Термистор – характеристика и принцип действия. Принцип работы термистора Терморезистор где можно применить в быту

На основе полупроводника, значительно уменьшающий своё сопротивление при понижении температуры. На основе этих данных можно измерять температуру в понятном для микроконтроллёров виде.

Основным материалом для изготовления термистора (с отрицательным ТКС * ) служат поликристаллические оксидные полупроводники (окислы металлов ).

Существует также разновидность терморезисторов (с положительным ТКС * ) – позисторы . Их получают из титана вкупе с бариевой керамикой и редкоземельными металлами. Значительно увеличивают сопротивление при увеличении температуры . Основное применение – температурная стабилизация устройств на транзисторах.

Термистор изобретён Самуэлем Рубеном (Samuel Ruben ) в 1930 году.

Термисторы применяются в микроэлектронике для контроля температур, тяжёлой промышленности , мобильных измерительных устройствах , выполняют функцию защиты импульсных блоков питания от больших зарядных токов конденсаторов & etc .

Очень часто встречаются на компьютерных комплектующих.

Позволяют измерять температуру процессоров, систем питания, чипсетов, и прочих компонентов. Довольно надёжны, хотя не редок заводской брак, когда температура смещена на несколько десятков градусов, либо вообще находится в минусе.

Существуют также термисторы с собственным встроенным подогревом . Служат для ручного включения подогрева и подачи сигнала с резистора о изменении сопротивления, либо для контроля подачи питания сети (при отключении резистор перестанет нагреваться и изменит сопротивление).

Формы и размеры термисторов могут быть разными (диски, бусинки, цилиндры & etc ).

Основными характеристиками полупроводникового термистора являются: ТКС * , диапазон рабочих температур , максимально допустимая мощность рассеяния, номинальное сопротивление .

Термисторы (большинство) выносливы к различным температурам, механическим , к износу от времени, а при определённой обработке и к агрессивным химическим средам .

* Температурный Коэффициент Сопротивления

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры.

Главный параметр терморезистора это большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов)- то есть его сопротивление очень сильно зависит от температуры и может изменяться в десятки а то и сотни раз.

Достоинства терморезисторов - простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, относительно невысокая долговременная стабильность характеристик.

Основная область применения терморезисторов это температурные датчики в различных устройствах или защитные функции (при большом токе через него происходит разогрев и изменение сопротивления)

Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Терморезисторы по своим рабочим параметрам делятся на две категории:

1. При нагреве сопротивление уменьшается. Такие терморезисторы называют термистор или NTC-термисторы (Negative temperature coefficient).
2. При нагреве сопротивление увеличивается. Такие терморезисторы называют позистор или PTC-термисторы (Positive temperature coefficient). Они применяются в системе размагничивания кинескоп телевизоров

Обозначение терморезисторов на схеме

На схеме терморезисторы (не важно термистор это или позистор) обозначается так:

Терморезисторы бывают низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–10 6 Ом.

Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции - с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

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

Терморезисторы. Принцип работы

Терморезистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Изменение сопротивления Rт полупроводника при изменении температуры характеризуется зависимостью:

Rт= Аехр (В/Т).

Где: А - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника, размеров и формы терморезистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т - температура терморезистора, °С. Температурный коэффициент α полупроводникового терморезистора отрицательный.

Он достигает значений от 2,5 до 4% °С, что в 6-10 раз больше температурного коэффициента металлов, и зависит от температуры:

α = В/Т^2.

На рис. 1 показано устройство терморезисторов серий ММТ и КМТ. Терморезисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 (рис. 1, а) представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти выводы терморезисторов могут быть использованы только в сухих помещениях. Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1, б) смонтированы в металлический корпус 6 и герметизированы. Они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной по отношению к корпусу. Герметизация осуществляется стеклом 8 и оловом 9. Стержень 5 в терморезисторе типа ММТ-4 обернут металлической фольгой 4. Токоотвод 7 выполнен из никелевой проволоки. Эти терморезисторы выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1 до 200 кОм (при 20 °С) и могут быть использованы для работы в диапазоне температур от -100 до 129°С.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников менять электрическое сопротивление при изменении температуры. В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используют только чистые металлы: платину в виде тонкой проволоки диаметром 0,05- 0,07 мм для измерения температур до 630°С и медь, никель или железо в виде проволоки диаметром 0,1 мм для измерения температур 100-150 °С.

Существуют следующие способы намотки материала термометров сопротивления:

На стеклянную пластинку в целях сохранности элемента, имеющего остроугольные вырезы по бокам, расстояние между зубцами которых равно 0,5-1 мм;

На стеклянную трубку в целях сохранности элемента его заключают в тонкостенную пружинящую металлическую трубку с асбестовыми подушками;

На слюдяную или фарфоровую крестовину.

Наиболее широко применяют платину и медь.

Термометры сопротивления используют в приборах контроля и автоматического регулирования температуры. В них, кроме чувствительного элемента, есть источник тока и измерительный мост. Схема уравновешенного моста постоянного тока показана на рис. 2.

Перемещая движок реостата Rз, приводят мост в уравновешенное состояние, при котором гальванометр G фиксирует отсутствие тока в диагонали моста (Iт=0). Rз=const.

Таким образом, на равнозначных режимах величина Rз пропорциональна измеряемому сопротивлению Rt, зависящему от температуры. Уравновешивания моста может быть осуществлено автоматически. Для этого сопротивление резистора меняется под воздействием стрелки нуль гальванометра G.

Наряду с уравновешенными измерительными мостами применяются и неуравновешенные, характеризующиеся большей надежностью, но меньшей точностью из-за влияний колебаний напряжения источника.

Термометр сопротивления платиновый типа ТСП-972 (рис. 3) предназначен для измерения температуры от -10 до +120°С при относительной влажности до 98%.

Принцип действия основан на свойстве платины изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Измерение сопротивления термометра фиксируется вторичным прибором, имеющим шкалу в градусах Цельсия. Термометр типа ТСП-972 состоит из термоэлемента 1 и головки 2. Чувствительный элемент термометра представляет собой спираль из платиновой проволоки марки Пл-2 диаметром 0,05 мм, помещенную в канал каркаса. Каналы каркаса заполнены порошком безводной окиси алюминия и залиты глазурью. Концы спирали припаяны серебром к выводам из сплава, состоящего из иридия и родия.

Головка термометра сопротивления состоит из корпуса и крышки 3, соединенных болтами. Конструкция защитной арматуры сварная.

Термометр виброустойчивый и ударопрочный.

В первой части статьи было коротко рассказано об и их изобретателях Фаренгейте, Реомюре, Цельсии и Кельвине. Теперь стоит познакомиться с температурными датчиками, принципами их работы, приборами для получения данных от этих датчиков.

Доля измерения температуры в технологических измерениях

В современном промышленном производстве производится измерение множества различных физических величин. Из них массовый и объемный расход составляет 15%, уровень жидкостей 5%, время не более 4%, давление около 10% и так далее. А вот измерение температуры составляет почти 50% от общего количества технических измерений.

Такой высокий процент достигается числом точек измерения. Так на среднего размера атомной электростанции температура может измеряться примерно в 1500 точках, а на крупном химзаводе это количество достигает двадцати и более тысяч.

Такое количество говорит не только о широком разнообразии средств измерений и как следствие множестве первичных преобразователей и датчиков температуры, а также о постоянно возрастающих требованиях к точности, быстродействию, помехоустойчивости и надежности приборов измерения температуры.

Основные виды температурных датчиков, принцип работы

Практически все температурные датчики, применяемые в современном производстве, используют принцип преобразования измеряемой температуры в электрические сигналы. Такое преобразование основано на том, что электрический сигнал возможно передавать с высокой скоростью на большие расстояния, в электрические же сигналы могут быть преобразованы любые физические величины. Преобразованные в цифровой код эти сигналы могут быть переданы с высокой точностью, а кроме того введены для обработки в компьютер.

Термопреобразователи сопротивления

Их также еще называют терморезисторами . Принцип действия их основан на том, что все проводники и полупроводники имеют Температурный Коэффициент Сопротивления сокращенно ТКС . Это примерно то - же, что и известный всем коэффициент температурного расширения: при нагревании тела расширяются.

Следует заметить, что все металлы обладают положительным ТКС. Другими словами электрическое сопротивление проводника увеличивается при возрастании температуры. Здесь можно вспомнить тот факт, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент включения, пока спираль холодная и сопротивление ее невелико. Отсюда и повышенный ток при включении. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, но об этом будет сказано чуть выше.

Металлические терморезисторы

Казалось бы, что в качестве материала для терморезисторов возможно использовать любой проводник, однако, ряд требований предъявляемых к терморезисторам, говорит что это не так.

Прежде всего, материал для изготовления температурных датчиков, должен обладать достаточно большим ТКС, а зависимость сопротивления от температуры должна быть достаточно линейной в широком диапазоне температур. Кроме того металлический проводник должен быть инертен к воздействию окружающей среды и обеспечивать хорошую воспроизводимость свойств, что позволит производить замену датчиков не прибегая к различным тонким настройкам измерительного прибора в целом.

По всем указанным свойствам почти идеально подходит платина (если не считать высокой цены), а также медь. Такие терморезисторы в описаниях называются медные (ТСМ-Cu) и платиновые (ТСП-Pt).

Терморезисторы ТСП могут использоваться в диапазоне температур -260 - 1100°C. Если измеряемая температура находится в пределах 0 - 650°C, то датчики ТСП могут использоваться в качестве эталонных и образцовых, поскольку нестабильность градуировочной характеристики в этом диапазоне не превышает 0,001°C. К недостаткам терморезисторов ТСП можно отнести высокую стоимость и нелинейность функции преобразования в широком диапазоне температур. Поэтому точное измерение температур возможно лишь в указанном в технических данных диапазоне.

Большее распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы марки ТСМ, зависимость сопротивления от температуры у которых достаточно линейна. Как недостаток медных резисторов можно считать низкое удельное сопротивление, и недостаточная устойчивость к воздействию высоких температур (легкая окисляемость). Поэтому медные терморезисторы имеют предел измерения не свыше 180°C.

Для подключения датчиков типа ТСМ и ТСП используется двухпроводная линия, если удаление датчика от прибора не превышает 200м. Если это расстояние больше, то используется трехпроводная линия связи, в которой третий провод используется для компенсации сопротивления подводящих проводов. Подобные способы подключения подробно показаны в технических описаниях приборов, которые комплектуются датчиками ТСМ или ТСП.

К недостаткам рассмотренных датчиков следует отнести их низкое быстродействие: тепловая инерционность (постоянная времени) таких датчиков находится в пределах от десятков секунд до нескольких минут. Правда, изготавливаются и малоинерционные терморезисторы, постоянная времени которых не более десятых долей секунды, что достигается за счет их малых габаритов. Такие терморезисторы изготавливают из литого микропровода в стеклянной оболочке. Они высокостабильны, герметизированы, и малоинерционны. Кроме того при малых габаритах имеют сопротивление до нескольких десятков килоОм.

Полупроводниковые терморезисторы

Их также часто называют термисторами . По сравнению с медными и платиновыми они имеют более высокую чувствительность и отрицательный ТКС. Это говорит о том, что при увеличении температуры их сопротивление уменьшается. ТКС термисторов на порядок выше, чем у их медных и платиновых собратьев. При весьма малых габаритах сопротивление термисторов может достигать до 1 МОм, что исключает влияние на результат измерения сопротивления соединительных проводов.

Для измерения температуры наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы марки КМТ (на основе окислов марганца и кобальта), а также ММТ (окислы марганца и меди). Функция преобразования термисторов достаточно линейна в диапазоне температур -100 - 200°C, надежность полупроводниковых терморезисторов очень высока, характеристики стабильны в течение долгого времени.

Единственным недостатком является то, что в серийном производстве не удается с достаточной точностью воспроизвести необходимые характеристики. Один экземпляр значительно отличается от другого, примерно так же, как транзисторы: вроде бы из одной упаковки, а коэффициент усиления у всех разный, двух одинаковых из сотни не найдешь. Такой разброс параметров приводит к тому, что при замене термистора приходится заново производить регулировку аппаратуры.

Для питания термопреобразователей сопротивления чаще всего используется мостовая схема, в которой уравновешивание моста производится при помощи потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора от воздействия температуры уравновесить мост можно только поворотом потенциометра.

Подобная схема с ручной регулировкой применяется в качестве демонстрационной в учебных лабораториях. Движок потенциометра имеет шкалу, проградуированную непосредственно в единицах температуры. В реальных измерительных схемах все, конечно, производится автоматически.

В следующей части статьи будет рассказано о применении термопар и механических термометров расширения -