Принцип работы термистора

Самые маленькие термисторы имеют форму шариков. Их размеры составляют менее 1 миллиметра, а свойства элементов стабильны. Недостатком является то, что их нельзя заменить в электрических цепях.

Содержание

Термистор – это полупроводниковый элемент с переменной характеристикой (сопротивлением) в зависимости от температуры. Этот продукт был изобретен в 1930 году, а его создателем считается известный ученый Самуэль Рубен.

Для получения основного элемента сопротивления используются оксиды, галогениды и халькогениды нескольких металлов. В производстве используются медь, никель, марганец, кобальт, германий, кремний и другие вещества.

В процессе производства полупроводнику придают различные формы. Существуют терморезисторы в виде тонких трубок, больших площадок, тонких пластин или маленьких круглых деталей. Некоторые детали имеют размеры порядка нескольких микрон.

Основные типы терморезисторов – термисторы и позисторы (отрицательные и положительные ТДС соответственно). У термисторов сопротивление уменьшается с ростом температуры, а у позисторов – увеличивается.

Среди термисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют термисторы, изготовленные из твердых растворов на основе BaTiO₃. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны небольшие термисторы с положительным температурным коэффициентом (0,5-0,7 %/K) на основе электронно-проводящего кремния; их сопротивление изменяется с температурой приблизительно линейно. Эти термисторы используются, например, для стабилизации температуры электронных устройств, использующих транзисторы.

Термистор

Термистор – Полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого значительно изменяется в зависимости от температуры.
Термистор характеризуется высоким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) (в несколько десятков раз выше, чем у металлов), простотой устройства, возможностью эксплуатации в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильностью характеристик во времени.

Терморезисторы изготавливаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб, шариков и тонких пластин в основном методами порошковой металлургии. Размеры могут варьироваться от 1-10 мкм до 1-2 см.

Основными параметрами термистора являются его номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, диапазон рабочих температур и максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Термистор был изобретен Самуэлем Рубеном в 1930 году и защищен патентом США № 2,021,491.

Различают отрицательные ТДС (термисторы) и положительные ТДС (позисторы).
Отрицательные ТДС изготавливаются из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например. MnO, CoO, NiO, CuO), легированные Ge и Si, полупроводники типа A III B V, стеклообразные полупроводники и другие материалы.

Различают низкотемпературные резисторы (предназначенные для работы при температуре ниже 170 К), среднетемпературные (170-510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют термисторы, предназначенные для работы при температуре 4,2 К и ниже, а также при температуре 900-1300 К. Наиболее часто используемые среднетемпературные термисторы имеют TCR в диапазоне от – 2,4 до -8,4 %/K и номинальное сопротивление 1-10 6 Ом.

Режим работы термисторов зависит от участка статической вольт-амперной характеристики (ВСХ), на котором выбрана рабочая точка. В свою очередь, CVC зависит как от конструкции, размеров и основных параметров термистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды и тепловой связи между термистором и окружающей средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальной (линейной) части CVC используются для измерения и контроля температуры и для компенсации температурных изменений в электрических цепях и электронных устройствах. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящей части CVC (с отрицательным сопротивлением) используются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения в микроволновых печах, стабилизаторов температуры и напряжения. Способ работы термистора, в котором рабочая точка также расположена на падающем участке CVC (использование зависимости сопротивления термистора от температуры окружающей среды и теплопроводности), характерен для термисторов, используемых в системах терморегулирования и пожарной сигнализации, системах контроля уровня жидкости и сыпучих веществ; работа таких термисторов заключается в возникновении релейного эффекта в цепи с термисторами при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена термисторов со средой
Также производятся специально разработанные термисторы непрямого нагрева. В таких терморезисторах имеется нагреваемая обмотка, которая изолирована от полупроводникового элемента сопротивления (если мощность, выделяемая в элементе сопротивления, мала, то о режиме работы терморезистора решает температура нагревателя, т.е. протекающий в нем ток). Это позволяет изменять состояние термистора без изменения протекающего через него тока. Такой термистор используется в качестве переменного резистора, которым можно управлять электрически на расстоянии.

Среди термисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют термисторы из твердых растворов на основе BaTiO₃. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны небольшие термисторы с положительным температурным коэффициентом (0,5-0,7 %/K) на основе электронно-проводящего кремния; их сопротивление изменяется с температурой приблизительно линейно. Такие терморезисторы используются, например, для стабилизации температуры электронных устройств на транзисторах.

Обратите внимание, что график, показанный на рисунке “Вольт-амперная характеристика (ВАХ) для позистора”. неверно, потому что оси неправильные – они должны быть перевернуты. График следует повернуть на 90 градусов влево и перевернуть вертикально, чтобы получить напряжения термисторов.

Работа термисторов основана на свойстве отдельных проводников изменять свои значения сопротивления при различных температурах. Основными проводниками, используемыми в этих устройствах, являются чистая медь и платина. Следует отметить, что отрицательный температурный коэффициент термисторов намного выше, чем у обычных металлов.

Применение термисторов

Термисторы, используемые в качестве датчиков, могут работать в двух режимах. В первом случае поведение температуры зависит только от температуры окружающей среды. Ток, протекающий через термистор, очень мал, и нагрев практически не происходит. Второй способ заключается в том, что термистор нагревается под действием электрического тока, протекающего внутри него. В этом случае значение температуры зависит от различных переменных условий мощности нагрева. Это может быть плотность газовой среды, окружающей устройство, интенсивность обдува и другие факторы.

Стеклянный термистор.

Температурная зависимость сопротивления

Сопротивление идеальных полупроводников (число дырок и носителей заряда одинаково) как функция температуры может быть представлено следующей формулой

где A, b – константы, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако сложный состав и неидеальное распределение заряда в полупроводнике термистора не позволяет напрямую использовать теоретическое соотношение и требует эмпирического подхода. Для термисторов NTC используется приближенное соотношение Стейнхарта-Харта

Как рассчитать резистор для светодиода?

Где T – температура в К;

R – сопротивление в омах;

a,b,c – константы термистора, определенные калибровкой в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее чем на 10 C.

Стеклянный термистор.

Типичный термистор 10 кОм имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 C, аналогичные следующим значениям:

a = 1,03 10-3
b = 2,93 10-4
c = 1,57 10-7

Дисковые термисторы взаимозаменяемы, т.е. все датчики данного типа будут иметь одинаковые характеристики в пределах допуска, установленного производителем. Наилучший возможный допуск обычно составляет ±0,05 C в диапазоне от 0 до 70 C. Бусинные термисторы не являются взаимозаменяемыми и требуют индивидуальной градуировки.

Калибровка термисторов может производиться в жидкостных термостатах. Термисторы необходимо герметизировать, погружая их в стеклянные трубки. Обычно термистор сравнивается с платиновым эталонным термометром для калибровки и расчета констант.

В диапазоне от 0 до 100 C сравнения проводятся в точках с интервалом 20 C. Ошибка интерполяции обычно не превышает 1 -5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Также можно использовать точки отсчета: тройная точка воды (0,01 C), точка плавления галлия (29,7646 C), точки фазового перехода эвтектики и органических материалов.

Для калибровки нескольких термисторов их можно соединить последовательно, чтобы через них протекал одинаковый ток. При калибровке и использовании термисторов необходимо учитывать нагревающий эффект измерительного тока. Для термисторов 10 кОм рекомендуется ток от 10 мкА (точность 0,1 мК) до 100 мкА (точность 10 мК).

Давайте сначала определим термисторы (также называемые терморезисторами) как тип радиочастотного элемента. Они представляют собой полупроводниковый элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Эти отношения могут быть:

Прямой (чем выше температура, тем выше сопротивление) – это тип PTC (положительный температурный коэффициент). Альтернативное название – “позистория”.
Обратный вариант (сопротивление увеличивается при снижении температуры и наоборот) – это тип NTC (Negative Temperature Coefficient).

Терморезисторы часто разделяют по диапазону рабочих температур:

Низкая температура (ниже 170 К);
Средняя температура (170-510 K);
Высокая температура (выше 510K).

Назначение термистора показано на схеме ниже.

Структура термистора.

Рисунок 1 Термистор

Использование термисторов для ограничения пускового тока источников питания

Часто необходимо ограничить пусковой ток в различных источниках питания при включении. Это может быть вызвано различными причинами: быстрый износ контактов реле или переключателя, сокращение срока службы конденсаторов фильтра и т.д. Недавно такая задача встала и передо мной. Я использую хороший серверный блок питания в своем компьютере, но из-за плохой реализации резервной секции он сильно нагревается, когда основной блок питания выключен. Из-за этой проблемы мне уже пришлось 2 раза ремонтировать плату ожидания и заменять некоторые электролиты рядом с ней. Решение было простым – отключить источник питания. Однако это имело ряд недостатков – большой скачок тока через высоковольтный конденсатор при включении мог разрушить его, кроме того, через 2 недели уже начала гореть вилка блока питания. Было решено сделать ограничитель пускового тока. Параллельно с этой задачей у меня была аналогичная задача для мощных аудиоусилителей. Проблемы в усилителях те же – подгоревшие контакты переключателей, пусковой ток через диоды моста и электролиты фильтра. В интернете можно найти довольно много схем ограничения пускового тока. Однако для конкретного применения они могут иметь ряд недостатков – необходимость пересчета элементов схемы под требуемый ток; для мощных нагрузок – выбор силовых элементов, которые обеспечат необходимые параметры для расчетной выделенной мощности. Иногда также необходимо обеспечить минимальный пусковой ток для подключаемого устройства, что увеличивает сложность схемы. Простым и надежным решением являются термисторы.

Рисунок 1 Термистор

Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого быстро изменяется под воздействием тепла. Для наших целей нам нужны термисторы с отрицательным температурным коэффициентом – термисторы NTC. Когда ток проходит через термистор NTC, он нагревается, и его сопротивление падает.

Рис.2 Термистор TCS

Нас интересуют следующие параметры термистора:

Сопротивление при 25˚C

Максимальный установившийся ток

Оба параметра доступны в документации на конкретные термисторы. Из первого параметра мы можем определить минимальный ток, который будет протекать через сопротивление нагрузки при подключении через термистор. Второй параметр определяет максимальную мощность, рассеиваемую термистором, при этом мощность нагрузки должна быть такой, чтобы средний ток через термистор не превышал этого значения. Для обеспечения надежной работы термистора этот ток должен быть уменьшен на 20 процентов от параметра, указанного в документации. Может показаться, что проще выбрать подходящий термистор и собрать устройство. Но есть вещи, которые нужно принимать во внимание:

Термистору требуется довольно много времени для остывания. Если устройство выключить и сразу же включить снова, термистор будет иметь низкое сопротивление и не выполнит свою защитную функцию.
Термисторы не следует соединять параллельно для увеличения тока – из-за разницы в параметрах ток через них будет сильно отличаться. Однако можно последовательно соединить достаточное количество термисторов.
Во время работы термистор сильно нагревается. Прилегающие компоненты также нагреваются.
Максимальный непрерывный ток через термистор должен быть ограничен его максимальной мощностью. Этот параметр указан в документации. Но если термистор используется для ограничения коротких скачков тока (например, во время начальной подачи питания источника питания и зарядки конденсатора фильтра), импульсный ток может быть выше. Тогда выбор термистора ограничивается его максимальной импульсной мощностью.

Энергия заряженного конденсатора определяется по формуле:

E = (C*Vpeak²)/2

где E – энергия в джоулях, C – емкость конденсатора фильтра, Vpeak – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор фильтра (для наших сетей мы можем принять 250 В*√2 = 353 В).

Если в документации указана максимальная мощность импульса, термистор можно выбрать на основе этого параметра. Но обычно этот параметр не указывается. Тогда максимальная емкость, которую можно безопасно заряжать термистором, может быть оценена по таблицам, уже рассчитанным для стандартных серийных термисторов.

Таблицу параметров NTC термистора я взял у Joyin. В таблице показано:

Rnom – номинальное сопротивление термистора при 25°C

Imax – максимальный ток через термистор (максимальный непрерывный ток)

Smax – максимальная емкость в измерительной цепи, которая может быть разряжена на термистор без его повреждения (испытательное напряжение 350 В)

Как проводится тест, можно посмотреть здесь на странице 7.

Несколько слов о параметре Smax – Из документации следует, что в тестовой схеме конденсатор разряжается через термистор и ограничительный резистор, на котором выделяется дополнительная энергия. Поэтому максимальная безопасная емкость, которую термистор может зарядить без этого резистора, будет меньше. Я искал информацию на зарубежных тематических форумах и рассматривал типичные системы с термисторными разрядниками, для которых приведены данные. На основании этой информации можно предположить, что коэффициент для Smax в реальной схеме составляет 0,65, на которое необходимо умножить данные в таблице.

Сам основной элемент сопротивления производится в порошковой металлургии, где халькогениды, галогениды и оксиды некоторых металлов перерабатываются в различные формы, такие как диски или стержни разных размеров, большие шайбы, трубки среднего размера, тонкие пластины, маленькие шарики, с размерами от микронов до десятков миллиметров.

Что такое термистор и позистор и где они используются?

Термистор – это полупроводниковый компонент с электрическим сопротивлением, зависящим от температуры. Этот компонент, изобретенный в 1930 году ученым Самуэлем Рубеном, и сегодня широко используется в технике.

Терморезисторы изготавливаются из различных материалов, температурный коэффициент сопротивления (TCR) которых достаточно высок – намного выше металлических сплавов и чистых металлов, то есть из особых, специфических полупроводников.

Сам основной резистивный элемент производится методом порошковой металлургии, при котором халькогениды, галогениды и оксиды некоторых металлов перерабатываются в различные формы, такие как диски или стержни разных размеров, большие площадки, трубки среднего размера, тонкие пластины, маленькие шарики, с размерами от микронов до десятков миллиметров.

Из-за характера зависимости сопротивления элемента от его температуры термисторы делятся на две большие группы – позисторы и термисторы. Позисторы имеют положительный TCR (по этой причине позисторы также называют термисторами PTC), а термисторы имеют отрицательный TCR (по этой причине их называют термисторами NTC).

Термистор – это термозависимый резистор, изготовленный из полупроводникового материала, который имеет отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность, а позистор – это термозависимый резистор с положительным коэффициентом. Таким образом, при повышении температуры тела позистора его сопротивление увеличивается, а при повышении температуры термистора его сопротивление, соответственно, уменьшается.

Материалами для современных термисторов служат: смеси поликристаллических оксидов переходных металлов, таких как кобальт, марганец, медь и никель, соединения типа AIIIBV, а также легированные стеклообразные полупроводники, такие как кремний и германий, и некоторые другие вещества. Заслуживают внимания позисторы на основе титаната бария.

Терморезисторы можно разделить на:

Низкий температурный класс (рабочая температура ниже 170 K);

Средний температурный класс (рабочая температура от 170 K до 510 K);

Высокотемпературный класс (рабочая температура 570 K и выше);

Отдельный высокотемпературный класс (рабочая температура от 900 K до 1300 K).

Все эти компоненты, как термисторы, так и позисторы, могут работать в различных условиях окружающей среды и при значительных физических внешних и токовых нагрузках. Однако в жестких условиях термоциклирования их первоначальные термоэлектрические свойства, такие как номинальное сопротивление при комнатной температуре и температурный коэффициент сопротивления, со временем изменяются.

Также встречаются комбинированные элементы, например, терморезисторы с косвенным нагревом. Корпус таких устройств содержит как сам термистор, так и гальванически изолированный нагревательный элемент, который задает начальную температуру термистора и, следовательно, его начальное электрическое сопротивление.

Эти устройства используются в качестве переменных резисторов, управляемых напряжением, подаваемым на нагревательный элемент термистора.

В зависимости от того, как выбрана рабочая точка на I-V кривой компонента, определяется и режим работы термистора в системе. А сама кривая I-V связана с особенностями конструкции и температурой, приложенной к корпусу компонента.

Для контроля изменения температуры и компенсации динамически изменяющихся параметров, таких как протекающий ток и приложенное напряжение в электрических цепях, которые изменяются при изменении температурных условий, используются термисторы с рабочей точкой, установленной на отрезке линии CVC.

Однако рабочая точка традиционно устанавливается на падающем сегменте CVC (термисторы NTC), если термистор используется, например, в качестве триггера, реле времени, в отслеживании и измерении интенсивности микроволн, в системах пожарной сигнализации, теплового контроля, системах управления потоками сыпучих и жидких веществ.

Наиболее популярными термисторами и среднетемпературными позисторами сегодня являются термисторы с TCS от -2,4 до -8,4 % на 1 К. Они работают в широком диапазоне сопротивлений от ома до мегаомма.

Существуют также некоторые ПТК на основе кремния с относительно низким удельным сопротивлением от 0,5% до 0,7% при 1 К. Их сопротивление изменяется почти линейно. Такие позисторы широко используются в системах стабилизации температуры и в системах активного охлаждения силовых полупроводниковых переключателей во многих современных электронных устройствах, особенно в устройствах высокой мощности. Эти компоненты легко устанавливаются в схемы и не занимают много места на плате.

Типичный позистор имеет форму керамического диска, иногда с несколькими последовательно установленными элементами в одном корпусе, но чаще в виде единой конструкции с защитным эмалевым покрытием. Благодаря своей неприхотливости и физической стабильности позисторы часто используются в качестве предохранителей для защиты электрических цепей от перенапряжений и сверхтоков, а также в качестве датчиков температуры и элементов автостабилизации.

Термисторы широко используются во многих электронных приложениях, особенно там, где важен точный контроль температурного процесса. Эти приложения включают оборудование для передачи данных, компьютерное оборудование, высокопроизводительные процессоры и точное промышленное оборудование.

Одним из самых простых и распространенных применений термистора является эффективное ограничение пускового тока. При подаче сетевого напряжения на источник питания конденсатор значительной емкости заряжается очень быстро, и в первичной цепи протекает большой зарядный ток, который может привести к перегоранию диодного моста.

Этот ток здесь ограничивается термистором, т.е. Этот элемент цепи изменяет свое сопротивление в зависимости от протекающего через него тока, поскольку, согласно закону Ома, он нагревается. Через несколько минут, охладившись до комнатной температуры, термистор восстанавливает свое первоначальное сопротивление.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Читайте далее: