Термисторы принцип действия основные характеристики и параметры

Термистор: подробно простым языком

Термистор — это чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала. Он ведет себя как резистор, чувствительный к изменениям температуры. Термин «термистор» — это сокращение от термочувствительного резистора. Полупроводниковый материал — это материал, который проводит электрический ток лучше, чем диэлектрик, но не так хорошо, как проводник.

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термистора

Подобно термометрам сопротивления термисторы используют изменения величины сопротивления в качестве основы измерений. Однако сопротивление термистора обратно пропорционально изменениям температуры, а не прямо пропорционально. По мере увеличения температуры вокруг термистора, его сопротивление понижается, а по мере понижения температуры его сопротивление увеличивается.

Хотя термисторы выдают такие же точные показания, как и термометры сопротивления, однако, термисторы чаще конструируются для измерений в более узком диапазоне. Например, диапазон измерений термометра сопротивления может быть в пределах от -32°F до 600°F, а термистор будет измерять от -10°F до 200°F. Диапазон измерений для конкретного термистора зависит от размера и типа полупроводникового материала, который в нем используется.

Как термометры, термисторы реагируют на изменения температуры пропорциональным изменением сопротивления, они оба часто используются в мостовых схемах.

В данной цепи изменение температуры и обратно пропорциональная зависимость между температурой и сопротивлением термистора будет определять направление протекания тока. Иначе цепь будет функционировать таким же образом как в случае с термометром сопротивления. По мере изменения температуры термистора, изменяется его сопротивление и мост становится неуравновешенным. Теперь через прибор будет протекать ток, который можно будет измерить. Измеряемый ток можно преобразовать в единицы измерения температуры с помощью переводной таблицы, или откалибровав соответствующим образом шкалу.

Читайте также

Пирометр это продвинутый прибор для определения температуры любого объекта на основе инфракрасного датчика, который считывает невидимое инфракрасное излучение

Термопары наиболее распространенное устройство для измерения температуры

Ртутный термометр технический это прибор для измерения температуры, в котором в качестве жидкости используется ртуть, единственный жидкий метал

Биметаллический термометр это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел

Термистор чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала

Энциклопедия электроники

Терморезистор (термометр сопротивления, thermistor) – элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры.

Важное замечание: существуют еще так называемые термометры сопротивления – датчики температуры, выполнены из металла (медь или платина), изменяющие свое сопротивление при изменении температуры. В отличие от терморезисторов у них линейная характеристика. В данном материалы они не рассматриваются.

Условно графическое обозначение (УГО)

Внешний вид терморезисторов определяется согласно ГОСТ 2.728-74 «ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы». Размеры прямоугольника такие же как и у постоянного резистора.

Классификация

По характеру изменения сопротивления при изменении температуры терморезисторы делятся на две группы:

• Термистор (Thermistor NTC), терморезистор с отрицательным ТКС – сопротивление уменьшается при нагреве;
• Позистор (Thermistor PTC), терморезистор с положительным ТКС – сопротивление увеличивается при нагреве.

По способу подогрева терморезисторы делятся на две группы:

• прямого подогрева – сопротивление которого изменяется при прохождении непосредственно через ЧЭ;
• косвенного подогрева – сопротивление изменяется при прохождении тока через специальный подогреватель, расположенный в непосредственной близости от ЧЭ.

Принципиальное отличие терморезистора косвенного подогрева от прямого – гальваническая изоляция цепи нагрева от измерительной цепи.

Конструкция и принцип действия

Принцип действия терморезисторов основан на изменении сопротивления в зависимости от температуры.

Для создания темрорезисторов применяются полупроводниковые материалы с высокой зависимостью сопротивления от температуры.

Термисторы в основном выполняют из смеси окислов переходных металлов, способных изменять в соединениях свою валентность. Для термисторов применяются оксиды металлов:

• оксид кобальта (Co₃O₄)
• оксид никеля (NiO);
• оксид магния (MgO);
• диоксид титана (TiO₂),
• оксид марганца (Mn₃O₄);
• оксид меди (CuO);
• оксид ванадия (V₂O₅);
• оксид железа (Fe₂O₃).

Например, советские терморезисторы ММТ-1, ММТ-4 созданы на основе окислов CuO – Mn₃O₄.

Для позисторов применяются оксиды бария и стронция. Например, советсвие позисторы СТ6 созданы на основе титаната бария (BaTiO₃).

Электрические свойства терморезисторов определяются множеством параметров: соотношение исходных материалов, структура материала, расположение и валентность катионов в кристаллической решетке и других. Производство терморезисторов происходит в следующей последовательности:

• смесь окислов металлов смешивают и прессуют для придания формы (диска, цилиндра и т.д.);
• заготовки подвергают обжигу в печи (время нахождения в печи – несколько часов при температуре около 1400 °C);
• прикрепляют контактные выводы к заготовкам;
• термочувствительный элемент терморезисторов покрывают лаком или помещают в герметичную оболочку.

У терморезисторов зависимость выходного сопротивления от температуры нелинейная. Реальный график зависимости сопротивления от температуры показан на рисунке.

Для применения терморезисторов производители приводят таблицу значений «отношение сопротивлений – температура». Под отношением сопротивлений принимается отношение текущего сопротивления к номинальному (при температуре 25 °С), так как номенклатура номинальных сопротивлений большая и не стандартизирована.

Для термисторов производители так же приводят коэффициенты для уравнения Стейнхарта — Харта (Steinhart-Hart):

, где:

— сопротивление при текущей температуре T;
— текущая температура, К;
— коэффициенты.

В формуле используется четыре коэффициента A, B, C, D. Обычно в расчетах коэффициент C равен нулю и производители указывают только три коэффициента.

Практически можно пользоваться упрощенной формулой:

Вольт амперная характеристика (ВАХ) термистора и позистора показана на рисунке. Вид ВАХ зависит от многих параметров, таких как: материал резистора, конструкции, габаритов, температуры и т.д. Нелинейность ВАХ объясняется нагревом терморезистора за счет проходящего через него тока.

Основные параметры терморезисторов

Номинальное сопротивление – сопротивление терморезистора при температуре 25 °C (редко при 20 °C). В отличие от постоянных резисторов номинальное значения не берется из стандартизованного ряда.

Точность (tolerance) – допустимое отклонение он номинального сопротивления при температуре 25 °C.Допустимое отклонение современных терморезисторов составляет ±1%…±20 % (типовые значения ±10 % и ±20 %).

Максимальная мощность рассеяния – максимальная мощность, которую может непрерывно рассеивать терморезистор без изменения эксплуатационных характеристик. Единица измерения — Вт.

Коэффициент рассеяния (Dissipation factor) – мощность, рассеиваемая на терморезисторе, при которой температура элемента повышается на 1 °C по отношению к температуре окружающей среды. Единица измерения — мВт/К.

Постоянная времени τ (Thermal time constant) – время, за которое собственная температура терморезистора изменится на 63,2% от разницы между начальной и конечной температурой при скачкообразном измерении температуры (например, при переносе терморезистора в помещение с другой температурой). Единица измерения с.

Коэффициенты A, B, C, D – коэффициенты зависимости сопротивления от температуры (более подробно про зависимость указано ранее).

Маркировка терморезисторов

Стандартов на маркировку терморезисторов не существует. Каждый производитель самостоятельно определяет каким образом маркировать терморезисторы.

Серии терморезисторов

Отечественной промышленностью выпускались следующие серии терморезисторов прямого подогрева.

• СТ1 – термисторы медно-марганцевые (ранее — ММТ);
• СТ2 – термисторы кобальто-марганцевые (ранее — КМТ);
• СТ3 – термисторы медно-кобальто-марганцевые;
• СТ4 – термисторы никель-кобальто-марганцевые;
• СТ5 – позисторы на основе титана бария, легированного германием;
• СТ6 – позисторы на основе титаната бария (BaTiO₃);
• СТ8 – термисторы на основе полутораокиси ванадия и ряда поликрсталлических твердых растворов в системах V₂O₃-Me₂O₃ (Me=Ti; Al, Cr);
• СТ9 – термисторы на основе двуокиси ванадия VO₂;
• СТ10 – Позисторы на основе системы (Ba, Sr)TiO₃;
• СТ11 – Позисторы на основе системы (Ba, Sr)(Ti, Sn)O₃ легированной цернем.

Типоразмеры терморезисторов

Терморезисторы выпускаются различного исполнения:

• цилиндрические и дисковые с выводами для установки в отверстия платы;
• поверхностного монтажа на плату(типоразмера SMD, MILF);
• резьбового крепления;
• дисковые.

Применение терморезисторов

Назначение терморезисторов в схемах можно условно поделить на два типа: измерение температуры и использование в качестве нелинейного элемента.

Благодаря малым размерам и низкой стоимости терморезисторы применяются повсеместно в сложных устройствах для контроля температуры: мобильные телефоны, компьютерная техника и т.д.

Широкое применение позисторы нашли в промышленности для защиты асинхронных электродвигателей от перегрева обмоток. В аварийных режимах работы (недостаточное охлаждение, заклинивание ротора и прочие) обмотка может сильно нагреваться, в результате чего происходит разрушение изоляционного слоя обмотки с последующим замыканием обмотки.

Для защиты от перегорания в каждую обмотку укладывают позистор. Позисторы соединяют последовательно между собой.

Для измерения температуры и отключения электродвигателя применяют специализированные приборы термисторные реле. Принцип действия этих реле основан на постоянном измерении сопротивления позисторов. При превышении заданного порога контакты реле переключаются и отключают электродвигатель. На рисунке показано подключение электродвигателя: силовые выводы U, V, W; вывод термосопротивления: T1, T2.

Большое распространение термисторы нашли во входной цепи импульсных блоков питания. При включении блока питания в сеть начинается заряд конденсаторов. В этот момент может протекать значительный ток на входе. Для ограничения тока во входную цепь устанавливают термистор TR1. При прохождении тока термистор постепенно нагревается, его сопротивление падает и соответственно снижается потеря напряжения на нем.

Для мощных устройств (например, 2 кВт) параллельно термистору устанавливают контакт реле. После запуска на катушку реле поступает питание и его контакты шунтируют термистор для снижения потерь при работе устройства.

Позисторы применяются в телевизорах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Со временем кинескоп начинает намагничиваться, из-за этого на экране кинескопа появляются цветные пятна. Для размагничивания кинескопа сзади него проложена петля размагничивания. Петля включается в цепь питания телевизора после позистора. По мере нагрева позистора его сопротивление увеличивается и ток по петле уменьшается до приемлемых значений. Для поддержания позистора в нагретом состоянии применяют сдвоенные позисторы в одном корпусе. Позистор, включенный последовательно с петлей снижает ток после размагничивания, позистор включенный параллельно петле поддерживает нагрев, когда телевизор работает. Стоит отметить особенность данной схемы: размагничивание происходит только в момент включения телевизора кнопкой на телевизоре. Если все время выключатель телевизор с пульта, то размагничивание происходить не будет.

Позисторы применяются в цепи запуска бытовых компрессоров холодильников. В момент пуска необходимо подать питание на рабочую и пусковую обмотку. После запуска компрессора питание с пусковой обмотки нужно снять. Для этого пусковую обмотку подключают через позистор к рабочей. После подачи питания ток проходит к рабочей и пусковой обмотке, по мере работы компрессора позистор нагревается и его сопротивление повышается, снижая ток через пусковую обмотку. Для таких схем применяются дисковые позисторы, которые имеют большой максимальный ток.

© 2016
Все права защищены законом об авторском праве! При копировании материалов сайта активная ссылка обязательна!

Термистор

Термистор, или терморезистор, – это электронный полупроводниковый компонент, способный изменять сопротивление при воздействии температуры. Такую особенность полупроводников выявили еще в тридцатых годах прошлого столетия. Это позволило создать чувствительные механизмы, используя полупроводниковые материалы с серьезным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Термоприборы стабильно работают только при определенных температурных режимах. Любой перегрев может не только ухудшить работу, но и просто вывести его из строя. Поэтому резисторы изолируют, например, эпоксидной смолой или запаивают в стекло. Это предохраняет компонент от воздействия внешних факторов, в том числе, кислорода.

Конструкция электронного элемента не сложная. Полупроводник может быть как нить, квадрата, пластина, шайба, жемчужина. В разных концах встроено два провода для выводов. Сопротивление всей схемы, в которой течет ток, определяется по его показателю, и, естественно, его нагревом, потому что при его изменении изменяется и электричество в системе. Определить прибор можно по букве + t (temperature) для позистора, и – t для ntc термистора. Здесь мы подошли к двум видам устройства.

NTC термистор

Измеритель с отрицательным ТКС называют NTC-термистор, где NTC – Negative Temperature Coefficient. При нагревании R полупроводника уменьшается. Это популярный узел среди радиолюбителей, который всегда применяется в создании каких-либо электронных аппаратов. Поэтому его будет полезно рассмотреть подробнее.

Принцип работы и все характеристики берут отсчет от свойств при комнатной температуре. Обычно за точку отсчета берется +25 С. При ней у резистора заявленные показатели. Чаще всего используют NTC 10 Ком и 100 Ком. Номинальное R при подогреве может изменяться в тысячу раз. Это касается термодатчиков, произведенных из проводников с плохой проводимостью. Если берут с хорошей, то отношение измеряется в пределах 10.

Зависимость электросопротивления для большинства таких устройств имеет нелинейную прогрессию. Поэтому необходимо иметь таблицу с расписанными данными по взаимосвязи этих показателей. Такие таблицы должны прилагаться к каждому виду терморезисторов. Параметры сопротивления полупроводников со временем практически не изменяются, поэтому их срок службы достаточно велик. Это при условии соблюдения температурного режима, который варьируется от -55 С до +300 С.

NTC-прибор используется в двух случаях: для стабилизации пускового напряжения, точнее для его сглаживания. И в качестве датчика температур, для ее измерения как внутри, так и замер внешних данных. Схема использования при запуске достаточна простая. При скачке пускового напряжения, электроток нагрузки проходит через NTC, который обладает определенным R при +25 С и он не дает большому скачку испортить весь электроприбор. При постепенном подогреве сопротивляемость падает, и оно выравнивается. Это свойство помогает запускать приборы плавно, не боясь перегорания диодных мостов и предохранителей.

Второй вариант использования – это датчик температуры. На основании показаний градуса разогревания можно настроить включение тех или иных элементов, например, электродвигателя, кулера, вентилятора. Также использовать для сигнализирования о перегреве системы или ее компонента. При небольшом значении проходящего электричества, терморезистор не будет нагреваться, а будет показывать градусы окружающей среды. Эта же функция используется в аккумуляторах для ноутбука. К элементу питания примотан такой элемент и при перегреве он подает сигнал, который сразу уменьшает подачу питания.

Полезное применение при конструировании 3D-принтеров, в частности подогреваемых столов к ним и экструдерах (Hot End) оценили все радиолюбители. В таких приборах используют приспособление на 100 Ком. Маленькие размеры позволяют крепить и размещать электродатчик на небольших площадях. Работа при высоких температурах имеет большое значение при выборе узла для данных аппаратов.

Для надежной и правильной работы термистора NTC уделите особое внимание калибровке, вне зависимости от назначения. Это важный этап в настройке всего механизма. Для этого необходимо использовать таблицу зависимости. При подключении к Arduino первым делом следует написать скетч. Который выведет такую зависимость на экран и можно будет свериться.

Принцип действия, характеристики и основные параметры термистора

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:

• плоскую пластину;
• диск;
• стержень;
• шайбу;
• трубку;
• бусинку;
• цилиндр.

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.