Как работает термосопротивление. Принцип действия, характеристики и основные параметры термистора

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.

Полупроводниковые термосопротивления. Термисторы. Терморезисторы. Принцип действия и характеристики

Основы работы полупроводниковых терморезисторов, их типы, технические характеристики, график температурной зависимости сопротивления.

Значительная зависимость сопротивления полупроводников от температуры позволила сконструировать чувствительные терморезисторы (термисторы, термосопротивления), представляющие собой объемные полупроводниковые сопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления. В зависимости от назначений терморезисторы изготовляются из веществ с различным значением удельного сопротивления. Для изготовления терморезисторов могут применяться полупроводники как с электронным, так и с дырочным механизмом проводимости и беспримесные вещества. Основными параметрами вещества терморезистора, определяющими его качество, являются: величина температурного коэффициента, химическая стабильность и температура плавления.

Большинство типов термисторов надежно работает лишь в определенных температурных пределах. Всякий перегрев свыше нормы пагубно действует на терморезистор (термосопротивление), а иногда даже может привести к его гибели.

Для предохранения от вредного влияния окружающей среды, и в первую очередь кислорода воздуха, терморезисторы иногда помещаются в баллон, наполненный инертным газом.

Конструкция терморезистора весьма несложна. Кусочку полупроводника придается форма нити, бруска, прямоугольной пластинки, шарика или какая-нибудь иная форма. На противоположных частях терморезистора вмонтированы два вывода. Величина омического сопротивления термистора, как правило, заметно больше величин сопротивлений других элементов схемы и, что самое главное, резко зависит от температуры. Поэтому когда в схеме течет ток, его величина в основном определяется величиной омического сопротивления термистора или в конечном счете его температурой. С повышением температуры термистора ток в схеме увеличивается, и, наоборот, с понижением температуры ток уменьшается.

Нагрев термостата может осуществляться передачей тепла от окружающей среды, выделением тепла в самом термисторе при прохождении через него электрического тока или, наконец, при помощи специальных подогревных обмоток. Способ нагрева терморезистора непосредственным образом связан с его практическим использованием.

Сопротивление термистора с изменением температуры может изменяться на три порядка, т. е. в 1000 раз. Это характерно для термисторов, изготовленных из плохо проводящих материалов. В случае хорошо проводящих веществ отношение находится в пределах десяти.

Всякий терморезистор обладает тепловой инерционностью, которая в одних случаях играет положительную роль, в других - либо не имеет практически никакого значения, либо отрицательно сказывается и ограничивает пределы использования терморезисторов. Тепловая инерция проявляется в том, что термистор, подвергающийся нагреву, не сразу принимает температуру нагревателя, а лишь через некоторое время. Характеристикой тепловой инерции терморезистора может служить так называемая постоянная времени τ . Постоянная времени численно равна тому количеству времени, в течение которого термистор, ранее находившийся при 0° С, а затем перенесенный в среду с температурой 100° С, уменьшит свое сопротивление на 63%.

Для большинства полупроводниковых терморезисторов зависимость сопротивления от температуры имеет нелинейный характер (рис.1, А). Тепловая инерция терморезистора мало отличается от инерции ртутного термометра.

При нормальном режиме эксплуатации параметры терморезисторов с течением времени меняются мало, а поэтому срок их службы достаточно велик и в зависимости от марки терморезистора колеблется в интервале, верхний предел которого исчисляется несколькими годами.

Рассмотрим для примера кратко три типа терморезисторов (термосопротивления): ММТ-1, ММТ-4 и ММТ-5.

На рис.1(В) показаны принципиальное устройство и конструкции этих терморезисторов. Терморезистор ММТ-1 покрыт снаружи эмалевой краской и предназначен для работы в сухих помещениях; терморезисторы ММТ-4 и ММТ-5 смонтированы в металлических капсулах и герметизированы. Поэтому они не подвержены вредному влиянию окружающей среды, предназначены для работы в условиях любой влажности и даже могут находиться в жидкостях (не действующих на корпус терморезисторов)

Омическое сопротивление терморезисторов находится в диапазоне от 1000 - 200000 ом при температуре 20° С, а температурный коэффициент α около 3% на 1°С. На рис.2 изображена кривая, показывающая в процентах изменение омического сопротивления термистора в зависимости от его температуры. На этом графике за начальное значение принято сопротивление при 20° С.

Описываемые типы терморезисторов рассчитаны на работу в температурном интервале от -100 до + 120° С. Перегрев их недопустим.

Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) упомянутых типов весьма стабильны, т. е. сохраняют практически неизменным свое "холодное" сопротивление, величина которого определяется при 20° С в течение весьма длительного времени. Высокая стабильность терморезисторов типа ММТ определяет их большой срок службы, который, как указано в паспорте, в нормальном режиме их работы практически безграничен. Термосопротивления (термисторы, терморезисторы) типа ММТ обладают хорошей механической прочностью.

На рисунках: конструкции некоторых термисторов, характерная температурная зависимость сопротивления термистора.

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

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.

Слово «термистор» понятно само по себе: ТЕРМический резИСТОР – устройство, сопротивление которого изменяется с температурой.

Термисторы являются в значительной степени нелинейными приборами и зачастую имеют параметры с большим разбросом. Именно поэтому многие, даже опытные инженеры и разработчики схем испытывают неудобства при работе с этими приборами. Однако, познакомившись поближе с этими устройствами, можно видеть, что термисторы на самом деле являются вполне простыми устройствами.

Вначале необходимо сказать, что не все устройства, изменяющие сопротивление с температурой, называются термисторами. Например, резистивные термометры , которые изготавливаются из маленьких катушек витой проволоки или из напыленных металлических плёнок. Хотя их параметры зависят от температуры, однако, они работают не так, как термисторы. Обычно термин «термистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам.

Имеется два основных класса термисторов: с отрицательным ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) и с положительным ТКС.

Существуют два принципиально различных типа выпускаемых термисторов с положительным ТКС. Одни изготавливаются подобно термисторам с отрицательным ТКС, другие же делаются из кремния. Термисторы с положительным ТКС будут описаны кратко, а основное внимание будет уделено боле распространенным термисторам с отрицательным ТКС. Таким образом, если отсутствуют особые указания, то речь будет идти о термисторах с отрицательным ТКС.

Термисторы с отрицательным ТКС являются высокочувствительными, нелинейными устройствами с узким диапазоном, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры. На рис.1 изображена кривая, показывающая изменение сопротивления в зависимости от температуры и представляющая собой типовую температурную зависимость сопротивления. Чувствительность – приблизительно 4-5 %/ о С. Имеется большой диапазон номиналов сопротивлений, и изменение сопротивления может достигать многих ом и даже килоом на градус.

R R o

Рис.1 Термисторы с отрицательным ТКС очень чувствительны и в значительной

Степени нелинейны. R о может быть в омах, килоомах или мегоомах:

1-отношение сопротивлений R/R о; 2- температура в о С

По существу термисторы представляют собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше 1000 о С.

Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпоксидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.

Из рис. 2 можно видеть, что имеется множество типов термисторов.

Термисторы имеют вид дисков и шайб диаметром от 2.5 до приблизительно 25.5 мм, форму стержней различных размеров.

Некоторые термисторы сначала изготавливаются в виде больших пластин, а затем режутся на квадраты. Очень маленькие бусинковые термисторы изготавливаются путем непосредственного обжигания капли теста на двух выводах из тугоплавкого титанового сплава с последующим опусканием термистора в стекло с целью получения покрытия.

Типовые параметры

Говорить «типовые параметры» - не совсем правильно, так как для термисторов существует лишь несколько типовых параметров. Для множества термисторов различных типов, размеров, форм, номиналов и допусков существует такое же большое количество технических условий. Более того, зачастую термисторы, выпускаемые различными изготовителями, не являются взаимозаменяемыми.

Можно приобрести термисторы с сопротивлениями (при 25 o С - температуры, при которой обычно определяется сопротивление термистора) от одного ома до десяти мегоом и более. Сопротивление зависит от размера и формы термистора, однако, для каждого определённого типа номиналы сопротивления могут отличаться на 5-6 порядков, что достигается путём простого изменения оксидной смеси. При замене смеси также и изменяется и вид температурной зависимости сопротивления (R-T кривая) и меняется стабильность при высоких температурах. К счастью термисторы с высоким сопротивлением, достаточным для того, чтобы использовать их при высоких температурах, также обладают, как правило, большей стабильностью.

Недорогие термисторы обычно имеют довольно большие допуски параметров. Например, допустимые значения сопротивлений при 25 о С изменяются в диапазоне от ± 20% до ± 5%. При более высоких или низких температурах разброс параметров еще больше увеличивается. Для типового термистора, имеющего чувствительность 4% на градус Цельсия, соответствующие допуски измеряемой температуры меняются приблизительно от ± 5 о до ± 1,25 о С при 25 о С. Высокоточные термисторы будут рассматриваться в данной статье ниже.

Ранее было сказано, что термисторы являются устройствами с узким диапазоном. Это необходимо пояснить: большинство термисторов работает в диапазоне от –80 о С до 150 о С, и имеются приборы (как правило, со стеклянным покрытием), которые работают при 400 о С и больших температурах. Однако для практических целей большая чувствительность термисторов ограничивает их полезный температурный диапазон. Сопротивление типового термистора может изменяться в 10000 или 20000 раз при температурах от –80 о С до +150 о С. Можно представить себе трудности при проектировании схемы, которая обеспечивала бы точность измерений на обоих концах этого диапазона (если не используется переключение диапазонов). Сопротивление термистора, номинальное при нуле градусов, не превысит значения нескольких ом при

В большинстве термисторов для внутреннего подсоединения выводов используется пайка. Очевидно, что такой термистор нельзя использовать для измерения температур, превышающих температуру плавления припоя. Даже без пайки, эпоксидное покрытие термисторов сохраняется лишь при температуре не более 200 о С. Для более высоких температур необходимо использовать термисторы со стеклянным покрытием, имеющие приваренные или вплавленные выводы.

Требования к стабильности также ограничивают применение термисторов при высоких температурах. Структура термисторов начинает изменяться при воздействии высоких температур, и скорость и характер изменения в значительной степени определяются оксидной смесью и способом изготовления термистора. Некоторый дрейф термисторов с эпоксидным покрытием начинается при температурах свыше 100 о С или около того. Если такой термистор непрерывно работает при 150 о С, то дрейф может измеряться несколькими градусами за год. Низкоомные термисторы (к примеру, не более 1000 Ом при 25 о С) зачастую ещё хуже – их дрейф может быть замечен при работе приблизительно при 70 о С. А при 100 о С они становятся ненадёжными.

Недорогие устройства с большими допусками изготавливаются с меньшим вниманием к деталям и могут дать даже худшие результаты. С другой стороны, некоторые правильно разработанные термисторы со стеклянным покрытием имеют прекрасную стабильность даже при более высоких температурах. Бусинковые термисторы со стеклянным покрытием обладают очень хорошей стабильностью, так же, как и недавно появившиеся дисковые термисторы со стеклянным покрытием. Следует помнить, что дрейф зависит как от температуры, так и от времени. Так, например, обычно можно использовать термистор с эпоксидным покрытием при кратковременном нагреве до 150 о С без значительного дрейфа.

При использовании термисторов необходимо учитывать номинальное значение постоянной рассеиваемой мощности . Например, небольшой термистор с эпоксидным покрытием имеет постоянную рассеивания, равную одному милливатту на градус Цельсия в неподвижном воздухе. Другими словами один милливатт мощности в термисторе увеличивает его внутреннюю температуру на один градус Цельсия, а два милливатта - на два градуса и так далее. Если подать напряжение в один вольт на термистор в один килоом, имеющий постоянную рассеивания один милливатт на градус Цельсия, то получится ошибка измерения в один градус Цельсия. Термисторы рассеивают большую мощность, если они опускаются в жидкость. Тот же вышеупомянутый небольшой термистор с эпоксидным покрытием рассеивает 8 мВт/ о С, находясь в хорошо перемешиваемом масле. Термисторы с большими размерами имеют постоянное рассеивание лучше, чем небольшие устройства. Например термистор в виде диска или шайбы может рассеивать на воздухе мощность 20 или 30 мВт/ о С следует помнить, что аналогично тому, как сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры, изменяется и его рассеиваемая мощность.

Уравнения для термисторов

Точного уравнения для описания поведения термистора не существует, – имеются только приближенные. Рассмотрим два широко используемых приближенных уравнения.

Первое приближенное уравнение, экспоненциальное, вполне удовлетворительно для ограниченных температурных диапазонов, в особенности – при использовании термисторов с малой точностью.