Зависимость электрического сопротивления терморезистора от температуры

Обозначение на схеме, разновидности, применение

В электронике всегда приходится что-то измерять или оценивать. Например, температуру. С этой задачей успешно справляются терморезисторы – электронные компоненты на основе полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры.

Здесь я не буду расписывать теорию физических процессов, которые происходят в терморезисторах, а перейду ближе к практике – познакомлю читателя с обозначением терморезистора на схеме, его внешним видом, некоторыми разновидностями и их особенностями.

На принципиальных схемах терморезистор обозначается вот так.

В зависимости от сферы применения и типа терморезистора обозначение его на схеме может быть с небольшими отличиями. Но вы всегда его определите по характерной надписи t или t° .

Основная характеристика терморезистора – это его ТКС. ТКС – это температурный коэффициент сопротивления. Он показывает, на какую величину изменяется сопротивление терморезистора при изменении температуры на 1°С (1 градус Цельсия) или 1 градус по Кельвину.

У терморезисторов несколько важных параметров. Приводить я их не буду, это отдельный рассказ.

На фото показан терморезистор ММТ-4В (4,7 кОм). Если подключить его к мультиметру и нагреть, например, термофеном или жалом паяльника, то можно убедиться в том, что с ростом температуры его сопротивление падает.

Терморезисторы есть практически везде. Порой удивляешься тому, что раньше их не замечал, не обращал внимания. Давайте взглянем на плату от зарядного устройства ИКАР-506 и попробуем найти их.

Вот первый терморезистор. Так как он в корпусе SMD и имеет малые размеры, то запаян на небольшую плату и установлен на алюминиевый радиатор – контролирует температуру ключевых транзисторов.

Второй. Это так называемый NTC-термистор (JNR10S080L). О таких я ещё расскажу. Служит он для ограничения пускового тока. Забавно. Вроде терморезистор, а служит в качестве защитного элемента.

Почему то если заходит речь о терморезисторах, то обычно думают, что они служат для измерения и контроля температуры. Оказывается, они нашли применение и как устройства защиты.

Также терморезисторы устанавливаются в автомобильные усилители. Вот терморезистор в усилителе Supra SBD-A4240. Здесь он задействован в цепи защиты усилителя от перегрева.

Вот ещё пример. Это литий-ионный аккумулятор DCB-145 от шуруповёрта DeWalt. Вернее, его "потроха". Для контроля температуры аккумуляторных ячеек применён измерительный терморезистор.

Его почти не видно. Он залит силиконовым герметиком. Когда аккумулятор собран, то этот терморезистор плотно прилегает к одной из Li-ion ячеек аккумулятора.

Прямой и косвенный нагрев.

По способу нагрева терморезисторы делят на две группы:

Прямой нагрев. Это когда терморезистор нагревается внешним окружающим воздухом или током, который протекает непосредственно через сам терморезистор. Терморезисторы с прямым нагревом, как правило, используются либо для измерения температуры, либо температурной компенсации. Такие терморезисторы можно встретить в термометрах, термостатах, зарядных устройствах (например, для Li-ion батарей шуруповёртов).

Косвенный нагрев. Это когда терморезистор нагревается рядом расположенным нагревательным элементом. При этом он сам и нагревательный элемент электрически не связаны друг с другом. В таком случае, сопротивление терморезистора определяется функцией тока, протекающего через нагревательный элемент, а не через терморезистор. Терморезисторы с косвенным нагревом являются комбинированными приборами.

NTC-термисторы и позисторы.

По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа:

PTC-термисторы (они же позисторы).

Давайте разберёмся, какая между ними разница.

NTC-термисторы.

Своё название NTC-термисторы получили от сокращения NTC – Negative Temperature Coefficient, или "Отрицательный Коэффициент Сопротивления". Особенность данных термисторов в том, что при нагреве их сопротивление уменьшается. Кстати, вот так обозначается NTC-термистор на схеме.

Обозначение термистора на схеме

Как видим, стрелки на обозначении разнонаправлены, что указывает на основное свойство NTC-термистора: температура увеличивается (стрелка вверх), сопротивление падает (стрелка вниз). И наоборот.

На практике встретить NTC-термистор можно в любом импульсном блоке питания. Например, такой термистор можно обнаружить в блоке питания компьютера. Мы уже видели NTC-термистор на плате ИКАР’а, только там он был серо-зелёного цвета.

На этом фото NTC-термистор фирмы EPCOS. Применяется для ограничения пускового тока.

Для NTC-термисторов, как правило, указывается его сопротивление при 25°С (для данного термистора это 8 Ом) и максимальный рабочий ток. Обычно это несколько ампер.

Данный NTC-термистор устанавливается последовательно, на входе сетевого напряжения 220V. Взгляните на схему.

Так как он включен последовательно с нагрузкой, то весь потребляемый ток протекает через него. NTC-термистор ограничивает пусковой ток, который возникает из-за заряда электролитических конденсаторов (на схеме С1). Бросок зарядного тока может привести к пробою диодов в выпрямителе (диодный мост на VD1 – VD4).

При каждом включении блока питания конденсатор начинает заряжаться, а через NTC-термистор начинает протекать ток. Сопротивление NTC-термистора при этом велико, так как он ещё не успел нагреться. Протекая через NTC-термистор, ток разогревает его. После этого сопротивление термистора уменьшается, и он практически не препятствует протеканию тока, потребляемого прибором. Таким образом, за счёт NTC-термистора удаётся обеспечить "плавный запуск" электроприбора и уберечь от пробоя диоды выпрямителя.

Понятно, что пока импульсный блок питания включен, NTC-термистор находится в "подогретом" состоянии.

Если в схеме происходит выход из строя каких-либо элементов, то, обычно резко возрастает и потребляемый ток. При этом нередки случаи, когда NTC-термистор служит своего рода дополнительным предохранителем и также выходят из строя из-за превышения максимального рабочего тока.

Далее на фото наглядный пример – сгоревший NTC-термистор 5D-11, который был установлен в зарядном устройстве ИКАР-506. Он ограничивал пусковой ток при включении.

Выход из строя ключевых транзисторов в блоке питания зарядного устройства привел к превышению максимального рабочего тока этого термистора (max 4A) и он сгорел.

Позисторы. PTC-термисторы.

Термисторы, сопротивление которых при нагреве растёт, называют позисторами. Они же PTC-термисторы (PTC – Positive Temperature Coefficient, "Положительный Коэффициент Сопротивления").

Стоит отметить, что позисторы получили менее широкое распространение, чем NTC-термисторы.

Условное обозначение позистора на схеме.

Позисторы легко обнаружить на плате любого цветного CRT-телевизора (с кинескопом). Там он установлен в цепи размагничивания. В природе встречаются как двухвыводные позисторы, так и трёхвыводные.

На фото представитель двухвыводного позистора, который применяется в цепи размагничивания кинескопа.

Внутри корпуса между выводами-пружинами установлено рабочее тело позистора. По сути это и есть сам позистор. Внешне выглядит как таблетка с напылением контактного слоя по бокам.

Как я уже говорил, позисторы используются для размагничивания кинескопа, а точнее его маски. Из-за магнитного поля Земли или влияния внешних магнитов маска намагничивается, и цветное изображение на экране кинескопа искажается, появляются пятна.

Наверное, каждый помнит характерный звук "бдзынь", когда включается телевизор – это и есть тот момент, когда работает петля размагничивания.

Кроме двухвыводных позисторов широко применяются трёхвыводные позисторы. Вот такие.

Далее на фото трёхвыводный позистор СТ-15-3.

Отличие их от двухвыводных заключается в том, что они состоят из двух позисторов-"таблеток", которые установлены в одном корпусе. На вид эти "таблетки" абсолютно одинаковые. Но это не так. Кроме того, что одна таблетка чуть меньше другой, так ещё и сопротивление их в холодном состоянии (при комнатной температуре) разное. У одной таблетки сопротивление около 1,3

3,6 кОм, а у другой всего лишь 18

Трёхвыводные позисторы также применяются в цепи размагничивания кинескопа, как и двухвыводные, но только схема их включения немного иная. Если вдруг позистор выходит из строя, а такое бывает довольно часто, то на экране телевизора появляются пятна с неестественным отображением цвета.

Более детально о применении позисторов в цепи размагничивания кинескопов я уже рассказывал здесь.

Так же, как и NTC-термисторы, позисторы используются в качестве устройств защиты. Одна из разновидностей позистора – это самовосстанавливающийся предохранитель.

SMD-терморезисторы.

С активным внедрением SMT-монтажа, производители стали выпускать миниатюрные терморезисторы, адаптированные и под него. Размеры их корпуса, как правило, соответствуют стандартным типоразмерам (0402, 0603, 0805, 1206), которые имеют чип резисторы и конденсаторы. Маркировка на них не наносится, что затрудняет их идентификацию. По внешнему виду SMD-терморезисторы очень похожи на керамические SMD-конденсаторы.

Встроенные терморезисторы.

В электронике активно применяются и встроенные терморезисторы. Если у вас паяльная станция с контролем температуры жала, то в нагревательный элемент встроен тонкоплёночный терморезистор. Также терморезисторы встраиваются и в фен термовоздушных паяльных станций, но там он является отдельным элементом.

Стоит отметить, что в электронике наряду с терморезисторами активно применяются термопредохранители и термореле (например, типа KSD), которые также легко обнаружить в электронных приборах.

Теперь, когда мы познакомились с терморезисторами, пора узнать об их параметрах.

ТЕРМИСТОРЫ

Термисторы – это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), целиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Зависимость сопротивления термистора от температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

где Т₀ – абсолютная температура, при которой сопротивление резистора равно R₀, Т – абсолютная температура, при которой определяется сопротивление R_Т, В ‑ постоянный коэффициент (принимает значения в диапазоне 2000 – 7000 К), е – основание натурального логарифма. Величина ТКС (размерность ‑ %/К) для большинства термисторов лежит в диапазоне 2,4 – 8,4.

Постоянной времени термистора принято считать время, в течение которого его сопротивление уменьшится в е раз при резком изменении температуры окружающей среды от +20 С до + 120 С, она колеблется в пределах 30‑100 с. Обозначения термисторов – КМТ, ММТ, СТ1, СТ3, номинальные сопротивления при 20 С – от 1 Ом до 1000 кОм.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода.

Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

,

где T – температура в К; R – сопротивление в Ом; a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОмный термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С близкие к следующим значениям:

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °С сличение проводится в точках с интервалом 20 °С.

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:

– напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;

– структурные изменения в полупроводнике;

– внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;

– нарушение адгезии металлической пленки;

– миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.

Сравнительная таблица трех основных типов контактных температурных датчиков

Дата добавления: 2016-04-19 ; просмотров: 1153 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры называются терморезисторы. Они имеют свойство значительного температурного коэффициента сопротивления, величина которого больше, чем у металлов во много раз. Они широко применяются в электротехнике.

На электрических схемах терморезисторы обозначаются:

Устройство и работа

Они имеют простую конструкцию, выпускаются разных размеров и формы.

В полупроводниках есть свободные носители заряда двух видов: электроны и дырки. При неизменной температуре эти носители произвольно образуются и исчезают. Среднее количество свободных носителей находится в динамическом равновесии, то есть неизменно.

При изменении температуры равновесие нарушается. Если температура повышается, то число носителей заряда также увеличивается, а при снижении температуры концентрация носителей уменьшается. На удельное сопротивление полупроводника оказывает влияние температура.

Если температура подходит к абсолютному нулю, то полупроводник имеет свойство диэлектрика. При сильном нагревании он идеально проводит ток. Основной особенностью терморезистора является то, что его сопротивление наиболее заметно зависит от температуры в обычном интервале температур (-50 +100 градусов).

Популярные терморезисторы производятся в виде стержня из полупроводника, который покрыт эмалью. К нему подведены электроды и колпачки для контакта. Такие резисторы применяются в сухих местах.

Некоторые терморезисторы располагают в металлическом герметичном корпусе. Поэтому они могут использоваться во влажных местах с агрессивной внешней средой.

Герметичность корпуса создается при помощи олова и стекла. Стержни из полупроводника обернуты металлизированной фольгой. Для подключения тока применяется проволока из никеля. Величина номинального сопротивления составляет 1-200 кОм, температура работы -100 +129 градусов.

Принцип действия терморезистора основан на свойстве изменения сопротивления от температуры. Для изготовления используются чистые металлы: медь и платина.

Основные параметры

• ТКС – термический коэффициент сопротивления , равен изменению сопротивления участка цепи при изменении температуры на 1 градус. Если ТКС положительный, то терморезисторы называют позисторами (РТС-термисторы) . А если ТКС отрицательный, то термисторами (NТС-термисторы) . У позисторов при повышении температуры повышается и сопротивление, а у термисторов все происходит наоборот.
• Номинальное сопротивление – это величина сопротивления при 0 градусах.
• Диапазон работы . Резисторы делят на низкотемпературные (менее 170К), среднетемпературные (от 170 до 510 К), высокотемпературные (более 570К).
• Мощность рассеяния . Это величина мощности, в пределах которой терморезистор во время работы обеспечивает сохранение заданных параметров по техническим условиям.

Виды и особенности терморезисторов

Все датчики температуры на производстве работают по принципу преобразования температуры в сигнал электрического тока, который можно передавать с большой скоростью на дальние расстояния. Любые величины можно преобразовать в электрические сигналы, переведя их в цифровой код. Они передаются с высокой точностью, и обрабатываются вычислительной техникой.

Металлические терморезисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к терморезисторам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен иметь высокий ТКС, а сопротивление должно зависеть от температуры по линейному графику в большом интервале температур.

Также проводник из металла должен обладать инертностью к агрессивным действиям внешней среды и качественно воспроизводить характеристики, что дает возможность менять датчики без особых настроек и измерительных приборов.

Для таких требований хорошо подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Терморезисторы на их основе называют платиновыми и медными. ТСП (платиновые) термосопротивления работают при температурах -260 — 1100 градусов. Если температура в пределах от 0 до 650 градусов, то такие датчики применяют в качестве образцов и эталонов, так как в этом интервале нестабильность составляет не более 0,001 градусов.

Из недостатков платиновых терморезисторов можно назвать нелинейность преобразования и высокую стоимость. Поэтому точные замеры параметров возможны только в рабочем диапазоне.

Практически широко применяются недорогие медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление и неустойчивость к повышенным температурам, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное использование, не более 180 градусов.

Для монтажа платиновых и медных датчиков применяют 2-проводную линию при расстоянии до прибора до 200 метров. Если удаление больше, то применяют трехжильный кабель, в котором третий проводник служит для компенсирования сопротивления проводов.

Из недостатков платиновых и медных терморезисторов можно отметить их малую скорость работы. Их тепловая инерция достигает нескольких минут. Существуют терморезисторы с малой инерционностью, время срабатывания которых не выше нескольких десятых секунды. Это достигается небольшими размерами датчиков. Такие термосопротивления производят из микропровода в стеклянной оболочке. Эти датчики имеют небольшую инерцию, герметичны и обладают высокой стабильностью. При небольших размерах они обладают сопротивлением в несколько кОм.

Полупроводниковые

Такие сопротивления имеют название термисторов. Если их сравнить с платиновыми и медными образцами, то они обладают повышенной чувствительностью и ТКС отрицательного значения. Это значит, что при возрастании температуры сопротивление резистора снижается. У термисторов ТКС намного больше, чем у платиновых и медных датчиков. При небольших размерах их сопротивление доходит до 1 мегома, что не позволяет оказывать влияние на измерение сопротивлению проводников.

Для осуществления замеров температуры большую популярность приобрели терморезисторы на полупроводниках КМТ, состоящих из оксидов кобальта и марганца, а также термосопротивления ММТ на основе оксидов меди и марганца. Зависимость сопротивления от температуры на графике имеет хорошую линейность в интервале температур -100 +200 градусов. Надежность терморезисторов на полупроводниках довольно высока, свойства имеют достаточную стабильность в течение длительного времени.

Основным их недостатком является такой факт, что при массовом изготовлении таких терморезисторов не получается обеспечить необходимую точность их характеристик. Поэтому один отдельно взятый резистор будет отличаться от другого образца, подобно транзисторам, которые из одной партии могут иметь различные коэффициенты усиления, трудно найти два одинаковых образца. Этот отрицательный момент создает необходимость дополнительной настройки аппаратуры при замене терморезистора.

Для подключения термисторов обычно применяют мостовую схему, в которой мост уравновешивается потенциометром. Во время изменения сопротивления резистора от действия температуры мост можно привести в равновесие путем регулировки потенциометра.

Такой метод ручной настройки используется в учебных лабораториях для демонстрации работы. Регулятор потенциометра оснащен шкалой, которая имеет градуировку в градусах. На практике в сложных схемах измерения эта регулировка происходит в автоматическом режиме.

Применение терморезисторов

В работе термодатчиков существует два режима действия. При первом режиме температура датчика определяется лишь температурой внешней среды. Протекающий по резистору ток маленький и не способен его нагреть.

При 2-м режиме термистор нагревается протекающим током, а его температура определяется условиями отдачи тепла, например, скоростью обдува, плотностью газа и т.д.

На схемах термисторы (NТС) и резисторы (РТС) имеют соответственно отрицательный и положительный коэффициенты сопротивления, и обозначаются следующим образом: