lineárny vzťah je zakreslený do grafu na obrázku nižšie. Krivka, ktorá udáva vzťah medzi napätím a prúdom, je priamka. Ak sa napätie na rezistore zdvojnásobí z 10 V na 20 V, zdvojnásobí sa aj prúd. Koniec koncov, vzťah medzi prúdom a napätím je daný Ohmovym zákonom: U = I x R

Lineárny vzťah medzi prúdom a napätím s obyčajným odporom.

Nelineárne odpory

Bolo vyvinutých niekoľko typov rezistorov, kde vzťah medzi prúdom a napätím nie je lineárny. Táto nelinearita je spôsobená skutočnosťou, že odpor nemá konštantnú hodnotu, ale závisí od určitých vonkajších faktorov. Tri hlavné typy sú:

  • VDR - Rezistor závislý od napätia, kde odpor klesá so zvyšujúcim sa napätím v časti. Výsledkom je, že prúd rastie viac ako lineárne so zvyšujúcim sa napätím v celom komponente.
  • NTC - Odpor s negatívnym teplotným koeficientom, kde odpor klesá so zvyšovaním teploty komponentu. Pretože teplota rezistora závisí aj od rozptýleného výkonu, to znamená od prúdu a napätia, priamym dôsledkom je, že vzťah medzi I a U nie je lineárny.
  • PTC - Odpor s pozitívnym teplotným koeficientom, kde sa odpor zvyšuje pri zahrievaní komponentu. Z rovnakého dôvodu ako pri NTC spôsobuje tento jav nelineárny vzťah medzi napätím a prúdom.

Nelineárne charakteristiky

Typické nelineárne charakteristiky týchto troch komponentov sú zhrnuté na obrázku nižšie. Zvláštne charakteristiky NTC a PTC sú výsledkom množstva nelinearít, ktoré sa hromadia. Pretože prúd a napätie nie sú lineárne spojené, neexistuje ani lineárny vzťah medzi týmito veličinami a výkonom rozptýleným v rezistore. Okrem toho vzťah medzi rozptýleným výkonom a teplotou komponentu tiež nie je lineárny. Kruh je uzavretý, pretože vzťah medzi teplotou a odporom tiež nie je lineárny.

Nelineárne charakteristiky VDR, NTC a PTC.

LDR a MDR

Okrem spomenutých troch nelineárnych rezistorov existujú ešte dva ďalšie typy, ktoré môžete tiež klasifikovať s nelineárnymi rezistormi. V skutočnosti to nie je správne, pretože ak sa odpor týchto komponentov udržiava konštantný, správajú sa ako normálny odpor, teda s lineárnym vzťahom medzi napätím a prúdom.

  • LDR - Odpor závislý od svetla, má odpor, ktorý klesá, keď je komponent osvetlený.
  • MDR - Magnetický závislý rezistor má odpor, ktorý závisí od magnetického toku dopadajúceho na komponent.

Rezistory LDR

Čo sú zač?
LDR sú rezistory, ktorých hodnota klesá s dopadom väčšieho množstva svetla na rezistor. LDR vám umožňujú navrhnúť svetelné závory alebo súmrakové spínače veľmi jednoduchým spôsobom.

Výroba
Fotocitlivé odpory môžu byť vyrobené z rôznych materiálov. Vo väčšine prípadov sa používa spekaný selenid kademnatý alebo sulfid kademnatý, ktorý je preferovaný, pretože má svoju maximálnu citlivosť na vlnovú dĺžku, pri ktorej má ľudské oko tiež svoju maximálnu citlivosť. Okrem toho sa však používajú aj určité polovodiče, ako je germánium, kremík, arzenid gália a indium antimón.

Citlivosť na svetlo
Fotocitlivosť sa dá vysvetliť skutočnosťou, že v spomenutých materiáloch je pomerne veľa pohyblivých nosičov nábojov, dier a elektrónov. Mobilita sa môže zvýšiť, ak nosiče náboja absorbujú energiu z elektromagnetického žiarenia dopadajúceho na materiál. Na vytvorenie „dvojice“, kombinácie diera / elektrón, je však potrebné minimum energie. Táto minimálna energia závisí od materiálu. Energia, ktorú môže elektromagnetické žiarenie vydávať, závisí okrem iného od vlnovej dĺžky. Táto energia je vyjadrená v elektrónvoltoch eV. Preto nie sú LDR rovnako citlivé na všetky typy svetla.

Fyzická prevádzka
Obrázok nižšie ukazuje, čo sa stane v LDR, keď je komponent pripojený k zdroju napätia U. Ak LDR nie je osvetlená (vľavo), reťazou bude stále pretekať veľmi malý prúd. Odpor neexponovaného LDR je preto veľmi vysoký. Tento prúd je výsledkom spontánneho posunu nosičov náboja, čiastočne v dôsledku tepelného miešania v materiáli.
Ak odhalíte LDR (vpravo), výrazne sa zvýši počet voľných nosičov v materiáli. Otvory migrujú do zápornej svorky zdroja napätia a prijímajú elektrón. Elektróny idú na kladnú svorku zdroja napätia, aby sa spojili s kladným iónom. V dôsledku tejto činnosti obvodom preteká väčší prúd, čo je najlepším dôkazom toho, že sa odpor LDR znížil.

Princíp fungovania LDR rezistora.

Spektrálna citlivosť LDR
Ako už bolo uvedené, citlivosť LDR závisí okrem iného od materiálu, z ktorého je komponent vyrobený, a od vlnovej dĺžky svetla. Na nasledujúcom obrázku je znázornená krivka citlivosti germánia-LDR. Maximum je v prípade svetelného žiarenia s vlnovou dĺžkou 1,8 µm.

Spektrálna citlivosť LDR na báze germánia.

Maximálna spektrálna citlivosť a minimálna energia môžu byť odvodené pre rôzne základné materiály z nižšie uvedeného prehľadu.

Germánium

  • Minimálne napätie: 0.7 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 1.8 µm

Kremík

  • Minimálne napätie: 1.1 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 1.0 µm

InSb

  • Minimálne napätie: 0.23 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 6.0 µm

GaAs

  • Minimálne napätie: 1.35 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 0.85 µm

CdS

  • Minimálne napätie: 1.20 eV
  • Maximálna spektrálna citlivosť: 0.55 µm

Odpor ako funkcia osvetlenia
Odpor LDR je daný výrazom: R = A x E
v ktorom:

  • R je odpor v ohmoch.
  • E je intenzita osvetlenia v luxoch.
  • A a α sú konštanty materiálu.

LDR v dennej laboratórnej praxi
Pri navrhovaní obvodov sa pravdepodobne budete zaoberať iba LDR sulfidu kademnatého (CdS). Obrázok nižšie zobrazuje tri verzie týchto komponentov.

Praktické verzie LDR na báze sulfidu kademnatého.

Špecifikácie LDR na báze sulfidu kademnatého

Stručný prehľad priemerných špecifikácií týchto komponentov:

  • Odpor za tmy: približne 100 MΩ
  • Odpor pri 1 000 luxoch: 300 Ω až 75 Ω
  • Doba zotavenia: 200 kΩ / s
  • Maximálne napätie: 150 V.
  • Parazitická kapacita: 6 pF

Rezistory MDR

Čo sú zač?
MDR sú rezistory, ktorých hodnota závisí od magnetického poľa prechádzajúceho cez rezistor. Čím väčšie je magnetické pole, tým vyšší je ich odpor. MDR sa dajú použiť napríklad pri navrhovaní tachometrov, kde permanentný magnet na rotujúcom hriadeli poskytuje zmenu odporu.

Princíp
Fungovanie týchto komponentov je založené na Gaussovom efekte. Ak privediete vodič prenášajúci prúd kolmo na magnetické pole, toto pole sa pokúsi dosiahnuť, aby sa nosiče náboja odchýlili od svojej dráhy vodičom. To spôsobí posun v prúdovej ceste vodičom, zmenšenie vodivého prierezu a zvýšenie odporu. Tento fyzikálny efekt sa samozrejme neobjaví rovnako u všetkých materiálov. Čisté kovy nie sú veľmi ovplyvnené. Bolo však možné vyvinúť zlúčeniny, ktoré sú maximálne ovplyvnené Gaussovým efektom. Veľmi užitočnou surovinou je InSb / NiSb, antimonid indný / antimonid nikelnatý, polovodičový materiál.

Technológia MDR
Väčšina výrobcov využíva uvedený materiál pri výrobe svojich MDR, ktoré sa nanášajú vo forme meandra na keramický podklad. Tento základný tvar je nakreslený na obrázku nižšie.

Konštrukcia MDR od spoločnosti Siemens.

Linearizácia prevádzky
Niektorí výrobcovia predávajú polia, ktoré obsahujú štyri identické MDR na jednom substráte a sú spojené ako Wheatstoneov most. Tým sa dosiahne nielen vyššia citlivosť, ale tiež sa zníži citlivosť celku na vplyvy teploty okolia a charakteristika je lineárnejšia.

MDR v dennej laboratórnej praxi
V praxi sa najčastejšie budete stretávať s MDR od spoločnosti Siemens. Na obrázku nižšie sú nakreslené dve praktické verzie. Tieto komponenty majú veľkosť iba niekoľko milimetrov, a preto sú ideálne na inštaláciu vo všetkých druhoch aplikácií. Ľavý MDR má typové číslo FP17-D500E a základný odpor 500 Ω. Maximálna zmena odporu je faktor 15, maximálne prípustné napätie v celej časti je 100 V.