И относятся к категории приборов на основе полупроводников. Данные устройства получили широкое применение в электротехнике. Они изготавливаются из специальных полупроводниковых материалов с высоким отрицательным температурным коэффициентом. Во многих приборах используется термистор принцип работы которого основан на зависимости электрического сопротивления от температуры. Качество любого прибора, прежде всего, зависит от физических свойств полупроводника, а также от форм и размеров самого терморезистор а.
Термисторы: устройство и принцип работы
Термистор представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Эти устройства изготавливаются в виде полупроводниковых стержней и покрываются защитным слоем эмалевой краски.
Соединение с другими деталями осуществляется с помощью контактных колпачков и выводов, для которых подходит только сухая среда. Для размещения некоторых моделей термисторов используется металлический герметичный корпус. В этом случае они становятся устойчивыми к любым агрессивным воздействиям и могут эксплуатироваться даже при высокой влажности в помещении.
Для того чтобы конструкция устройства была герметичной, применяется стекло и олово. Рабочие качества термисторов улучшаются, когда для оборачивания стержней применяется металлическая фольга. Токоотводы изготавливаются из никелевой проволоки. Номинальные значения сопротивления в различных устройствах находятся в пределах 1-200 кОм, а диапазон температур составляет от -100 до +1290С.
Работа термисторов основана на свойствах отдельных видов проводников, изменять показатели сопротивления под действием различных температур. Основными проводниками, используемыми в этих приборах, является медь и платина в чистом виде. Следует отметить, что значение отрицательного температурного коэффициента термисторов значительно превышает такие же параметры, свойственные обычным металлам.
Применение термисторов
Терморезистор ы применяемые в качестве датчиков, могут работать в двух режимах. В первом случае температурный режим зависит лишь от температуры окружающей среды. Значение тока, проходящего через термистор, очень мало и нагревания устройства практически не происходит. Второй режим предполагает нагревание термистора электрическим током, проходящим внутри него. В данном случае значение температуры будет зависеть от различных изменяющихся условий тепловой отдачи. Это может быть плотность газовой среды, окружающей прибор, интенсивность обдува и другие факторы.
Каждый термистор, принцип работы которого основан на снижении сопротивления при повышении температуры, используется в определенных сферах электротехники. Они применяются для измерения и компенсации температуры, в крупных бытовых электроприборах - холодильниках и морозильных камерах, посудомоечных машинах и другой технике. Эти устройства нашли широкое применение в автомобильной электронике. С их помощью измеряется температура охлаждающей жидкости или масла, а также температурные показатели других элементов автомобиля.
В кондиционере термисторы устанавливаются в тепловом распределителе. Кроме того, они используются в качестве датчика слежения за температурой в комнате. С помощью термисторов осуществляется блокировка дверей нагревательных приборов, они устанавливаются в нагреватели теплых полов и в газовые котлы. Терморезисторы применяются, когда нужно определить уровень нестандартных жидкостей, например, жидкого азота. В целом, они получили самое широкое распространение в промышленной электронике.
Развитие электроники с каждым годом набирает обороты. Но, несмотря на новые изобретения, в электрических схемах надёжно работают устройства, сконструированные ещё в начале XX века. Один из таких приборов - термистор. Форма и назначение этого элемента настолько разнообразны, что быстро отыскать его в схеме удаётся только опытным работникам сферы электротехники. Понять, что такое термистор, можно лишь владея знаниями о строении и свойствах проводников, диэлектриков и полупроводников.
Описание прибора
Датчики температуры широко используются в электротехнике. Почти во всех механизмах применяются аналоговые и цифровые микросхемы термометров, термопары, резистивные датчики и термисторы. Приставка в названии прибора говорит о том, что термистор - это такое устройство, которое зависит от влияния температуры. Количество тепла в окружающей среде - главенствующий показатель в его работе. Благодаря нагреванию или охлаждению, меняются параметры элемента, появляется сигнал, доступный для передачи на механизмы контроля или измерения.
Термистор - это прибор электроники, у которого значения температуры и сопротивления связаны обратной пропорциональностью.
Существуют и другое его название - терморезистор . Но это не вполне правильно, так как на самом деле термистор является одним из подвидов терморезистора . Изменение теплоты может влиять на сопротивление резистивного элемента двумя способами: либо увеличивая его, либо уменьшая.
Поэтому термосопротивления по температурному коэффициенту подразделяются на РТС (положительные) и NTC (отрицательные). РТС - резисторы получили название позисторов, а NTC - термисторов.
Отличие РТС и NTC приборов состоит в изменении их свойств при воздействии климатических условий. Сопротивление позисторов прямо пропорционально количеству тепла в окружающей среде. При нагреве NTC - приборов его значение уменьшается.
Таким образом, повышение температуры позистора приведёт к росту его сопротивления, а у термистора - к падению.
Вид терморезистора на электрических принципиальных схемах похож на обыкновенный резистор . Отличительной чертой является прямая под наклоном, которая перечёркивает элемент. Тем самым показывая, что сопротивление не постоянно, а может изменяться в зависимости от увеличения или уменьшения температуры в окружающей среде.
Основное вещество для создания позисторов - титанат бария. Технология изготовления NTC - приборов более сложная из-за смешивания различных веществ: полупроводников с примесями и стеклообразных оксидов переходных металлов.
Классификация термисторов
Габариты и конструкция терморезисторов различны и зависят от области их применения.
Форма термисторов может напоминать:
Самые маленькие терморезисторы в виде бусинок. Их размеры меньше 1 миллиметра, а характеристики элементов отличаются стабильностью. Недостатком является невозможность взаимной подмены в электрических схемах.
Классификация терморезисторов по числу градусов в Кельвинах:
- сверх высокотемпературные - от 900 до 1300;
- высокотемпературные - от 570 до 899;
- среднетемпературные - от 170 до 510;
- низкотемпературные - до 170.
Максимальный нагрев хоть и допустим для термоэлементов, но сказывается на их работе ухудшением качества и появлением значительной погрешности в показателях.
Технические характеристики и принцип действия
Выбор терморезистора для контролирующего или измерительного механизма проводят по номинальным паспортным или справочным данным. Принцип действия, основные характеристики и параметры термисторов и позисторов похожи. Но некоторые отличия все же существуют.
РТС - элементы оцениваются тремя определяющими показателями: температурной и статической вольт - амперной характеристикой, термическим коэффициентом сопротивления (ТКС).
У термистора список более широкий.
Помимо параметров, аналогичных позистору, показатели следующие:
- номинальное сопротивление;
- коэффициенты рассеяния, энергетической чувствительности и температуры;
- постоянная времени;
- температура и мощность по максимуму.
Из этих показателей основными, которые влияют на выбор и оценивание термистора, являются:
- номинальное сопротивление;
- термический коэффициент сопротивления;
- мощность рассеяния;
- интервал рабочей температуры.
Номинальное сопротивление определяется при конкретной температуре (чаще всего двадцать градусов Цельсия). Его значение у современных терморезисторов колеблется в пределах от нескольких десятков до сотен тысяч ом.
Допустима некоторая погрешность значения номинального сопротивления. Она может составлять не более 20% и должна быть указана в паспортных данных прибора.
ТКС зависит от теплоты. Он устанавливает величину изменения сопротивления при колебании температуры на одно деление. Индекс в его обозначении указывает на количество градусов Цельсия либо Кельвина в момент измерений.
Выделение теплоты на детали появляется из-за протекания по ней тока при включении в электрическую цепь. Мощность рассеяния - величина, при которой резистивный элемент разогревается от 20 градусов Цельсия до максимально допустимой температуры.
Интервал рабочей температуры показывает такое её значение, при котором прибор работает длительное время без погрешностей и повреждений.
Принцип действия термосопротивлений основан на изменении их сопротивления под влиянием теплоты.
Происходит это по нескольким причинам:
- из-за фазового превращения;
- ионы с непостоянной валентностью более энергично обмениваются электронами;
- сосредоточенность заряженных частиц в полупроводнике распределяется другим образом.
Термисторы используются в сложных устройствах, которые применяются в промышленности, сельском хозяйстве, схемах электроники автомобилей. А также встречаются в приборах, которые окружают человека в быту - стиральных, посудомоечных машинах, холодильниках и другом оборудовании с контролем температуры.
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 , 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:
Применение термисторов
- Измерение температуры.
- Бытовая техника: морозильники, фены, холодильники и т.д.
- Автомобильная электроника: измерение охлаждения антифриза, масла, контроль выхлопных газов, системы торможения, температура в салоне.
- Кондиционеры: распределение тепла, контроль температуры в помещении.
- Блокировка дверей в устройствах нагревания.
- Электронная промышленность: стабилизация температуры лазерных и диодов, а также медных обмоток катушек.
- В мобильных телефонах для компенсации нагрева.
- Ограничение тока запуска двигателей, ламп освещения, .
- Контроль наполнения жидкостей.
Применение позисторов
- Защита от в двигателях.
- Защита от оплавления при токовой перегрузке.
- Для задержки времени включения импульсных блоков питания.
- Мониторы компьютеров и кинескопы телевизоров для размагничивания и предотвращения нарушения цвета.
- В пускателях компрессоров холодильников.
- Тепловая блокировка трансформаторов и двигателей.
- Устройства памяти информации.
- В качестве нагревателей карбюраторов.
- В бытовых устройствах: закрывание дверки стиральной машины, в фенах и т.д.
Термодатчик относится к числу наиболее часто используемых устройств. Его основное предназначение заключается в том, чтобы воспринимать температуру и преобразовывать ее в сигнал. Существует много разных типов датчиков. Наиболее распространенными из них являются термопара и терморезистор.
Виды
Обнаружение и измерение температуры – очень важная деятельность, имеет множество применений: от простого домохозяйства до промышленного. Термодатчик – это устройство, которое собирает данные о температуре и отображает их в понятном для человека формате. Рынок температурного зондирования демонстрирует непрерывный рост из-за его потребности в исследованиях и разработках в полупроводниковой и химической промышленностях.
Термодатчики в основном бывают двух типов:
- Контактные. Это термопары, заполненные системные термометры, термодатчики и биметаллические термометры;
- Бесконтактные датчики. Это инфракрасные устройства, имеют широкие возможности в секторе обороны из-за их способности обнаруживать тепловую мощность излучения оптических и инфракрасных лучей, излучаемых жидкостями и газами.
Термопара (биметаллическое устройство) состоит из двух разных видов проводов (или даже скрученных) вместе. Принцип действия термопары основан на том, что скорости, с которыми расширяются два металла, между собой отличаются. Один металл расширяется больше, чем другой, и начинает изгибаться вокруг металла, который не расширяется.
Терморезистор – это своего рода резистор, сопротивление которого определяется его температурой. Последний обычно используют до 100 ° C, тогда как термопара предназначена для более высоких температур и не так точна. Схемы с использованием термопар обеспечивают милливольтные выходы, в то время как термисторные схемы – высокое выходное напряжение.
Важно! Основное достоинство терморезисторов заключается в том, что они дешевле термопар. Их можно купить буквально за гроши, и они просты в использовании.
Принцип действия
Терморезисторы обычно чувствительны и имеют разное термосопротивление. В ненагретом проводнике атомы, составляющие материал, имеют тенденцию располагаться в правильном порядке, образуя длинные ряды. При нагревании полупроводника увеличивается количество активных носителей заряда. Чем больше доступных носителей заряда, тем большей проводимостью обладает материал.
Кривая сопротивления и температуры всегда показывает нелинейную характеристику. Терморезистор лучше всего работает в температурном диапазоне от -90 до 130 градусов по Цельсию.
Важно! Принцип работы терморезистора основан на базовой корреляции между металлами и температурой. Они изготавливаются из полупроводниковых соединений, таких как сульфиды, оксиды, силикаты, никель, марганец, железо, медь и т. д., могут ощущать даже небольшое температурное изменение.
Электрон, подталкиваемый приложенным электрическим полем, может перемещаться на относительно большие расстояния до столкновения с атомом. Столкновение замедляет его перемещение, поэтому электрическое «сопротивление» будет снижаться. При более высокой температуре атомы больше смещаются, и когда конкретный атом несколько отклоняется от своего обычного «припаркованного» положения, он, скорее всего, столкнется с проходящим электроном. Это «замедление» проявляется в виде увеличения электрического сопротивления.
Для информации. Когда материал охлаждается, электроны оседают на самые низкие валентные оболочки, становятся невозбужденными и, соответственно, меньше двигаются. При этом сопротивление движению электронов от одного потенциала к другому падает. По мере увеличения температуры металла сопротивление металла потоку электронов увеличивается.
Особенности конструкций
По своей природе терморезисторы являются аналоговыми и делятся на два вида:
- металлические (позисторы),
- полупроводниковые (термисторы).
Позисторы
Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к этим устройствам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен обладать высоким ТКС.
Для таких требований подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Практически широко применяются медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное применение, не более 180 градусов.
Позисторы PTC предназначены для ограничения тока при нагревании от более высокой рассеиваемой мощности. Поэтому их размещают последовательно в цепь переменного тока, чтобы уменьшить ток. Они (буквально любой из них) становятся горячими от слишком большого тока. Эти приспособления используют в устройстве защиты цепи, таком как предохранитель, в качестве таймера в схеме размагничивания катушек ЭЛТ-мониторов.
Для информации. Что такое позистор? Прибор, электрическое сопротивление которого растет в зависимости от его температуры, называется позистором (PTC).
Термисторы
Устройство с отрицательным температурным коэффициентом (это когда, чем выше температура, тем ниже сопротивление) называется терморезистором NTC.
Для информации. Все полупроводники имеют меняющееся сопротивление по мере увеличения или уменьшения температуры. В этом проявляется их сверхчувствительность.
Термисторы NTC широко используются в качестве ограничителей пускового тока, самонастраивающихся сверхтоковых защит и саморегулируемых нагревательных элементов. Обычно эти приборы устанавливаются параллельно в цепь переменного тока.
Их можно встретить повсюду: в автомобилях, самолетах, кондиционерах, компьютерах, медицинском оборудовании, инкубаторах, фенах, электрических розетках, цифровых термостатах, переносных обогревателях, холодильниках, печах, плитах и других всевозможных приборах.
Термистор используется в мостовых цепях.
Технические характеристики
Терморезисторы используют в батареях зарядки. Их основными характеристиками являются:
- Высокая чувствительность, температурный коэффициент сопротивления в 10-100 раз больше, чем у металла;
- Широкий диапазон рабочих температур;
- Малый размер;
- Простота использования, значение сопротивления может быть выбрано между 0,1 ~ 100 кОм;
- Хорошая стабильность;
- Сильная перегрузка.
Качество прибора измеряется с точки зрения стандартных характеристик, таких как время отклика, точность, неприхотливость при изменениях других физических факторов окружающей среды. Срок службы и диапазон измерений – это еще несколько важных характеристик, которые необходимо учитывать при рассмотрении использования.
Область применения
Термисторы не очень дорогостоящие и могут быть легко доступны. Они обеспечивают быстрый ответ и надежны в использовании. Ниже приведены примеры применения устройств.
Термодатчик воздуха
Автомобильный термодатчик – это и есть терморезистор NTC, который сам по себе является очень точным при правильной калибровке. Прибор обычно расположен за решеткой или бампером автомобиля и должен быть очень точным, так как используется для определения точки отключения автоматических систем климат-контроля. Последние регулируются с шагом в 1 градус.
Автомобильный термодатчик
Терморезистор встраивается в обмотку двигателя. Обычно этот датчик подключается к реле температуры (контроллеру) для обеспечения «Автоматической температурной защиты». Когда температура двигателя превышает заданное значение, установленное в реле, двигатель автоматически выключается. Для менее критического применения он используется для срабатывания сигнализации о температурном превышении с индикацией.
Датчик пожара
Можно сделать свое собственное противопожарное устройство. Собрать схему из термистора или биметаллических полосок, позаимствованных из пускателя. Тем самым можно вызвать тревогу, основанную на действии самодельного термодатчика.
В электронике всегда приходится что-то измерять, например, температуру. С этой задачей лучше всего справляется терморезистор – электронный компонент на основе полупроводников. Прибор обнаруживает изменение физического количества и преобразуется в электрическое количество. Они являются своего рода мерой растущего сопротивления выходного сигнала. Существует две разновидности приборов: у позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов оно наоборот падает. Это противоположные по действию и одинаковые по принципу работы элементы.
Видео
Большинство рассмотренных выше температурных датчиков не особенно популярны среди радиолюбителей, занимающихся творчеством в домашних условиях или на работе. Причин этого несколько - это и большая себестоимость, существенные размеры и необходимость применять специальные (достаточно сложные) электронные узлы для обеспечения их работы. Электронные конструкции, которые в изобилии предлагают своим читателям журналы по радиоэлектронике, используют в качестве термодат- чиков, в основном, терморезисторы. О них и пойдет речь ниже.
Терморезистор - это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это рези- стивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС - (-6,5…+70)%/С. Тер- морезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывз ния или возрастания его темпера!уоы Однако сам м<*чанизм из менения сопро "^вмо’-‘ия с г емперасурой отличен п. подобно! о явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры], а особенности э»ого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.
Известно, что в 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х г одах двадцатого века у оксидов Ге 3 0 4 и UO ? ученые химики обнаружили высокий отрицательный температурный ‘коэффициент со противления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, СоО, соединениями NiO Со? 0 3 -Мп у О¦;. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению о-‘сида меди Мп л 0 4 в соединение Ni0-Mn ; -.0;;.
с отрицательным ГКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов за трудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, го электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда. Другие терморезисторы имеют положитепьный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников называют позисторагии.
Терморезсст^рм с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:
1. из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин о дзумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы St (кремния) как гь тэс и р-типе имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше причем ТКС нрп комнаг-юй температуре примерно равен 0,8% на 1 С,
2. Терморезисторн с большим ТКС -.до 70% на 1 е С), но в более ограниченном диапазоне темпеоятур Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120°С, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например, титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250°С. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большее изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например О…ЮО°С.
Устройство популярных терморезисторов
Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Она амбивалентна на температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор. Температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС во всем рабочем интервале температур определяется формулой
Примечание. Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е6 с допуском ±20% (ММТ-1, КМТ-1); ряду Е12 с допусками ±10, ±20% (СТЗ-1).
Максимальная мощность рассеяния: КМТ-1: 1000 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 600 мВт Температурный коэффициент сопротивления: КМТ-1: ~(4,2…8,4)%/°С ММТ-1: -(2,4…5,6)%/°С СТЗ-1: -(3,35…3,95)%/°С Коэффициент температурной чувствительности: КМТ-1: 3600…7200 К ММТ-1: 2060…4300 К СТЗ-1: 2870…3395 К Коэффициент рассеяния: 5 мВт/°С Коэффициент энергетической чувствительности: КМТ-1: 1 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 1,3 мВт Постоянная времени: не более 85 с Температура окружающей среды: КМТ-1: от -60 до +155°С ММТ-1, СТЗ-1: от -60 до +125°С Относительная влажность воздуха:
КМТ-1, ММТ-1: до 98% при температуре ±25°С СТЗ-1: до 98%> при температуре +35°С Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.) Минимальная наработка:
КМТ-1, ММТ-1: 15 000 часов СТЗ-1: 5 000 часов Срок сохраняемости:
КМТ-1, ММТ-1: 15 лет СТЗ-1: 12 лет
с отрицательным ТКС прямого подогрева бусинковые
ТР-4 - терморезисторы герметизированные изолированные - предназначены для использования в сигнализаторах уровня жидкости, измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным ТКС.
Масса: не более 0,3 г
Номинальное сопротивление: 1 -10 3 0м±20%.
Максимальная мощность рассеяния: 70 мВт
Коэффициент температурной чувствительности:
Температурный коэффициент сопротивления:
-(1,8…2,2)%/°С
Коэффициент температурной чувствительности: 0,15 мВт
Постоянная времени: не более 3 с
Предельные эксплуатационные данные:
Температура окружающей среды: от -60 до +200°С
Относительная влажность воздуха: до 98% при +35°С
Пониженное атмосферное давление:
до 0,00013 Па (Ю -6 мм рт. ст.)
Минимальная наработка: 20 000 часов
Срок сохраняемости: 15 лет.
Ограничение по частоте для применения данных терморезисторов в электронных устройствах составляет 1 кГц. В рабочем состоянии терморезисторы могут нагреваться до температуры 150…200°С. В схемах для ограничения пусковых токов (например, электродвигателей) этот прибор включают последовательно с нагрузкой, и нагревание выполняется за счет проходящего в цепи тока.
Кроме вышеперечисленных приборов популярны терморезисторы ТР-10, ТР-15. Пример полного условного обозначения в документации: терморезистор ТР-15-2200 Ом-1,2 Вт-ТУ11-97 АДПК.434.121.012ТУ. В этой аббревиатуре указаны тип, номинальное сопротивление, мощность рассеивания тепла при 25°С, технические условия завода-разработчика и производителя.
В табл. 1.1 приведены некоторые электрические параметры для терморезисторов ТР-15.
Таблица 1.1. Параметры терморезисторов ТР-15
|
Диапазон номинальных сопротивлений, 0м |
Максимальная мощность, Вт |
|
10…2200 |
|
|
10…2200 |
|
|
4,7…1000 |
|
|
4,7…1000 |
|
|
2,2…470 |
|
|
1,5…330 |
|
|
1,5…330 |
|
|
1,0…220 |
Промежуточные значения номинальных сопротивлений терморезисторов соответствуют ГОСТ 28884-90, то есть могут иметь значения 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 (числовые коэффициенты умножаются на числа 10, 100, 1000). Допустимое отклонение сопротивления ±20%.
При нагреве до максимальной температуры сопротивление терморезисторов уменьшается более чем в 100 раз. Для некоторых приборов (в качестве примера) в табл. 1.2. приведены значения сопротивлений в нагретом состоянии при максимальной мощности рассеивания. Рабочий температурный диапазон для терморезисторов серии TP находится в пределах -60…+155°С. Допустимая мощность рассеяния при температурах выше +25°С пропорционально снижается по линейному закону до 0,25Р тах при максимальной рабочей температуре.
Существуют импортные аналоги, например, терморезисторы фирмы NTC (Negative Temperature Coefficient). Эти приборы выпускаются в различных корпусах, среди которых часть имеет
Таблица 1.2 Изменение со>ч–01ивления терморезистора ТР-15
при максимальном нагреве
|
Номинальное сопротивление при 25°С. Ом |
Максимальная мощность рассеяния Bi |
Электрическое сопротивление при максимальной мощности рассеяния Ом, не более: |
крепления — это позволяв упростить задачу коне гру ктора – разработчика. Диапазон рабочих температур для этих приборов -55 , +) /’О С Внешний вид - в виде большой капли. для ограничения пусковых гокоь фирмы МТС представлено’ в габл 1.3.
Пример ночного обозначения зарубежных аналогов; В57 I53-S330-M здесь В?7 – фирменное обозначение терморе знечора. ! 53 S типовое обозначение, 330 кодовое обозна чениа сопротивления ‘де поспедняя цифр,? в обозначении указывает количество пулей, го ее гь УЮ со лвэ п. revei 33 Ом.
– I ОЧИОГ УЬ (;1.20%)
Таблица 1.3. NTC для ограничения пусковых токов
|
терморезистора |
Сопротивление R, при 25°С, 0м |
Точность |
Максимальная мощность, Вт |
Максимальный ток при 0…65°С, А |
|
1; 2; 2,5; 4;5; 10 |
16; 12; 11; 9,5; 8,5; 7,5 |
|||
с положительным ТКС - позисторы
СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-1Б - терморезисторы негерметизи- рованные неизолированные - предназначены для измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации, тепловой защиты, ограничения и стабилизации тока в электрических цепях постоянного тока.
Масса: не более 0,7 г
Диапазон номинальных сопротивлений: СТ5-1: 20…150 Ом СТ6-1 А: 40…400 Ом СТ6-1 Б: 180; 270 Ом
Примечание. Допуск для СТ6-1 Б: ±20%.
Максимальная мощность рассеяния: СТ5-1: 700 мВт СТ6-1 А: 1100 мВт СТ6-1Б: 800 мВт
Температурный коэффициент сопротивления, не менее:
СТ5-1: 20%/°С
СТ6-1 А: 10%/°С
СТ6-1Б: 15%/° С
Примерный температурный интервал положительного ТКС:
СТ5-1: от +120 до +200°С
СТ6-1 А: от +40 до +155°С
СТ6-1Б: от +20 до +125°С
Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС: не менее 10 3
Коэффициент рассеяния: 9 мВт/°С
Коэффициент энергетической чувствительности:
СТ5-1: 0,01 мВт
СТ6-1 А: 0,3 мВт
СТ6-1Б: 0,5 мВт
Постоянная времени: не более 20 с
Предельные эксплуатационные данные:
Температура окружающей среды:
СТ5-1: от-20 до+200°С
СТ6-1 А: от -60 до +155°С
СТ6-1 Б: от -60 до +125°С
Относительная влажность воздуха при +25°С:
СТ5-1: до 85%
СТ6-1А, СТ6-1Б: до 98%
Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.)
Минимальная наработка:
СТ5-1: 3 000 часов
СТ6-1 А, СТ6-1 Б: 10 000 часов
Срок сохраняемости:
СТ5-1: 3 года
СТ6-1 А, СТ6-1Б: 10 лет
Особенности применения терморезисторов
При монтаже всех типов терморезисторов рекомендуется применять припой марки ПОС-61 (ГОСТ 21930-76). При пайке температура припоя должна быть 260±5°С, а время пайки не более 4 секунд. Пайка выводов терморезисторов должна производиться не ближе 10 мм от его корпуса.
На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах (холодильных камерах), автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для устройства размагничивания кинескопа. Самые первые устройства, где применялись терморезисторы - датчики для измерения и регулирования температуры. массово используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После модификации их можно использовать для изменения времени задержки в широком интервале, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности. Также они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. Применение терморезисторов в военной технике актуально и значимо. являются составной частью электронных систем контроля за температурой ракет стратегического назначения. В противопожарной технике действуют температурные датчики. Датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу - открытый терморезистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой терморезистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее. При стабильных условиях оба терморезистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. Такой принцип действия называется «реакцией на скорость повышения температуры». Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Однако эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым терморезистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает определенный порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.
Применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени т, плохая стабильность в определенных условиях и т.д. Еще одна область применения терморезисторов - температурная компенсация электрических цепей в широком диапазоне температур. Такие электрические схемы популярны среди радиотехников и встречаются в усилителях мощности НЧ и многоплановых универсальных автоматических устройствах, предназначенных для применения в быту.