Принцип работы термистора: Позистор: определение электронного элемента + схемы включения прибора

принцип действия, схемы и т.д.

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.

Термистор

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.

Мостовая схема с термистором

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.

Принцип работы датчиков температуры

Опубликовано 22.05.2016

Принцип работы

Термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления)

Термометр сопротивления (Resistance Thermometer) — датчик для измерения температуры, принцип действия которого
основан на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Термосопротивления могут быть металлические (платина, никель, медь) или полупроводниковые.

Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен — их сопротивление растёт с ростом температуры.
Для полупроводников без примесей он отрицателен — их сопротивление с ростом температуры падает.

Термисторы

Термисторы – это полупроводниковые термосопротивления с большим температурным коэффициентом.

• PTC-термисторы (Positive Temperature Coefficient), обладают свойством резко
  увеличивать свое сопротивление, когда достигнута заданная температура – широко используются для защиты двигателей
• NTC-термисторы (Negative Temperature Coefficient), обладают свойством резко
  уменьшать свое сопротивление при достижении заданной температуры

PT100, PT1000

Платиновые термометры сопротивления (Platinum Resistance Thermometers) обладают высокой стойкостью к
окислению и большой точностью измерения.

KTY

Кремниевые терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления, отличаются высокой линейностью характеристики,
высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Схемы включения термосопротивления в измерительную цепь

• 2-х проводная схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление присоединительных
  проводов суммируется с измеренным сопротивлением, что приводит к появлению дополнительной погрешности
• 3-х проводная схема обеспечивает значительно более точные измерения, т.к. появляется возможность измерить
  сопротивление подводящих проводов и вычесть его из суммарного измеренного сопротивления
• 4-х проводная схема — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов

Сравнение термометров сопротивления с термопарами

Преимущества:

• выше точность и стабильность
• можно исключить влияние сопротивления присоединительных проводов на результат измерения при использовании 3-х или
  4-х проводной схемы измерений
• практически линейная характеристика
• не требуется компенсация холодного спая

Недостатки:

• малый диапазон измерений
• не могут измерять высокую температуру.

Термопары

Термопара (Thermocouple) — это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения
температуры называется — рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем.
Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС),
пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения,
свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из
тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного
контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке
измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара.
При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного
термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Типы термопар

• K: хромель-алюмель
• J: железо-константан
• S, R: платина-платина/родий и др.

Термопары отличаются диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерений.

Преимущества термопар

• Большой температурный диапазон измерения
• Измерение высоких температур.

Недостатки

• Невысокая точность
• Необходимость вносить поправку на температуру холодного конца.

Термостаты

Термостат (Thermostat) – это регулятор, который поддерживает постоянную температуру воздуха или жидкости в
системах отопления, кондиционирования и охлаждения.

Терморезисторы принцип работы — Electrik-Ufa.ru

Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры

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 трехжильный кабель, 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:

Что такое термистор (терморезистор)

Термистор представляет собой резистивный термометр или резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Термин представляет собой комбинацию термо и резистор. Он изготовлен из оксидов металлов, спрессован в шарики, диски или цилиндрическую форму, а затем герметизирован непроницаемым материалом, таким как эпоксидная смола или стекло.

Существует два типа термисторов: отрицательный температурный коэффициент (NTC) и положительный температурный коэффициент (PTC). С термистором NTC, когда температура увеличивается, сопротивление уменьшается. И наоборот, когда температура снижается, сопротивление увеличивается. Этот тип термистора используется чаще всего.

Термистор PTC работает немного по-другому. Когда температура увеличивается, сопротивление увеличивается, а когда температура уменьшается, сопротивление уменьшается. Этот тип термистора обычно используется в качестве предохранителя. Огромный выбор терморезисторов вы можете посмотреть и приобрести на Алиэкспресс:

Как правило, термистор достигает высокой точности в ограниченном температурном диапазоне около 50ºC относительно целевой температуры. Этот диапазон зависит от базового сопротивления.

Термистор на схеме

Стрелка Т обозначает, что сопротивление является переменным в зависимости от температуры. Направление стрелки или полосы не имеет значения.

Термисторы просты в использовании, недороги, прочны и предсказуемо реагируют на изменения температуры. Хотя они не очень хорошо работают при чрезмерно высоких или низких температурах, они являются предпочтительным датчиком для применений, которые измеряют температуру в желаемой базовой точке. Они идеальны, когда требуются очень точные температуры.

Некоторые из наиболее распространенных применений термисторов используются в цифровых термометрах, в автомобилях для измерения температуры масла и охлаждающей жидкости, а также в бытовых приборах, таких как духовки и холодильники, но они также встречаются практически в любом приложении, где для обеспечения безопасности требуются защитные контуры отопления или охлаждения. Для более сложных приложений, таких как детекторы лазерной стабилизации, оптические блоки и устройства с зарядовой связью, встроен термистор. Например, термистор 10 кОм является стандартом, который встроен в лазерные пакеты.

История термистора

Майкл Фарадей — английский ученый впервые открыл понятие термисторов в 1833 году, сообщая о полупроводниковом поведении сульфида серебра. Благодаря своим исследованиям он заметил, что устойчивость к сульфидам серебра снижалась с повышением температуры. Это открытие впоследствии привело к коммерческому производству термисторов в 1930-х годах, когда Сэмюэль Рубен изобрел первый коммерческий термистор. С тех пор технология улучшилась; прокладывать дорогу к совершенствованию производственных процессов; наряду с доступностью более качественного материала.

Как работает термистор

Термистор на самом деле ничего не «читает», вместо этого сопротивление термистора меняется в зависимости от температуры. Степень изменения сопротивления зависит от типа материала, используемого в термисторе.

В отличие от других датчиков, термисторы являются нелинейными, то есть точки на графике, представляющие взаимосвязь между сопротивлением и температурой, не будут образовывать прямую линию. Расположение линии и степень ее изменения определяется конструкцией термистора. Типичный график термистора выглядит следующим образом:

Как изменение сопротивления преобразуется в измеримые данные, будет подробно рассмотрено ниже.

Разница между термистором и другими датчиками

В дополнение к термисторам используются несколько других типов датчиков температуры. Наиболее распространенными являются резистивные датчики температуры (RTD) и интегральные схемы (IC), такие как типы LM335 и AD590. Какой датчик лучше всего подходит для конкретного использования, зависит от многих факторов. В приведенной ниже таблице дано краткое сравнение преимуществ и недостатков каждого из них.

0.05° С

0.01° С

0.01° С

Температурный диапазон: приблизительный общий диапазон температур, в которых может использоваться тип датчика. В пределах заданного температурного диапазона некоторые датчики работают лучше, чем другие.

Относительная стоимость: относительная стоимость, поскольку эти датчики сравниваются друг с другом. Например, термисторы недороги по отношению к термометрам сопротивления, отчасти потому, что предпочтительным материалом для термопреобразователей сопротивления является платина.

Постоянная времени: приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое термистору требуется для достижения 63,2% разницы температур от начального показания до окончательного.

Стабильность: способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.

Чувствительность: степень реакции на изменение температуры.

Преимущества и недостатки NTC и PTC

Термисторы NTC прочны, надежны и стабильны, и они оборудованы для работы в экстремальных условиях окружающей среды и помехоустойчивости в большей степени, чем другие типы датчиков температуры.

• Компактный размер: варианты упаковки позволяют им работать в небольших или ограниченных пространствах; тем самым занимая меньше места на печатных платах.
• Быстрое время отклика: небольшие размеры позволяют быстро реагировать на изменение температуры, что важно, когда требуется немедленная обратная связь.
• Экономичность: термисторы не только дешевле, чем другие типы датчиков температуры; Если приобретенный термистор имеет правильную кривую RT, никакая другая калибровка не требуется во время установки или в течение срока ее эксплуатации.
• Совпадение точек: способность получить определенное сопротивление при определенной температуре.
• Соответствие кривой: сменные термисторы с точностью от + 0,1 ° C до + 0,2 ° C.

Какие типы и формы термистора доступны на рынке

Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа.

Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей. Термисторный чип обычно монтируется на печатной плате (PCB). Существует много, много разных форм термисторов, и некоторые примеры:

Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.

Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать

Термисторы классифицируются по величине сопротивления, измеренной при комнатной температуре окружающей среды, которая считается 25° C. Устройство, температуру которого необходимо поддерживать, имеет определенные технические характеристики для оптимального использования, как определено производителем. Они должны быть определены до выбора датчика. Поэтому важно знать следующее.

Каковы максимальные и минимальные температуры для устройства

Термисторы идеально подходят для измерения температуры в одной точке, которая находится в пределах 50 ° C от температуры окружающей среды. Если температура слишком высокая или низкая, термистор не будет работать. Хотя есть исключения, большинство термисторов работают лучше всего в диапазоне от -55 ° C до + 114 ° C.

Поскольку термисторы являются нелинейными, то есть значения температуры и сопротивления изображены на графике в виде кривой, а не прямой линии, очень высокие или очень низкие температуры регистрируются неправильно. Например, очень небольшие изменения при очень высоких температурах будут регистрировать незначительные изменения сопротивления, которые не приведут к точным изменениям напряжения.

Каков оптимальный диапазон термисторов

В зависимости от тока смещения от контроллера каждый термистор имеет оптимальный полезный диапазон, то есть диапазон температур, в котором небольшие изменения температуры точно регистрируются.

В таблице ниже приведены наиболее эффективные диапазоны температур для термисторов с длиной волны при двух наиболее распространенных токах смещения.

Лучше всего выбрать термистор, где заданная температура находится в середине диапазона. Чувствительность термистора зависит от температуры. Например, термистор может быть более чувствительным при более низких температурах, чем при более высоких температурах, как в случае с термистором TCS10K5 10 кОм длины волны. В TCS10K5 чувствительность составляет 162 мВ на градус Цельсия в диапазоне от 0 до 1° C, и 43 мВ / °C в диапазоне от 25 до 26 ° C, и 14 мВ ° C в диапазоне от 49 до 50 ° C. C.

Каковы верхний и нижний пределы напряжения на входе датчика регулятора температуры

Пределы напряжения обратной связи датчика к регулятору температуры устанавливаются производителем. В идеале следует выбрать комбинацию термистора и тока смещения, которая создает напряжение в пределах диапазона, разрешенного регулятором температуры.

Напряжение связано с сопротивлением по закону Ома. Это уравнение используется для определения того, какой ток смещения необходим. Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и для этого тока смещения записывается как:

Где:
V — напряжение, в вольтах (В)
I _BIAS — ток, в амперах или амперах (A)
I _BIAS — постоянный ток,
R — сопротивление, в Ом (Ом)

Контроллер генерирует ток смещения для преобразования сопротивления термистора в измеряемое напряжение. Контроллер принимает только определенный диапазон напряжения. Например, если диапазон контроллера составляет от 0 до 5 В, напряжение термистора должно быть не ниже 0,25 В, чтобы электрические помехи на нижнем конце не мешали считыванию, и не должно превышать 5 В для считывания.

Предположим, что используется вышеуказанный контроллер и термистор 100 кОм, такой как TCS651 длины волны, и температура, которую необходимо поддерживать устройству, составляет 20° C. Согласно спецификации TCS651, сопротивление составляет 126700 Ом при 20 ° C. Чтобы определить, может ли термистор работать с контроллером, нам нужно знать полезный диапазон токов смещения. Используя закон Ома, чтобы решить для I _BIAS , мы знаем следующее:

0,25 / 126700 = 2 мкА — нижний
предел диапазона 5,0 / 126700 = 39,5 мкА — верхний предел

Да, этот термистор будет работать, если ток смещения регулятора температуры можно установить в диапазоне от 2 мкА до 39,5 мкА.

При выборе термистора и тока смещения лучше всего выбрать тот, в котором развиваемое напряжение находится в середине диапазона. Входной сигнал обратной связи контроллера должен быть под напряжением, которое выводится из сопротивления термистора.

Поскольку люди наиболее легко относятся к температуре, сопротивление часто нужно менять на температуру. Наиболее точная модель, используемая для преобразования сопротивления термистора в температуру, называется уравнением Стейнхарта-Харта.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое терморезисторы и для чего они нужны

Устройство и виды

Терморезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от его температуры. В зависимости от типа элемента сопротивление может повышаться или падать при нагреве. Различают два вида терморезисторов:

• NTC (Negative Temperature Coefficient) – с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Часто их называют «Термисторы».
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – с положительным ТКС. Их также называют «Позисторы».

Важно! Температурный коэффициент электрического сопротивления – это зависимость сопротивления от температуры. Описывает, на сколько Ом или процентов от номинальной величины изменяется сопротивление элемента при повышении его температуры на 1 градус Цельсия. Например, у обычных резисторов положительный ТКС (при нагреве сопротивление проводников повышается).

Терморезисторы бывают низкотемпературными (до 170К), среднетемпературными (170-510К) и высокотемпературными (900-1300К). Корпус элемента может быть выполнен из пластика, стекла, металла или керамики.

Условное графическое обозначение терморезисторов на схеме напоминает обычные резисторы, а отличием является лишь то, что они перечеркнуты полосой и рядом указывается буква t.

Кстати, так обозначаются любые резисторы, сопротивление которых изменяется под воздействием окружающей среды, а род воздействующих величин и указывается буквой, t – температура.

• Номинальное сопротивление при 25 градусах Цельсия.
• Максимальный ток или мощность рассеяния.
• Интервал рабочих температур.
• ТКС.

Интересный факт: Терморезистор изобретен в 1930 году ученым Самюэлем Рубеном.

Давайте подробнее рассмотрим, как устроен и для чего нужен каждый из них.

Основные сведения

Сопротивление NTC-терморезисторов уменьшается при нагреве, их ТКС отрицательный. Зависимость сопротивления от температуры изображена на графике ниже.

Здесь вы можете убедиться, что при нагреве сопротивление NTC-терморезистора уменьшается.

Такие термисторы изготавливают из полупроводников. Принцип действия заключается в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация носителей зарядов, электроны переходят в зону проводимости. Кроме полупроводников используются оксиды переходных металлов.

Обратите внимание на такой параметр как бета-коэффициент. Учитывается при использовании терморезистора для измерения температуры, для усреднения графика сопротивления от температуры и проведения расчетов с помощью микроконтроллеров. Бета-уравнение для приближения кривой изменения сопротивления термистора вы видите ниже.

Интересно: в большинстве случаев термисторы используют в диапазоне температур 25-200 градусов Цельсия. Соответственно могут использоваться для измерений в этих диапазонах, в то время как термопары работают и при 600 градусах Цельсия.

Где используется

Терморезисторы с отрицательным ТКС часто используют для ограничения пусковых токов электродвигателей, пусковых реле, для защиты от перегрева литиевых аккумуляторов и в блоках питания для уменьшения зарядных токов входного фильтра (емкостного).

На схеме выше приведен пример использования термистора в блоке питания. Такое применение называется прямым нагревом (когда элемент сам разогревается при протекании тока через него). На плате блока питания NTC-резистор выглядит следующим образом.

На рисунке ниже вы видите, как выглядит NTC-терморезистор. Он может отличаться размерам, формой, а реже и цветом, самый распространенный – это зелёный, синий и черный.

Ограничение пускового тока электродвигателей с помощью NTC-термистора получило широкое распространение в бытовой технике благодаря простоте реализации. Известно, что при пуске двигателя он может потреблять ток в разы и десятки раз превышающий его номинальное потребление, особенно если двигатель пускается не в холостую, а под нагрузкой.

Принцип работы такой схемы:

Когда термистор холодный его сопротивление велико, мы включаем двигатель и ток в цепи ограничивается активным сопротивлением термистора. Постепенно происходит разогрев этого элемента и его сопротивление падает, а двигатель выходит на рабочий режим. Термистор подбирается таким образом, чтобы в горячем состоянии сопротивление было приближено к нулю. На фото ниже вы видите сгоревший терморезистор на плате мясорубки Zelmer, где и используется такое решение.

Недостаток этой конструкции состоит в том, что при повторном пуске, когда термистор еще не остыл – ограничения тока не происходит.

Есть не совсем привычное любительское применение терморезистора для защиты ламп накаливания. На схеме ниже изображен вариант ограничения всплеска тока при включении таких лампочек.

Если терморезистор используется для измерения температуры – такой режим работы называют косвенным нагревом, т.е. он нагревается от внешнего источника тепла.

Интересно: у терморезисторов нет полярности, так что их можно использовать как в цепях постоянного, так и переменного тока не опасаясь переполюсовки.

Маркировка

Терморезисторы могут маркироваться как буквенным способом, так и содержать цветовую маркировку в виде кругов, колец или полос. При этом различают множество способов буквенной маркировки – это зависит от производителя и типа конкретного элемента. Один из вариантов:

На практике, если он применяется для ограничения пускового тока чаще всего встречаются дисковые термисторы, которые маркируются так:

5D-20

Где первая цифра обозначает сопротивление при 25 градусах Цельсия – 5 Ом, а «20» — диаметр, чем он больше – тем большую мощность он может рассеять. Пример такого вы видите на рисунке ниже:

Для расшифровки цветовой маркировки можно воспользоваться таблицей, изображенной ниже.

Из-за обилия вариантов маркировки можно ошибиться в расшифровке, поэтому для точности расшифровки лучше искать техническую документацию к конкретному компоненту на сайте производителя.

Основные сведения

Позисторы, как было сказано, имеют положительный ТКС, то есть их сопротивление повышается при нагреве. Их изготавливают на основе титаната бария (BaTiO₃). У позистора такой график температуры и сопротивления:

Кроме этого нужно обратить внимание на его вольтамперную характеристику:

Рабочий режим зависит от выбора рабочей точки позистора на ВАХ, например:

• Линейный участок используется для измерения температуры;
• Нисходящий участок используется в пусковых реле, реле времени, измерения мощности ЭМИ на СВЧ, противопожарной сигнализации и прочего.

На видео ниже рассказывается, что такое позисторы:

Где применяется

Сфера применения позисторов достаточно широка. В основном они используются в схемах защиты оборудования и устройств от перегрева или перегрузки, реже для измерения температуры, а также в качестве автостабилизирующих нагревательного элемента. Кратко перечислим примеры использования:

1. Защиты электродвигателей. Устанавливаются в лобовой части каждой обмотки электродвигателя (для односкоростных трёхфазных 3, для двухскоростных 6 и т.д.), PTC-терморезистор предотвращает перегорание обмотки в случае заклинивания ротора или при выходе из строя системы принудительного охлаждения. Как работает эта схема? Позистор используется в качестве датчика, подключенного к управляющему устройству с исполнительными реле, пускателями и контакторами. В случае нештатной ситуации его сопротивление повышается и этот сигнал передаётся на управляющий орган, двигатель отключается.
2. Защиты обмоток трансформатора от перегрева и (или) перегрузки, тогда позистор устанавливается последовательно с первичной обмоткой.
3. Система размагничивания кинескопов ЭЛТ-телевизоров и мониторов. Кстати эта деталь часто выходит из строя и с этим случаем приходится сталкиваться при ремонте, характерен при этом выход из строя предохранителя.
4. Нагревательный элемент в клеевых пистолетах. В автомобилях для прогрева впускного тракта, на пример на фото ниже изображен подогреватель канала ХХ карбюратора Pierburg.

Терморезисторы – это группа устройств, способных преобразовать температуру в электрический сигнал, который считывают посредством измерения падения напряжения или силы тока в цепи, где он установлен. Или же они сами по себе могут являться регулирующим органом, если это позволяют сделать его параметры. Простота и доступность этих устройств позволяет их широко использовать как для профессионального конструирования приборов, так и для радиолюбительской практики.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором подробно рассказывается, что такое терморезистор, как он работает и где применяется:

Наверняка вы не знаете:

Терморезисторы

Обозначение на схеме, разновидности, применение

В электронике всегда приходится что-то измерять или оценивать. Например, температуру. С этой задачей успешно справляются терморезисторы – электронные компоненты на основе полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры.

Здесь я не буду расписывать теорию физических процессов, которые происходят в терморезисторах, а перейду ближе к практике – познакомлю читателя с обозначением терморезистора на схеме, его внешним видом, некоторыми разновидностями и их особенностями.

На принципиальных схемах терморезистор обозначается вот так.

В зависимости от сферы применения и типа терморезистора обозначение его на схеме может быть с небольшими отличиями. Но вы всегда его определите по характерной надписи t или t° .

Основная характеристика терморезистора – это его ТКС. ТКС – это температурный коэффициент сопротивления. Он показывает, на какую величину изменяется сопротивление терморезистора при изменении температуры на 1°С (1 градус Цельсия) или 1 градус по Кельвину.

У терморезисторов несколько важных параметров. Приводить я их не буду, это отдельный рассказ.

На фото показан терморезистор ММТ-4В (4,7 кОм). Если подключить его к мультиметру и нагреть, например, термофеном или жалом паяльника, то можно убедиться в том, что с ростом температуры его сопротивление падает.

Терморезисторы есть практически везде. Порой удивляешься тому, что раньше их не замечал, не обращал внимания. Давайте взглянем на плату от зарядного устройства ИКАР-506 и попробуем найти их.

Вот первый терморезистор. Так как он в корпусе SMD и имеет малые размеры, то запаян на небольшую плату и установлен на алюминиевый радиатор – контролирует температуру ключевых транзисторов.

Второй. Это так называемый NTC-термистор (JNR10S080L). О таких я ещё расскажу. Служит он для ограничения пускового тока. Забавно. Вроде терморезистор, а служит в качестве защитного элемента.

Почему то если заходит речь о терморезисторах, то обычно думают, что они служат для измерения и контроля температуры. Оказывается, они нашли применение и как устройства защиты.

Также терморезисторы устанавливаются в автомобильные усилители. Вот терморезистор в усилителе Supra SBD-A4240. Здесь он задействован в цепи защиты усилителя от перегрева.

Вот ещё пример. Это литий-ионный аккумулятор DCB-145 от шуруповёрта DeWalt. Вернее, его “потроха”. Для контроля температуры аккумуляторных ячеек применён измерительный терморезистор.

Его почти не видно. Он залит силиконовым герметиком. Когда аккумулятор собран, то этот терморезистор плотно прилегает к одной из Li-ion ячеек аккумулятора.

Прямой и косвенный нагрев.

По способу нагрева терморезисторы делят на две группы:

Прямой нагрев. Это когда терморезистор нагревается внешним окружающим воздухом или током, который протекает непосредственно через сам терморезистор. Терморезисторы с прямым нагревом, как правило, используются либо для измерения температуры, либо температурной компенсации. Такие терморезисторы можно встретить в термометрах, термостатах, зарядных устройствах (например, для Li-ion батарей шуруповёртов).

Косвенный нагрев. Это когда терморезистор нагревается рядом расположенным нагревательным элементом. При этом он сам и нагревательный элемент электрически не связаны друг с другом. В таком случае, сопротивление терморезистора определяется функцией тока, протекающего через нагревательный элемент, а не через терморезистор. Терморезисторы с косвенным нагревом являются комбинированными приборами.

NTC-термисторы и позисторы.

По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа:

PTC-термисторы (они же позисторы).

Давайте разберёмся, какая между ними разница.

NTC-термисторы.

Своё название NTC-термисторы получили от сокращения NTC – Negative Temperature Coefficient, или “Отрицательный Коэффициент Сопротивления”. Особенность данных термисторов в том, что при нагреве их сопротивление уменьшается. Кстати, вот так обозначается NTC-термистор на схеме.

Обозначение термистора на схеме

Как видим, стрелки на обозначении разнонаправлены, что указывает на основное свойство NTC-термистора: температура увеличивается (стрелка вверх), сопротивление падает (стрелка вниз). И наоборот.

На практике встретить NTC-термистор можно в любом импульсном блоке питания. Например, такой термистор можно обнаружить в блоке питания компьютера. Мы уже видели NTC-термистор на плате ИКАР’а, только там он был серо-зелёного цвета.

На этом фото NTC-термистор фирмы EPCOS. Применяется для ограничения пускового тока.

Для NTC-термисторов, как правило, указывается его сопротивление при 25°С (для данного термистора это 8 Ом) и максимальный рабочий ток. Обычно это несколько ампер.

Данный NTC-термистор устанавливается последовательно, на входе сетевого напряжения 220V. Взгляните на схему.

Так как он включен последовательно с нагрузкой, то весь потребляемый ток протекает через него. NTC-термистор ограничивает пусковой ток, который возникает из-за заряда электролитических конденсаторов (на схеме С1). Бросок зарядного тока может привести к пробою диодов в выпрямителе (диодный мост на VD1 – VD4).

При каждом включении блока питания конденсатор начинает заряжаться, а через NTC-термистор начинает протекать ток. Сопротивление NTC-термистора при этом велико, так как он ещё не успел нагреться. Протекая через NTC-термистор, ток разогревает его. После этого сопротивление термистора уменьшается, и он практически не препятствует протеканию тока, потребляемого прибором. Таким образом, за счёт NTC-термистора удаётся обеспечить “плавный запуск” электроприбора и уберечь от пробоя диоды выпрямителя.

Понятно, что пока импульсный блок питания включен, NTC-термистор находится в “подогретом” состоянии.

Если в схеме происходит выход из строя каких-либо элементов, то, обычно резко возрастает и потребляемый ток. При этом нередки случаи, когда NTC-термистор служит своего рода дополнительным предохранителем и также выходят из строя из-за превышения максимального рабочего тока.

Далее на фото наглядный пример – сгоревший NTC-термистор 5D-11, который был установлен в зарядном устройстве ИКАР-506. Он ограничивал пусковой ток при включении.

Выход из строя ключевых транзисторов в блоке питания зарядного устройства привел к превышению максимального рабочего тока этого термистора (max 4A) и он сгорел.

Позисторы. PTC-термисторы.

Термисторы, сопротивление которых при нагреве растёт, называют позисторами. Они же PTC-термисторы (PTC – Positive Temperature Coefficient, “Положительный Коэффициент Сопротивления”).

Стоит отметить, что позисторы получили менее широкое распространение, чем NTC-термисторы.

Условное обозначение позистора на схеме.

Позисторы легко обнаружить на плате любого цветного CRT-телевизора (с кинескопом). Там он установлен в цепи размагничивания. В природе встречаются как двухвыводные позисторы, так и трёхвыводные.

На фото представитель двухвыводного позистора, который применяется в цепи размагничивания кинескопа.

Внутри корпуса между выводами-пружинами установлено рабочее тело позистора. По сути это и есть сам позистор. Внешне выглядит как таблетка с напылением контактного слоя по бокам.

Как я уже говорил, позисторы используются для размагничивания кинескопа, а точнее его маски. Из-за магнитного поля Земли или влияния внешних магнитов маска намагничивается, и цветное изображение на экране кинескопа искажается, появляются пятна.

Наверное, каждый помнит характерный звук “бдзынь”, когда включается телевизор – это и есть тот момент, когда работает петля размагничивания.

Кроме двухвыводных позисторов широко применяются трёхвыводные позисторы. Вот такие.

Далее на фото трёхвыводный позистор СТ-15-3.

Отличие их от двухвыводных заключается в том, что они состоят из двух позисторов-“таблеток”, которые установлены в одном корпусе. На вид эти “таблетки” абсолютно одинаковые. Но это не так. Кроме того, что одна таблетка чуть меньше другой, так ещё и сопротивление их в холодном состоянии (при комнатной температуре) разное. У одной таблетки сопротивление около 1,3

3,6 кОм, а у другой всего лишь 18

Трёхвыводные позисторы также применяются в цепи размагничивания кинескопа, как и двухвыводные, но только схема их включения немного иная. Если вдруг позистор выходит из строя, а такое бывает довольно часто, то на экране телевизора появляются пятна с неестественным отображением цвета.

Более детально о применении позисторов в цепи размагничивания кинескопов я уже рассказывал здесь.

Так же, как и NTC-термисторы, позисторы используются в качестве устройств защиты. Одна из разновидностей позистора – это самовосстанавливающийся предохранитель.

SMD-терморезисторы.

С активным внедрением SMT-монтажа, производители стали выпускать миниатюрные терморезисторы, адаптированные и под него. Размеры их корпуса, как правило, соответствуют стандартным типоразмерам (0402, 0603, 0805, 1206), которые имеют чип резисторы и конденсаторы. Маркировка на них не наносится, что затрудняет их идентификацию. По внешнему виду SMD-терморезисторы очень похожи на керамические SMD-конденсаторы.

Встроенные терморезисторы.

В электронике активно применяются и встроенные терморезисторы. Если у вас паяльная станция с контролем температуры жала, то в нагревательный элемент встроен тонкоплёночный терморезистор. Также терморезисторы встраиваются и в фен термовоздушных паяльных станций, но там он является отдельным элементом.

Стоит отметить, что в электронике наряду с терморезисторами активно применяются термопредохранители и термореле (например, типа KSD), которые также легко обнаружить в электронных приборах.

Теперь, когда мы познакомились с терморезисторами, пора узнать об их параметрах.

Терморезистор

Большинство промышленных сфер требует измерения множества параметров на производстве. Чем сложнее технологические процессы, тем точнее должны быть показания. Один из самых требовательных к точности параметров – температура. Для ее точных замеров используют специальный прибор – терморезистор.

Простой принцип работы позволяет создавать термопреобразователи сопротивления (научное название устройства) различных габаритов и форм. В зависимости от области применения и материала, датчики могут иметь различную форму и соответствующий тип: стержневой, трубчатый, дисковой или бусинковый. Особых ограничений нет, поэтому на каждой отрасли существуют свои стандарты датчиков.

Принцип действия

Терморезисторы – это датчики, работа которых зависит от двух показателей: температуры и сопротивления. Второй параметр меняется в зависимости от значений первого, при достижении необходимой отметки происходит срабатывание. Существует четыре разновидности терморезисторов:

• низкотемпературные – для работы при значениях менее 170 К;
• для средних температур – от 170 до 510 К;
• для высоких – работают в диапазоне от 510 до 900 К;
• особый класс – до 1300 К.

Обратите внимание! Для обозначения температуры в рабочем диапазоне терморезистора используют Кельвин, а не градус Цельсия. Это связано с уравнением Стейнхарта-Харта, где в расчетах по формуле учитываются абсолютная температура и сопротивление.

Наиболее точные терморезисторы могут использоваться в качестве эталонов – точность реагирования у них доходит до долей градуса. Помимо температурного режима, приборы отличаются по способу нагрева.

Прямой и косвенный нагрев

Существует два типа устройств:

1. Прямого нагрева – реагируют на температуру окружающей среды либо на проходящий через деталь ток. Их большинство, применяются они повсеместно.
2. Косвенного нагрева – комбинированные приборы. Представляют собой терморезистор, температуру которого задает отдельный изолированный нагревательный элемент. Ток в этом случае проходит через него, а не через сам датчик.

Дальнейшее разделение основано на различиях в конструкции и материалах изготовления.

Особенности конструкций

Классификация основывается на ключевом параметре – температурном коэффициенте сопротивления (ТКС), который есть у любого проводника или полупроводника. Он указывает, на какую величину изменяется Ом за каждый градус. В зависимости от материала изготовления ТКС может быть положительным или отрицательным.

Позисторы

Позистор – что это такое, объясняет параметр ТКС. Резистор с положительным значением называется позистором (PTC). Основой для изготовления служит металл. Самыми высокими показателями термосопротивления при инертности к внешним воздействиям обладают медь и платина.

Особенности:

1. Медные терморезисторы стоят дешевле, но применяются только при работе с температурами до 180 градусов. У них низкая устойчивость к агрессивной среде и быстрая окисляемость.
2. Платиновые – работают до 1100 градусов, однако наиболее точные результаты показывают при верхней границе в 650. Недостаток – дороговизна.

Часто можно встретить вопрос: что такое позисторы ТСМ и ТСП. Ответом служит последняя буква, указывающая на основу: медь либо платину.

Основное назначение позистора – предохранитель для защиты элементов цепи. Используется последовательное подключение. Область их применения ограничена из-за малой скорости быстродействия.

Термисторы

Гораздо чаще применят более чувствительные и недорогие приборы – термисторы. У терморезистора NTC отрицательный ТКС (с ростом температуры сопротивление уменьшается). При создании применяют полупроводниковые составы на основе окислов марганца, меди и кобальта. По сравнению с позисторами, такие устройства более долговечны, надежны, имеют стабильную линейность при работе до 200 градусов.

Недостаток – невозможность массового изготовления терморезисторов с идентичными характеристиками. Параметры могут отличаться даже у приборов из одной партии, из-за чего приходится повторно регулировать оборудование. Схема монтажа термисторов – мостовая.

Технические характеристики

Каждое устройство обладает набором параметров, на которые нужно обращать внимание при выборе:

1. Номинальное сопротивление. Это значение, полученное при фиксированной температуре (стандарт – 20 градусов).
2. ТКС – обратимое изменение сопротивления на каждый градус.
3. Максимальная мощность рассеяния. Иногда называют просто мощностью резистора. Показывает предельное значение, которое рассеивает ТР без необратимых последствий. Показатель актуален только в условиях соблюдения температурного режима.
4. Температурная чувствительность. Определяется в определенном диапазоне и зависит от свойств полупроводникового материала.

Эти значения нужно учитывать для приборов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Отрицательный коэффициент ТКС

Дело в том, что зависимость сопротивления от температуры у термисторов экспоненциальная. При этом номинальное сопротивление отдельного ТР может изменяться в больших пределах. Расчеты параметров полупроводниковых приборов сложнее – у позисторов принцип работы основан на линейной зависимости.

Область применения

Использование устройств зависит от их стоимости и точности измерений. Более дорогие позисторы применяют в сложных производствах, а также в качестве предохранителей. Например, их подключают к исполнительному реле, в случае нагрева схема отключается. Термисторы гораздо доступнее, что позволяет находить им широкое применение в быту.

Термодатчик воздуха

При правильной калибровке NTC резистор может использоваться для проверки нагрева окружающей воздушной среды. В этом случае точность измерений, как на производстве, не требуется – достаточно регулировки с шагом в 1 градус Цельсия.

Автомобильный термодатчик

Популярный способ применения – защита двигателя авто от перегрева. ТР соединяют с реле, которое отключает двигатель при угрозе перегрева. При достаточных знаниях можно подключить устройство к бортовому компьютеру для отображения температуры на дисплее.

Датчик пожара

Из терморезистора и биметаллических элементов пускателя можно создать конструкцию, аналогичную пожарной сигнализации. Для этого подойдут простые бусинковые ТР. Также датчик может работать, если нужно исключить срабатывания на дым, например, сигаретный.

Термистор как регулятор пускового тока

Есть ряд приборов, которые подвержены чрезмерным токам при первом запуске: лампы, двигатели и трансформаторы. Для их ограничения в цепь встраивается термистор. Вместо резких скачков осуществляется регулировка тока по нагрузке, по мере нагревания термистора и уменьшения сопротивления.

Алмаз и родственные материалы – особые терморезисторы

На рынке терморезисторов есть особый класс устройств – на основе монокристаллов алмаза, композитов и углеродных пленок. Они обладают сразу несколькими преимуществами:

• работоспособность при температурах до 1000 градусов;
• чрезвычайно высокая устойчивость к агрессивным воздействиям;
• высокая твердость при низкой инерционности.

У таких приборов есть особая маркировка – ТРА. Выпускают их без корпуса либо в стеклянной оболочке.

Чем можно заменить

Менять терморезистор лучше всего на аналогичный, сверяясь со справочником или технической документацией. Однако при наличии опыта и знаний об устройстве того или иного аппарата можно заменить ТР на обычный проволочный резистор. Следует проверить:

• условия срабатывания реле – по времени или напряжению;
• изменение времени выхода на рабочий режим;
• необходимость последовательного соединения сразу нескольких резисторов.

Важно понимать, какие функции выполнял ТР. В некоторых случаях замена окажется нецелесообразной либо невозможной.

Терморезисторы – необходимый элемент для функционирования современной электротехники. Это точный и эффективный датчик, позволяющий контролировать работу устройств во многих сферах. Его применяют уже более 90 лет, заменить его в ближайшее время удастся с малой вероятностью.

Видео

Термистор — это… Что такое Термистор?

Датчик температуры на основе термистора

Символ терморезистора, используемый в схемах

Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) для позистора.

Зависимость сопротивления Термистора от температуры. 1:для R0

Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно зависит от температуры.
Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

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.

Термистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.

Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных полупроводников и других материалов.

Различают терморезисторы 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—10⁶ Ом.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро-магнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой.
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.

Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO₃. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5—0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

Стоит отметить, что график изображённый на рисунке «Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) для позистора.» некорректен, так как неправильно расположены оси — нужно поменять их местами. Для получения ВАХ термистора график необходимо повернуть влево на 90 градусов и инвертировать по вертикали.

Литература

• Шефтель И Т., Терморезисторы
• Мэклин Э. Д., Терморезисторы
• Шашков А. Г., Терморезисторы и их применение
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов — 4-е перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — С. 401-407. — 479 с. — 50 000 экз.

См. также

Категории:

• Полупроводниковые приборы
• Электронные компоненты
• Датчики

Wikimedia Foundation.
2010.

это… Определение, принцип работы и обозначения

Технологии

17 мая 2018

Термистор — это прибор, предназначенный для измерения температуры, и состоящий из полупроводникового материала, который при небольшом изменении температуры сильно изменяет свое сопротивление. Как правило, термисторы имеют отрицательные температурные коэффициенты, то есть их сопротивление падает с увеличением температуры.

Общая характеристика термистора

Слово «термистор» — это сокращение от его полного термина: термически чувствительный резистор. Этот прибор является точным и удобным в использовании сенсором любых температурных изменений. В общем случае существует два типа термисторов: с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным. Чаще всего для измерения температуры используют именно первый тип.

Обозначение термистора в электрической цепи приведено на фото.

Материалом термисторов являются оксиды металлов, обладающие полупроводниковыми свойствами. При производстве этим приборам придают следующую форму:

1. дискообразную;
2. стержневую;
3. сферическую подобно жемчужине.

В основу работы термистора принцип сильного изменения сопротивления при небольшом изменении температуры положен. При этом при данной силе тока в цепи и постоянной температуре сохраняется постоянное напряжение.

Чтобы воспользоваться прибором, его подсоединяют в электрическую цепь, например, к мосту Уитстона, и измеряют силу тока и напряжение на приборе. По простому закону Ома R=U/I определяют сопротивление. Далее смотрят на кривую зависимости сопротивления от температуры, по которой точно можно сказать, какой температуре соответствует полученное сопротивление. При изменении температуры величина сопротивления резко изменяется, что обуславливает возможность определения температуры с высокой точностью.

Материал термисторов

Материал подавляющего большинства термисторов — это полупроводниковая керамика. Процесс ее изготовления заключается в спекании порошков нитридов и оксидов металлов при высоких температурах. В итоге получается материал, состав оксидов которого имеет общую формулу (AB)₃O₄ или (ABC)₃O₄, где A, B, C — металлические химические элементы. Чаще всего используют марганец и никель.

Если предполагается, что термистор будет работать при температурах меньших, чем 250 °С, тогда в состав керамики включают магний, кобальт и никель. Керамика такого состава показывает стабильность физических свойств в указанном температурном диапазоне.

Важной характеристикой термисторов является их удельная проводимость (обратная сопротивлению величина). Проводимость регулируется добавлением в состав полупроводниковой керамики небольших концентраций лития и натрия.

Процесс изготовления приборов

Сферические термисторы изготавливаются путем нанесения их на две проволоки из платины при высокой температуре (1100 °С). После этого проволока режется для придания необходимой формы контактам термистора. Для герметизации на сферический прибор наносится стеклянное покрытие.

В случае же дисковых термисторов, процесс изготовления контактов заключается в нанесении на них металлического сплава из платины, палладия и серебра, и его последующая припайка к покрытию термистора.

Отличие от платиновых детекторов

Помимо полупроводниковых термисторов, существует другой тип детекторов температуры, рабочим материалом которых является платина. Эти детекторы изменяют свое сопротивление при изменении температуры по линейному закону. Для термисторов же эта зависимость физических величин носит совершенно иной характер.

Преимуществами термисторов в сравнении с платиновыми аналогами являются следующие:

• Более высокая чувствительность сопротивления при изменении температуры во всем рабочем диапазоне величин.
• Высокий уровень стабильности прибора и повторяемости полученных показаний.
• Маленький размер, который позволяет быстро реагировать на температурные изменения.

Сопротивление термисторов

Эта физическая величина уменьшает свое значение при увеличении температуры, при этом важно учитывать рабочий температурный диапазон. Для температурных пределов от -55 °C до +70 °C применяют термисторы с сопротивлением 2200 — 10000 Ом. Для более высоких температур используют приборы с сопротивлением, превышающим 10 кОм.

В отличие от платиновых детекторов и термопар, термисторы не имеют определенных стандартов кривых сопротивления в зависимости от температуры, и существует широкое разнообразие выбора этих кривых. Это связано с тем, что каждый материал термистора, как датчика температуры, обладает собственным ходом кривой сопротивления.

Стабильность и точность

Эти приборы являются химически стабильными и не ухудшают свои рабочие характеристики со временем. Термисторы-датчики являются одними из самых точных приборов по измерению температуры. Точность их измерений во всем рабочем диапазоне составляет 0,1 — 0,2 °C. Следует иметь в виду, что большинство приборов работает в температурном диапазоне от 0 °C до 100 °C.

Основные параметры термисторов

Следующие физические параметры являются основными для каждого типа термисторов (приводится расшифровка наименований на английском языке):

• R₂₅ — сопротивление прибора в Омах при комнатной температуре (25 °С ). Проверить эту характеристику термистора просто с использованием мультиметра.
• Tolerance of R₂₅ — величина допуска отклонения сопротивления на приборе от его установленного значения при температуре 25 °С. Как правило, эта величина не превышает 20% от R₂₅.
• Max. Steady State Current — максимальное значение силы тока в Амперах, которое в течение продолжительного времени может протекать через прибор. Превышение этого значения грозит быстрым падением сопротивления и, как следствие, выходом термистора из строя.
• Approx. R of Max. Current — эта величина показывает значение сопротивления в Омах, которое приобретает прибор при прохождении через него тока максимальной величины. Это значение должно быть на 1-2 порядка меньше, чем сопротивление термистора при комнатной температуре.
• Dissip. Coef. — коэффициент, который показывает температурную чувствительность прибора к поглощаемой им мощности. Этот коэффициент показывает величину мощности в мВт, которую необходимо поглотить термистору, чтобы его температура увеличилась на 1 °C. Эта величина имеет важное значение, поскольку показывает, какую мощность нужно затратить, чтобы разогреть прибор до его рабочих температур.
• Thermal Time Constant. Если термистор используется в качестве ограничителя пускового тока, то важно знать, за какое время он сможет остыть после выключения питания, чтобы быть готовым к новому его включению. Так как температура термистора после его выключения спадает согласно экспоненциальному закону, то вводят понятие «Thermal Time Constant» — время, за которое температура прибора уменьшится на 63,2% от величины разности рабочей температуры прибора и температуры окружающей среды.
• Max. Load Capacitance in μF — величина емкости в микрофарадах, которую можно разряжать через данный прибор без его повреждения. Данная величина указывается для конкретного напряжения, например, 220 В.

Как проверить термистор на работоспособность?

Для грубой проверки термистора на его исправность можно воспользоваться мультиметром и обычным паяльником.

Первым делом следует включить на мультиметре режим измерения сопротивления и подключить выходные контакты термистора к клеммам мультиметра. При этом полярность не имеет никакого значения. Мультиметр покажет определенное сопротивление в Омах, его следует записать.

Затем нужно включить в сеть паяльник и поднести его к одному из выходов термистора. Следует быть осторожным, чтобы не сжечь прибор. Во время этого процесса следует наблюдать за показаниями мультиметра, он должен показывать плавно спадающее сопротивление, которое быстро установится на каком-то минимальном значении. Минимальное значение зависит от типа термистора и температуры паяльника, обычно, оно в несколько раз меньше измеренной в начале величины. В этом случае можно быть уверенным в исправности термистора.

Если сопротивление на мультиметре не изменилось или, наоборот, резко упало, тогда прибор является непригодным для его использования.

Заметим, что данная проверка является грубой. Для точного тестирования прибора необходимо измерять два показателя: его температуру и соответствующее сопротивление, а потом сравнивать эти величины с теми, что заявил производитель.

Области применения

Во всех областях электроники, в которых важно следить за температурными режимами, применяются термисторы. К таким областям относятся компьютеры, высокоточное оборудование промышленных установок и приборы для передачи различных данных. Так, термистор принтера 3D используется в качестве датчика, который контролирует температуру нагревательного стола либо головки для печати.

Одним из широко распространенных применений термистора является ограничение пускового тока, например, при включении компьютера. Дело в том, что в момент включения питания пусковой конденсатор, имеющий большую емкость, разряжается, создавая огромную силу тока во всей цепи. Этот ток способен сжечь всю микросхему, поэтому в цепь включают термистор.

Этот прибор на момент включения имел комнатную температуру и огромное сопротивление. Такое сопротивление позволяет эффективно снизить скачок силы тока в момент пуска. Далее прибор нагревается из-за проходящего по нему тока и выделения тепла, и его сопротивление резко уменьшается. Калибровка термистора такова, что рабочая температура компьютерной микросхемы приводит к практическому занулению сопротивления термистора, и падения напряжения на нем не происходит. После выключения компьютера, термистор быстро остывает и восстанавливает свое сопротивление.

Таким образом, использование термистора для ограничения пускового тока является рентабельным и достаточно простым.

Примеры термисторов

В настоящее время в продаже имеется широкий ассортимент товаров, приведем характеристики и области использования некоторых из них:

• Термистор B57045-K с гаечным креплением, имеет номинальное сопротивление 1 кОм с допуском 10%. Используется в качестве датчика измерения температуры в бытовой и автомобильной электроники.
• Дисковый прибор B57153-S, обладает максимально допустимым током 1,8 А при сопротивлении 15 Ом при комнатной температуре. Используется в качестве ограничителя пускового тока.

Источник: fb.ru

Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos — Компоненты и технологии

Статья посвящена исследованию работы терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, рассмотрению преимуществ и недостатков применения термисторов, принципам построения систем измерения и контроля температуры, а также факторам, влияющим на работу термисторов в качестве датчиков температуры, и снижению погрешности измерительной системы.

Потребность измерения температуры и управления ей возникает во многих сферах деятельности человека. А основными требованиями к результатам измерения и управления, как всегда, оказываются скорость и точность, независимо от того, где используется прибор — в быту или в промышленности. В основе любого измерения, в том числе и температуры, положен датчик, и как первостепенный элемент он определяет технико-экономические показатели системы контроля в целом. Применение того или иного вида термочувствительного элемента опять же зависит от требований, предъявляемых к системе в целом, и не говорит о полном преимуществе одного датчика над другими. Для промышленного применения, как правило, используются термопары или резистивные термопреобразователи, выполненные в виде законченных устройств. Непригодность этих термочувствитеьных элементов для повсеместного использования объясняется высокой ценой применяемых материалов и невозможностью удаленного контроля из-за сравнительно маленьких величин выходных параметров, которые сильно подвержены влиянию внешних факторов. Все большее применение находят датчики интегрального исполнения, имеющие низкую нелинейность выходной характеристики от температуры и достаточно малую стоимость, но именно интегральное исполнение является «ахиллесовой пятой» этих элементов ввиду ограниченности рабочего температурного диапазона. Другое дело — терморезисторы с отрицательным ТКС (отрицательный температурный коэффициент сопротивления, или NTC — Negative Temperature Coefficient) — они имеют достаточно большой диапазон рабочих температур, возможность удаленного мониторинга, действуют в сильных магнитных полях. Но есть недостатки, такие как сложная повторяемость экземпляров и сильная нелинейность температурной характеристики, что в свою очередь усложняет и повышает стоимость всего изделия. Так было до прихода микроконтроллеров, на «плечи» которых и будет возложена конечная задача по линеаризации и математической обработке температурной характеристики.

Основные параметры и характеристика NTC-термисторов

В рабочем диапазоне температур зависимость сопротивления терморезистора от температуры достаточно точно описывается выражением [1]:

где R — сопротивление рабочего тела терморезистора при данной температуре Т, Ом; R_N — номинальное сопротивление терморезистора при температуре Т_N, Ом; Т, Т_N — температура, К; В — коэффициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора (паспортные данные).

Любой NTC-терморезистор кроме температурной характеристики описывается рядом параметров, без которых невозможно полное представление о работе данного типа термодатчиков. Далее приводятся определения основных параметров.

Материал, из которого изготовлен термистор, сохраняет свои свойства при температурах, не выходящих за рамки определенного диапазона, который называют допустимой температурой. При температурах, выходящих за эти пределы, в сенсоре могут произойти необратимые изменения, и он выйдет из строя.

Значение коэффициента В определяется материалом датчика и представляет собой наклон характеристики R/T. В уравнении (1) значение коэффициента В определено двумя точками характеристики R/T (R_T, T) и (R_N, T_N), исходя из этого:

Терморезистор, имея номинальное значение сопротивления при определенной температуре, как и любой резистор, может иметь отклонение ΔR/R_N (допуск), обусловленное технологией изготовления. Этот параметр дается производителем на одну точку (обычно 25 °С). Однако когда требуется высокая точность измерений в широком диапазоне температур, допуск может быть указан производителем не на сопротивление, а на температуру в гарантированном диапазоне ΔT. Соответственно, такой термистор будет измерять другие значения температур с тем же самым отклонением (точностью).

Температурный коэффициент α выражает в процентах изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1°. Вследствие нелинейности температурной характеристики значение температурного коэффициента зависит от величины температуры, поэтому его записывают обычно с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Например, α₂₉₃ — температурный коэффициент термистора при температуре 293. Вычисляют температурный коэффициент по формуле, вытекающей из его определения и выражения температурной характеристики:

Сопротивление при нулевой мощности измерения — это значение сопротивления термистора, измеренное при определенной температуре под электрической нагрузкой, настолько маленькой, что она практически не оказывает влияния на результат измерения. Если же измерительный ток будет высоким или же сопротивление термистора будет иметь низкое значение, результат измерений будет искажен из явления саморазогрева, что должно быть принято во внимание. Явление саморазогрева зависит не только от электрической нагрузки, но и от теплового коэффициента рассеяния δ_th и геометрических размеров датчика. Оно описывается следующим выражением:

где P — приложенная электрическая мощность, мВт; U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе, В; I — мгновенное значение тока, протекающего через терморезистор, мА; Т — мгновенная температура терморезистора, К; Т_А — температура окружающей среды, К; С_th — теплоемкость терморезистора, мДж/К; dT/dt — изменение температуры во времени, К/с.

Если постоянная электрическая мощность будет приложена к терморезистору, то его температура сначала незначительно увеличится, но это изменение со временем будет снижаться. А после некоторого временного промежутка будет достигнуто устойчивое состояние, при котором приложенная мощность рассеется за счет эффекта теплопроводности или конвекции. Если принять dT/dt равным нулю, а U = R×I, где R — сопротивление терморезистора, соответствующее его температуре, то получим:

Полученные формулы являются параметрическим представлением вольт-амперной характеристики с зависимостью сопротивления терморезистора от температуры R(T). Очевидным является и то, что вольт-амперная характеристика зависит от коэффициента рассеяния, который, в свою очередь, зависит от геометрических размеров датчика и среды, в которую он помещен.

Максимально допустимый ток — ток, при протекании которого через терморезистор температура последнего равна максимально допустимой. Величина допустимого тока зависит от температуры среды и ее характера. При одинаковой температуре двух сред допустимый ток будет больше в той среде, которая обладает большей теплопроводностью. Соответственно, коэффициент рассеяния, зависящий от параметров среды, определяет максимально допустимую мощность, рассеиваемую датчиком, помещенным в такую среду:

Коэффициент рассеяния определяется как отношение изменения в рассеиваемой энергии к изменению температуры терморезистора. В численном виде выражается в мВт/К и служит мерой нагрузки, которая вызывает изменение температуры терморезистора на 1 К в установившемся состоянии окружающей среды:

Для определения коэффициента рассеяния к терморезистору прикладывают нагрузку, при которой соотношение U/I соответствует значению сопротивления, измеренному при температуре Т = 85 °С:

где Т — температура тела терморезистора, °С; Т_А — температура окружающей среды, °С.

Теплоемкость С_th — количество тепла, которое надо сообщить терморезистору, чтобы повысить температуру рабочего тела на один градус. Величина теплоемкости является функцией температуры, однако при температурах, не превышающих допустимой, можно принять ее постоянной и вычислять по формуле:

где τ_С — тепловая постоянная времени охлаждения, с.

Постоянная времени τ_С — время, в течение которого температура рабочего тела при его свободном охлаждении понижается на 63,2% от первоначальной разности температур рабочего тела и окружающей среды. Как правило, температура, до которой нагревают терморезистор, равна 85 °С, а температура среды, в которую помещают терморезистор для охлаждения, берется равной 25 °С. Соответственно, охлаждение рабочего тела терморезистора происходит тем быстрее, чем меньше его геометрические размеры.

Как и у любого радиоэлемента, материал, из которого изготовлен терморезистор, подвержен необратимому изменению характеристик (у терморезисторов это увеличение сопротивления и изменение коэффициента В). Это происходит из-за теплового перенапряжения, приводящего к дефектам кристаллической решетки, окисления незащищенных частей терморезистора, связанного с повреждением корпуса датчика, или из-за диффузии в контактных поверхностях металлизированного покрытия электродов. При низких температурах эти процессы происходят медленно, но на высоких температурах ускоряются, а со временем снижаются. Поэтому для увеличения временной стабильности параметров и уменьшения влияния изменения характеристик многие производители умышленно подвергают терморезисторы процессу старения непосредственно после изготовления.

Обзор NTC-термисторов компании Epcos

Термисторы компании Epcos изготавливаются из тщательного отобранного и протестированного сырья. Основой для изготовления служат оксиды металлов, таких как марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк. Оксиды первоначально измельчаются до порошкообразной массы, смешиваются с пластиковыми связующими элементами и сжимаются до нужной формы. Затем их плавят для получения поликристаллического корпуса термистора. После определенного этапа тестирования термисторы подвергаются старению для получения необходимой стабильности параметров.

Компания Epcos выпускает достаточно большой ряд терморезисторов, с которым можно ознакомиться в специальном документе по выбору Selector Guide [2]. В рамках же данной статьи мы рассмотрим лишь прецизионные малогабаритные датчики (табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики NTC-термисторов Epcos

Как говорилось ранее, выбор того или иного термопреобразователя чаще всего обусловлен требованиями к разрабатываемой системе контроля, поэтому основными параметрами, на которые опирается разработчик, оказываются рабочий температурный диапазон, массо-габаритные показатели, допуск на номинальное сопротивление, постоянная времени и стоимость элемента.

Нестандартный подход к стандартной характеристике NTC-термисторов

В начале статьи говорилось, что температурная зависимость сопротивления термистора точно описывается выражением (1), однако опытным путем было установлено, что эта же характеристика может быть не менее точно воспроизведена следующим полиномом:

где r(T) — сопротивление терморезистора при температуре Т; А₀, А₁, А₂ … А_n — некие коэффициенты, зависящие лишь от свойств материалов, которые используются при в изготовлении термистора.

Казалось бы, это нисколько не упрощает представление о поведении температурной характеристики термистора, а наоборот — ведет к усложнению из-за переноса температуры в знаменатель и бесконечного числа возможных коэффициентов. Но как показала обработка этой математической модели на «живых» образцах, практически любой термистор можно описать с помощью семи первых членов полинома, так как вклад последующих составляющих в конечное значение сопротивления незначителен:

Тогда, переходя к термопроводимости, мы получим:

где r(T) — сопротивление, кОм; g(T) — проводимость, мСм.

Такая зависимость имеет ряд преимуществ перед экспоненциальной при ее использовании в целях линеаризации характеристики с помощью математического моделирования. Для наглядного представления рассмотрим применение этой зависимости на стандартной R(T) характеристике терморезистора В57861 (S861) с номинальным сопротивлением 10 кОм.

Из представленных данных (табл. 2, рис. 1) видно, что разница между значениями сопротивлений, которые предоставляет производителем в виде табличной характеристики № 8016 [3], и значениями термосопротивлений, полученными с помощью математической модели, не значительна и не превышает 0,1%, что позволяет в дальнейших математических расчетах пренебречь этими отклонениями. Коэффициенты математической модели, с помощью которых получены расчетные данные, равны:

Рис. 1. Температурная зависимость терморезистора B57861 (S861)

Таблица 2. Характеристика терморезистора В57861 (S861)

Сразу же оговоримся, что представленные коэффициенты подходят только для указанного температурного диапазона и табличной характеристики 8016 NTC-термисторов компании Epcos. Номинальное сопротивление терморезистора в этом случае не имеет значения. Кроме того, ограниченность температурного диапазона не обусловлена невозможностью описания с помощью математической модели, а связана с конкретным применением, для которого проводились эти расчеты.

Последующим этапом реализации практического применения полиноминального представления характеристики термосопротивления является воспроизведение зависимости (12), для чего оказалось достаточным и удобным использование операционного усилителя (ОУ) в неинвертирующей схеме включения (рис. 2).

Рис. 2. Преобразователь R(T) U(T)

Указанная схема будет иметь следующую выходную характеристику:

графическое построение которой представлено на рис. 3.

Рис. 3. Графическое представление линеаризации температурной характеристики

Масштаб координатной сетки температурной зависимости U(T) можно легко менять с помощью резистора обратной связи R_OC и резистивного делителя опорного напряжения U_REF, состоящего из резисторов R1 и R2. Соответственно, преобразователь R(Т)

U(T) с поставленной задачей справляется.

Линеаризация температурной характеристики NTC-термисторов

Вопрос линеаризации выходной характеристики термопреобразователя остается до сих пор открытым. Существуют методы частичной или же мнимой линеаризации, которые предлагают даже сами производители нелинейных элементов, но они не дают полного решения этой задачи.

Предлагаемый в рамках данной статьи метод, основанный на математическом моделировании, заключается в построении искусственной линейной температурной зависимости (a×T+b) и последующем построении дополнительной характеристики Y(Т), позволяющих с помощью простых вычислений определять температуру с высокой точностью. Но из этих математических построений вытекает ряд условий, которые необходимо соблюсти для получения данных высокой точности:

1. Температурный диапазон, в котором предполагается использование датчика, должен быть четко определен.
2. Использование микроконтроллера, так как воспроизведение искусственно созданных зависимостей с помощью аналоговой электроники не возможно.
3. Использование прецизионных радиоэлементов для точного представления поведения датчика в рассматриваемом применении.

Процесс построения искусственной линейной зависимости в известном температурном диапазоне при наличии математической модели поведения терморезистора не составляет большого труда. Для этого достаточно взять две крайние точки характеристики U(T) (рис. 3) и провести между ними линейный отрезок (a×T+b). Получить значение коэффициентов a и b в системе уравнений:

где Т₀ и Т_N — соответственно начальная и конечная температуры контролируемого диапазона, также не вызовет затруднений. Вспомогательную характеристику Y(T) (рис. 3) получаем по следующей формуле:

Зависимость Y(T) имеет вид отрицательной параболы, исходя из этого, зависимость Y(T) можно представить следующим образом:

где P_T, Q_T и R_T — постоянные коэффициенты, которые не зависят от температуры, а определяются свойствами термистора.

Приравнивая выражения 15 и 16, получаем квадратное уравнение, где неизвестной величиной является температура:

Корни этого квадратного уравнения находятся известным путем:

Для нашего применения подходит только один из них, поэтому вычисление конечного значения температуры можно осуществлять по формуле:

Если температурный диапазон большой, а контроль температуры необходимо осуществлять с высокой точностью, то можно пойти по пути кусочной аппроксимации, и тогда коэффициенты P_T , Q_T и R_T для каждого температурного поддиапазона будут свои.

Практическое применение

Для рассмотрения представленного метода линеаризации на практике вернемся к уже известному терморезистору В57861 (S861) с номинальным сопротивлением 10 кОм ±1%. Использование термистора предполагается в температурном диапазоне от 0 до 155 °С. Исходя из этого, номиналы резисторов для преобразователя R(Т)

U(T) были взяты следующие: R_OC = 1,62 кОм ±0,1%, R1 = 10 кОм ±0,1%, R2 = 1 кОм ±0,1%, а опорное напряжение U_REF = (2,5 ±0,002) В.

Представленные данные (табл. 3) получены путем разбиения всего температурного диапазона на 8 поддиапазонов, для которых были вычислены соответствующие коэффициенты P_T, Q_T и R_T (табл. 4).

Таблица 3. Пример использования метода линеаризации

Таблица 4. Расчетные значения коэффициентов P_T, Q_T и R_T

Но даже применяя микроконтроллер, неудобно и программно неоправдано держать такое большое количество нецелочисленных коэффициентов. А переходя к аналого-цифровому преобразованию, для исключения дополнительной погрешности будет правильным в любую формулу подставлять дискреты, полученные от АЦП, а не пересчитанное значение напряжения. Поэтому конечная формула вычисления температуры для 12-битного АЦП будет выглядеть следующим образом:

где T_U — вычисляемое значение температуры, iƒ (на английском «если») — условие использования одной из формул, Δ_U — полученные дискреты от АЦП.

Соответственно, если Δ_U < 391, то значение температуры ниже 0 °С, а если Δ_U > 4022, то значение температуры выше 155 °С. Ну и, рассматривая каждый поддиапазон температур в отдельности, можно получить для него следующие точностные характеристики (табл. 5).

Таблица 5. Точностные характеристики поддиапазонов

Такая низкая разрешающая способность, а также ее неравномерность в интервале температур от 0 до 60 °С связана с нелинейностью выходной характеристики преобразователя R(Т)

U(T).

Указанная в таблице 5 погрешность не является полной, так как она не учитывает отклонение сопротивления резисторов и опорного напряжения от номинальных значений. В таблице 6 представлены возможное отклонение истинной вычисленной температуры от истинного значения и погрешность системы без учета допустимого отклонения термосопротивлений от величин, предоставленных производителем в качестве стандартной температурной характеристики № 8016.

Таблица 6. Погрешность системы для каждой контрольной точки

В начале статьи говорилось, что терморезистор, как и любой резистор, имеет отклонение ΔR/R_N от номинального значения сопротивления, обусловленное технологией изготовления, и что этот параметр дается производителем на точку 25 °С. Однако, в отличие от простых резисторов, эта величина у терморезистора во всем температурном диапазоне не одинакова, и что еще важней — она увеличивается. Компания Epcos для упрощения вычислений и исключения необходимости самостоятельного определения отклонений в нужном температурном диапазоне предоставляет программу “NTC R/T Calculation” [4], которая позволяет в автоматическом режиме проводить все необходимые расчеты по определению отклонений сопротивления и температуры.

Исходя из данных таблицы 7, можно посчитать тотальную погрешность рассмотренной измерительной системы с учетом всех отклонений и допусков от соответствующих номинальных значений, ошибки АЦП и расчетов математической модели (табл. 8).

Таблица 7. Отклонения для терморезистора В57861S0103F040

Таблица 8. Абсолютная погрешность измерительной системы для каждой контрольной точки

Поправка на саморазогрев термистора

При работе в любой электрической схеме через терморезистор протекает измерительный ток, если его величина будет более 100 мкА или же сопротивление термистора будет иметь небольшую величину, то результат измерений искажается. Это явление называется саморазогревом и, как было сказано ранее, зависит не только от нагрузки, но и от применяемых материалов и конструкции датчика. Говоря другими словами, на полученный результат измерений необходимо делать поправку, вычисление которой можно проводить по следующей формуле:

где T_A — действительно значение контролируемой температуры; Т — измеренное значение температуры; U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе, I — мгновенное значение тока, протекающего через терморезистор; R(T) — значение сопротивления терморезистора, соответствующее температуре Т; δ_th — коэффициент теплового рассеяния.

Применительно к используемой схеме и при условии использования микроконтроллера с 12-битным АЦП выражение (20) будет выглядеть следующим образом:

В примененной схеме включения (рис. 2) величина поправки будет тем меньше, чем больше значение резистора в обратной связи операционного усилителя R_ОС. Следует отметить, что полученные значения поправки для температуры (табл. 9) справедливы только для указанных термисторов, преобразователя R(Т)

U(T), а также для значения коэффициента рассеяния в воздухе, равного 1,5 мВт/К. При применении термистора в любой другой среде необходимо определять значение этого коэффициента опытным путем.

Таблица 9. Поправка на саморазогрев для терморезистора В57861S0103F040

Заключение

Применение термисторов с отрицательным ТКС в качестве датчиков температуры имеет определенные ограничения, связанные с точностью и погрешностью измерений, но при использовании предложенного в рамках данной статьи метода такое применение возможно. Полученные на конкретном примере значения не являются обобщающими для всех терморезисторов, а введение небольших доработок в преобразователь позволяет увеличить точностные показатели измерительной системы в целом в 2–3 раза.

Литература

1. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/PDF/PDF__General__technical__information,property=Data__en.pdf;/PDF_General_technical_information.pdf
2. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/ PDF/PDF__SelectorGuide,property=Data__en.pdf;/PDF_SelectorGuide.pdf
3. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/PDF/PDF__Standardized,property=Data__en.pdf;/PDF_Standardized.pdf
4. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/DesignTools/NTCThermistors/Page__License2,locale=en.html

Принцип работы термистора

— Инструментальные средства

Термисторы

Термисторы — это чувствительные к температуре полупроводники, которые демонстрируют большое изменение сопротивления в относительно небольшом диапазоне температур. Существует два основных типа термисторов: положительный температурный коэффициент (PTC) и отрицательный температурный коэффициент (NTC). Термисторы NTC демонстрируют снижение сопротивления с повышением температуры. Чаще всего они используются для измерения температуры.

Термистор аналогичен RTD, но вместо металла используется полупроводниковый материал . Термистор представляет собой твердотельное устройство и имеет большую чувствительность , чем RTD. В отличие от RTD, характеристика термостойкости термистора нелинейная и не может быть охарактеризована одним коэффициентом. Кроме того, в отличие от RTD, сопротивление термистора уменьшается на с повышением температуры.

Термисторы

нельзя использовать для измерения высоких температур по сравнению с RTD. Фактически максимальная рабочая температура иногда составляет всего 100 или 200 ° C.

Производители обычно предоставляют данные сопротивления-температуры в виде кривых, таблиц или полиномиальных выражений. Линеаризация корреляции между сопротивлением и температурой может быть выполнена с помощью аналоговой схемы или путем применения математики с использованием цифровых вычислений. Типичная схема термистора показана ниже.

Из принципиальной схемы видно, что это простой делитель напряжения. R _s — какой-то фиксированный (питающий) резистор. R _s и напряжение питания V _s можно отрегулировать для получения желаемого диапазона выходного напряжения V _o для заданного диапазона температур.

Преимущества: Большое изменение сопротивления при изменении температуры, быстрое время отклика, хорошая стабильность, Высокое сопротивление устраняет трудности, вызванные сопротивлением выводов, Низкая стоимость и взаимозаменяемость

Недостатки: Нелинейный, ограниченный диапазон рабочих температур, может быть неточность из-за перегрева, требуется источник тока.

Кривая зависимости сопротивления от температуры

В отличие от резистивных датчиков температуры и термопар, термисторы не имеют стандартов, связанных с их характеристиками или кривыми зависимости сопротивления от температуры. Следовательно, есть из чего выбирать.

Каждый материал термистора обеспечивает различную «кривую» зависимости сопротивления от температуры. Некоторые материалы обеспечивают лучшую стабильность, в то время как другие имеют более высокое сопротивление, поэтому из них могут быть изготовлены термисторы большего или меньшего размера.

Многие производители указывают константу Бета (B) между двумя температурами (пример: [3 0/50 = 3890). Это, наряду с сопротивлением при 25 ° C (77 ° F), может использоваться для идентификации конкретной кривой термистора.

Термистор представляет собой термометр сопротивления, аналогичный датчику температуры сопротивления (RTD) и используется для измерения температуры . Он состоит из неметаллического резистора, который используется в качестве чувствительного элемента температуры.

Термистор — это сокращение от «термистор».Устройство состоит из объемного полупроводникового устройства, которое действует как резистор с высоким и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, иногда до -6% на каждый градус Цельсия повышения температуры. Благодаря этому свойству высокой чувствительности (то есть огромному изменению сопротивления при небольшом изменении температуры) термистор в основном применим для точного измерения температуры, контроля температуры и температурной компенсации, особенно в более низком диапазоне температур -100 градусов Цельсия. до +300 градусов Цельсия.

Разница между термисторными и резистивными датчиками температуры (RTD)

Оба устройства работают по тому же принципу, что постоянный ток, протекающий через резистор, и его изменяющееся сопротивление из-за изменения температуры измеряется как падение напряжения на нем. Основное отличие состоит в том, что электрическое сопротивление резистора, используемого в термисторе, изменяется нелинейным образом в зависимости от температуры. Чувствительный элемент, используемый в термисторе, состоит из керамики или полимера, в то время как RTD использует чистые металлы в качестве чувствительного элемента.Еще одно важное отличие — рабочий диапазон. Из-за своей высокой чувствительности термисторы используются при измерениях в узком диапазоне и в диапазонах низких температур от -20 градусов Цельсия до +120 градусов Цельсия. Но RTD используются в более широком диапазоне температур.

Строительство

Устройство изготовлено из материалов, таких как спеченные смеси оксидов металлов, таких как марганец, никель, кобальт и железо. Их сопротивление колеблется от 0,4 Ом до 75 МОм, и они могут изготавливаться самых разнообразных форм и размеров.Термисторы меньшего размера имеют форму шариков диаметром от 0,15 миллиметра до 1,5 миллиметра. Такой шарик может быть запаян на кончике твердого стеклянного стержня с образованием зонда, который легче установить, чем шарик. В качестве альтернативы термистор может иметь форму дисков и шайб, изготовленных путем прессования материала термистора под высоким давлением в плоские цилиндрические формы диаметром от 3 до 25 миллиметров. Шайбы могут быть уложены друг на друга и размещены последовательно или параллельно, чтобы повысить способность регулирования мощности.

Характеристическая кривая

Характеристики зависимости сопротивления от температуры термистора

Кривая зависимости сопротивления от температуры является одной из основных характеристик, которая используется в приложениях измерения, управления и компенсации с использованием термистора. График характеристик представлен ниже. Из графика характеристик типичного термистора мы видим, что удельное сопротивление изменяется от 107 до 1 Ом-см при изменении температуры от -100 градусов Цельсия до +400 градусов Цельсия.Этот высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления делает термистор идеальным преобразователем температуры .

Термистор как датчик температуры

Термистор, используемый для измерения температуры, показан на рисунке ниже. Термистор рассчитан на сопротивление 2 кОм при 25 градусах Цельсия, а температурный коэффициент -4% на градус Цельсия приведет к уменьшению изменения температуры на 80 Ом на градус Цельсия.

К прибору последовательно подключаются аккумулятор и микрометр.Изменение температуры вызывает изменение сопротивления, если записываются показания термистора и соответствующего микрометра. Обычно измеритель калибруется по температуре с разрешением 0,1 градуса Цельсия. Как показано на рисунке, мостовая схема также используется для увеличения чувствительности термисторов.

Типы термисторов

Для изучения различных типов термисторов важно понимать формулу, которая показывает линейную зависимость между сопротивлением и температурой.

В качестве приближения порядка 1 ^{-го порядка} изменение сопротивления равно температурному коэффициенту сопротивления 1-го порядка ^{-го порядка} на изменение температуры.

dR = k.dT

где, dR — изменение сопротивления

к — 1 ^ст Заказать Температурный коэффициент сопротивления

dT — Изменение температуры

Если значение температурного коэффициента сопротивления (k) положительное, повышение температуры увеличивает сопротивление.Такое устройство можно назвать позисторным или термистором с положительным температурным коэффициентом (PTC). Если значение k отрицательное, повышение температуры приведет к уменьшению значения сопротивления. Такое устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

Позистор / Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)

Термисторы

PTC, которые используются в промышленности, можно разделить на две группы. Первый из них называется «Силисторы», что означает чувствительные кремниевые резисторы.Известно, что силисторы имеют положительный температурный коэффициент, равный 08% на градус Цельсия. Если температура поднимается выше 175 градусов Цельсия, устройство переходит в область отрицательного температурного коэффициента. Другая классификация термисторов PTC называется термисторами PTC переключаемого типа. Он изготовлен из материалов керамического типа и, как известно, имеет очень высокое сопротивление при небольшом изменении температуры. В материал также добавляются присадки, так что они также проявляют полупроводниковое поведение.Известно, что устройство имеет температуру перехода или «Кюри». Пока устройство не достигнет этой конкретной точки, его характеристики сопротивления-температура будут иметь отрицательный температурный коэффициент. После этого он начинает показывать увеличивающийся положительный температурный коэффициент сопротивления. В этот момент также начинает развиваться сопротивление. Основное различие между температурным сопротивлением силистора и переключающего термистора PTC показано ниже.

Температурное сопротивление силистора и тип переключения PTC

Приложения

1. Устройство известно своим применением в качестве устройства защиты цепей, например предохранителя.Прохождение тока через устройство вызывает нагревание из-за его резистивных свойств. Таким образом, если через устройство протекает чрезмерный ток, оно начинает соответственно нагреваться и, таким образом, увеличивает свое сопротивление. Это увеличение сопротивления снова увеличивает нагрев. Это создает такой эффект, который вызывает большее сопротивление в устройстве и ограничивает величину напряжения и тока в устройстве.
2. Другое важное применение — это таймер в цепи катушки размагничивания ЭЛТ-мониторов.Когда ЭЛТ-монитор включен, начальный ток достигает термистора PTC и катушки размагничивания. Термистор PTC будет большого размера, и, следовательно, сопротивление устройства будет возрастать по мере прохождения тока. Это приводит к накоплению тепла и, таким образом, катушка размагничивания отключается очень быстро. Катушка размагничивания необходима для плавного уменьшения непрерывного магнитного поля. Эту помощь может оказать только термистор PTC.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Термисторы

NTC, которые используются в промышленности, можно разделить на две группы.Таким образом, классификация основана на методе размещения электродов на керамическом корпусе. Эту основную категорию можно дополнительно разделить в зависимости от различных типов геометрии, форм и методов обработки. Одна из основных категорий, которые наиболее часто используются в промышленности, — это термисторы шарикового типа. По форме и способам изготовления термисторы с шариками можно снова разделить на бусины без покрытия, бусины с покрытием из стекла, бусины повышенной прочности, шарики в стеклянных корпусах и многие другие.

Другая группа термисторов NTC — это с металлизированными контактами. Эти термисторы можно установить с помощью пружинных контактов или поверхностного монтажа.

Приложения

1. Термисторы NTC используются для измерения температуры (обычно в узком диапазоне и низких диапазонах температур).
2. Устройство может использоваться для ограничения внезапной перегрузки по току, протекающей в цепях питания. Известно, что устройство вначале имеет очень высокое значение сопротивления.Сопротивление постепенно снижается при нагревании устройства. По мере уменьшения сопротивления восстанавливается обычная работа схемы, и через нее протекает сильный ток, не повреждая другие части схемы.
3. Это устройство используется для измерения температуры инкубаторов.

Термисторы

4. NTC используются для измерения и контроля аккумуляторов во время их зарядки.
5. Они используются для определения температуры масла и охлаждающей жидкости в автомобильных двигателях.Эта информация отправляется обратно водителю косвенными способами.

Сравнение термисторов PTC и NTC

Термистор, сокращенно ТЕРМОЧувствительный РЕЗИСТОР.

PTC, сокращенно от «Положительный температурный коэффициент».
NTC, сокращенно от отрицательного температурного коэффициента.

Сопротивление термистора PTC увеличивается с ростом температуры. Сопротивление термистора
NTC уменьшается с ростом температуры.

Основной материал термистора PTC BaTio3, основным материалом термистора NTC является Mn, Ni, Cu.

Термистор

PTC в основном применяется для защиты от перегрузки по току и короткого замыкания, защиты связи, задержки времени плавного переключения освещения, запуска двигателя, измерения температуры и защиты, саморегулирования нагрева и т. Д.

Термистор

NTC в основном применяется для ограничения пускового тока, измерения температуры, температурной компенсации, контроля температуры и т. Д.

Также читайте: Принцип работы RTD

Вентилятор постоянного тока с регулировкой температуры с использованием термистора: проект со схемой

«Автоматизация — это хорошо, если вы точно знаете, где разместить машину», В этом руководстве мы создаем вентилятор постоянного тока с регулируемой температурой с использованием термистора , поскольку он начинается выше заданного уровня температуры и останавливается, когда температура возвращается к нормальному состоянию.Весь этот процесс происходит автоматически. Ранее мы создали вентилятор с регулируемой температурой, используя Arduino, где скорость вентилятора также регулируется автоматически.

Необходимые компоненты

• Микросхема операционного усилителя LM741
• NPN транзистор MJE3055
• Термистор NTC — 10к
• Потенциометр — 10к
• Резисторы — 47 Ом, 4,7к
• Вентилятор постоянного тока (двигатель)
• Блок питания-5в
• Макетная плата и соединительные провода

Принципиальная схема

Ниже приведена принципиальная схема вентилятора постоянного тока с регулируемой температурой, использующего термистор в качестве датчика температуры:

Термистор

Ключевым компонентом схемы вентилятора с регулируемой температурой является термистор, который использовался для определения повышения температуры. Термистор — это термочувствительный резистор , сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Существует два типа термистора NTC (отрицательный температурный коэффициент) и PTC (положительный температурный коэффициент), мы используем термистор типа NTC. Термистор NTC — это резистор, сопротивление которого уменьшается при повышении температуры, в то время как в PTC оно будет увеличивать сопротивление при повышении температуры. Проверьте здесь цепь пожарной сигнализации с помощью термистора.

Микросхема ОУ LM741

Операционный усилитель представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления со связью по постоянному току.Это небольшая микросхема с 8 контактами. ИС операционного усилителя используется в качестве компаратора, который сравнивает два сигнала: инвертирующий и неинвертирующий. В микросхеме ОУ 741 PIN2 — это инвертирующая входная клемма, а PIN3 — неинвертирующая входная клемма. Выходной контакт этой ИС — PIN6. Основная функция этой ИС — выполнять математические операции в различных схемах.

Операционный усилитель

в основном имеет внутри компаратор напряжения , который имеет два входа: один — инвертирующий, а второй — неинвертирующий.Когда напряжение на неинвертирующем входе (+) выше, чем напряжение на инвертирующем входе (-), тогда на выходе компаратора высокий уровень. И если напряжение инвертирующего входа (-) выше, чем неинвертирующего конца (+), то выходное напряжение НИЗКОЕ. Операционные усилители имеют большое усиление и обычно используются как усилитель напряжения . Некоторые операционные усилители имеют более одного компаратора внутри (операционный усилитель LM358 имеет два, LM324 — четыре), а некоторые имеют только один компаратор, например LM741 . Применение этой ИС в основном включает сумматор, вычитатель, повторитель напряжения, интегратор и дифференциатор.Выходной сигнал операционного усилителя является произведением коэффициента усиления и входного напряжения. Проверьте здесь другие схемы операционного усилителя.

Схема выводов операционного усилителя IC741:

Конфигурация контактов

Работа вентилятора постоянного тока с регулируемой температурой с использованием термистора

Работает по принципу термистора.В этой схеме контакт 3 (неинвертирующий контакт операционного усилителя 741) соединен с потенциометром, а контакт 2 (инвертирующий контакт) соединен между R2 и RT1 (термистор), которые образуют схему делителя напряжения. Первоначально в нормальных условиях выход операционного усилителя НИЗКИЙ, так как напряжение на неинвертирующем входе меньше, чем на инвертирующем входе, что заставляет транзистор NPN оставаться в выключенном состоянии. Транзистор остается в выключенном состоянии, потому что на его базу не подается напряжение, и нам нужно некоторое напряжение на его базе, чтобы NPN-транзистор стал проводящим.Здесь мы использовали NPN-транзистор MJE3055, но здесь может работать любой сильноточный транзистор, как BD140.

Нет, когда температура повышается, сопротивление термистора уменьшается, а напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя становится выше, чем на инвертирующем выводе, поэтому на выходе 6 операционного усилителя станет ВЫСОКИЙ, а транзистор будет включен (потому что, когда выход операционного усилителя ВЫСОКИЙ, напряжение будет течь через коллектор к эмиттеру). Теперь эта проводимость NPN-транзистора позволяет вентилятору запускаться.Когда термистор вернется в нормальное состояние, вентилятор автоматически выключится.

Преимущества

• Простота в обращении и экономичность
• Вентилятор запускается автоматически, поэтому он может контролировать температуру вручную.
• Автоматическое переключение сэкономит энергию.
• Для охлаждения теплоотводящих устройств установка проста.

Заявка

• Вентиляторы охлаждения для ноутбуков и компьютеров.
• Это устройство используется для охлаждения двигателя автомобиля.

Пожарная сигнализация с использованием термистора — Проект электроники

Пожарная сигнализация с использованием термистора

Многие схемы пожарной сигнализации опубликованы на разных веб-сайтах. Но вот на этом сайте простой и недорогой проект пожарной сигнализации с использованием термистора. где термистор используется как датчик температуры пожарной сигнализации. Принцип работы термистора такой же, как и у LDR (изменение их сопротивления с изменением тепла, где LDR изменяют свое сопротивление с изменением падения света на него).

Описание схемы пожарной сигнализации с использованием термистора

Вся цепь пожарной сигнализации с использованием термистора построена и изготовлена ​​на основе термистора (TH ₁ ) и таймера IC (IC ₁ ) с управляющим транзистором. ИС таймера (IC ₁ ), используемая в этой схеме, представляет собой нестабильный мультивибраторный генератор, используемый для генерации в диапазоне звуковых частот. Два транзистора T ₁ и T ₂ используются для управления таймером IC (IC ₁ ). Выходной сигнал с вывода 3 микросхемы IC ₁ подается в громкоговоритель через транзистор T ₃ для генерации звука.Номинал резистора (R ₅ и R ₆ ) и конденсатора (C ₂ ) определяет частоту IC ₂ .

Низкоомный путь распространения положительного напряжения на базу транзистора обеспечивается, когда термистор TH ₁ нагревается. Дополнительный коллектор транзистора T ₁ подключен к базе транзистора T ₂ , подает положительное напряжение на вывод 4 сброса IC ₁ для сброса. Пожарная сигнализация с использованием схемы термистора работает в широком диапазоне входного напряжения питания i.е. От 6 до 12 В.

ПЕРЕЧЕНЬ ДЕТАЛЕЙ

Резисторы (все ¼-ватт, ± 5% углерода)

VR ₁ = переменный резистор 10 кОм для изменения чувствительности цепи.

R ₃ , R ₇ , R ₈ = 470 Ом

R ₂ = 33 кОм

R ₄ = 560 Ом

R ₅ = 47 кОм

R ₆ = 2,2 кОм

Конденсаторы

C ₁ = 10 мкФ / 16 В

C ₂ = 0.04 мкФ

C ₃ = 0,01 мкФ

Полупроводники

IC ₁ = NE555 (таймер IC)

T ₁ = BC548

T ₂ = BC558

T

034 3

034 3

033 3 или любой NPN-транзистор средней мощности, например: 2N4922, 2N4921,2N4238, FCX1053A

D ₁ = 1N4001

Разное

TH ₁ = Термистор 10 кОм

LS ₁ = 8 Ом, динамик 1 Вт

«Программируемый таймер для прибора
Устройство защиты от перенапряжения»

PPT — ECE5320 — Мехатроника Задание 1: Обзор литературы по датчикам и исполнительным элементам Тема: Термисторы (датчики) Презентация PowerPoint

Что такое термистор? — Отрицательный температурный коэффициент, работа и приложения

Определение: Слово Термистор состоит из двух слов Thermal и Resistor. Это твердотельное устройство, сопротивление которого зависит от температуры окружающей среды.Большинство термисторов обладают отрицательным температурным коэффициентом . Лишь немногие имеют положительный температурный коэффициент.

Вы, должно быть, думаете, что такое отрицательный температурный коэффициент, а какой положительный? Возможно, некоторые читатели знают об этом термине, но новички, возможно, не слышали этот термин раньше. Итак, давайте сначала обсудим эти два термина.

Если устройство имеет отрицательный температурный коэффициент, это означает, что сопротивление устройства уменьшается с увеличением температуры.Но если устройство имеет положительный температурный коэффициент, то сопротивление устройства увеличивается с повышением температуры.

Таким образом, термистор представляет собой полупроводниковый прибор, который обладает высоким отрицательным температурным коэффициентом (около -0,04 на ⁰ ° C при комнатной температуре 25 ⁰ ° C).

Процесс изготовления термистора

Термисторы изготовлены из оксидов металлов , таких как кобальт, медь, железо, цинк, никель, марганец, титан, магний и уран.Сульфиды этих металлов или силикаты также используются для изготовления термисторов. Полупроводники, такие как германий и кремний, не используются для изготовления термисторов, поскольку они обладают низкотемпературным коэффициентом.

С другой стороны, оксиды металлов обладают большим и предсказуемым значением температурного коэффициента, который считается подходящим для производственного процесса термистора. Процесс производства начинается с измельчения этих оксидов металлов или сульфидов металлов в порошкообразную форму.

После этого процесса эти оксиды смешиваются в надлежащей пропорции со связующими и затем прессуются для придания желаемой формы. Затем, наконец, завершается процесс спекания. Электрические клеммы могут быть заделаны до или после спекания. Если это будет сделано после спекания, его можно будет потом запечь.

Диапазон термисторов при комнатной температуре (25 90 · 107 0 90 · 108 C) варьируется от нескольких 100 Ом до мегаом. Они могут изготавливаться очень малых форм в виде бусин , стержней и дисков.

Работа термистора

Выше мы уже говорили, что термистор работает по принципу отрицательного температурного коэффициента. Хотя уменьшение сопротивления с повышением температуры нежелательно во многих электрических и электронных схемах, это важно для схем определения температуры.

Термистор представляет собой нелинейное устройство с двумя выводами, в котором сопротивление начинает быстро падать при повышении температуры окружающей среды.Это происходит потому, что при повышении температуры концентрация носителей заряда также начинает увеличиваться, из-за чего сопротивление дорожки начинает падать. Таким образом, при более высокой температуре ток, протекающий через резистор, больше по сравнению с более низкой температурой.

При нагревании термистора до 150 ⁰ C сопротивление термистора уменьшается в 500 раз. Когда ток через термисторы начинает расти, это также приводит к увеличению рассеиваемой мощности.Как следствие рассеивания мощности снова начинает расти температура устройства. Таким образом, при фиксированной температуре окружающей среды сопротивление термисторов зависит от рассеиваемой через устройство мощности.

Сопротивление термистора

Сопротивление (R) термистора связано с температурой (T) следующим соотношением ниже

R = R ₀ α e ^{β / T}

Где α и β — константы, в зависимости от используемого материала и технологии производства.

Вышеприведенное уравнение можно переписать, чтобы установить зависимость между сопротивлением и температурой.

R ₁ = R ₀ e ^{[ β (1 / T1) — (1 / T0)]}

Где R1 и R0 — значение сопротивления при температурах T1 и T0 соответственно, а β — постоянная термистора, она выражается в кельвинах и имеет порядок 4000. Температура T0 обычно принимается как комнатная температура, т.е. 25 ⁰ C или 298 К.Значение β изменяется с повышением температуры, но, если предполагается, что оно постоянное, можно получить соотношение между температурным коэффициентом и сопротивлением и температурой.

α = dR1 / R1 dT = -β / T ²

где α — температурный коэффициент.

Термистор — это твердотельное устройство, которое изготовлено из оксидов металлов, поэтому они обладают отрицательным температурным коэффициентом, когда электроны во внешней оболочке металла находятся в активном состоянии.Когда электроны молекулы производственного материала неактивны, термисторы обладают положительным температурным коэффициентом.

Термисторы доступны в различных типах в зависимости от рабочей температуры и времени срабатывания. На обычные термисторы могут повлиять влажность и внешние атмосферные условия. Если мы хотим использовать в некоторых приложениях, где нам требуется, чтобы устройство было защищено от внешних условий, следует использовать герметичные термисторы .Они герметичны, чтобы влага не прерывала его работу.

Характеристики термистора V-I

Небольшой ток, протекающий через термистор, не вызывает внезапного повышения напряжения, но когда ток превышает определенное значение, напряжение начинает расти. Достигается точка, после которой напряжение начинает падать.

Причина в том, что эффект нагрева увеличивает ток до определенного значения, и, таким образом, падение напряжения начинает уменьшаться.Более ясно это можно понять с помощью диаграммы выше.

Применения термистора

1. В цепях датчика температуры
2. В электрических и электронных схемах термистор используется в качестве ограничителя тока для защиты схемы от повреждения.

Применение термистора PTC

1. Как ограничители тока в цепях
2. Датчики температуры
3. Индикаторы уровня.
4. Компенсационные резисторы

Термистор с положительным температурным коэффициентом (термистор PTC)

Термистор с положительным температурным коэффициентом имеет высокий положительный температурный коэффициент . Абсолютное значение положительного температурного коэффициента намного выше, чем абсолютное значение отрицательного температурного коэффициента.

Температурный коэффициент термистора PTC положительный только до определенного диапазона, за пределами этого диапазона температурный коэффициент равен нулю или отрицателен. Термисторы PTC производятся на заводах BaTiO ₃ или SrTiO ₃ . Образцы обжигаются в атмосфере, богатой кислородом, чтобы получить высокий положительный температурный коэффициент.

Если рабочая температура становится слишком высокой, PTC теряет свои свойства и начинает вести себя как термисторы NTC, то есть резистор с отрицательным температурным коэффициентом. Таким образом, термисторы с положительным температурным коэффициентом ограничены тем, что они подходят для правильной работы только до определенной температуры.

Infogalactic: ядро ​​планетарных знаний

Термистор — это тип резистора, сопротивление которого зависит от температуры в большей степени, чем у стандартных резисторов.Слово представляет собой сумку из терморезистора и резистора . Термисторы широко используются в качестве ограничителей пускового тока, датчиков температуры (обычно типа NTC), самовосстанавливающихся устройств защиты от перегрузки по току и саморегулирующихся нагревательных элементов.

Термисторы

отличаются от резистивных датчиков температуры (RTD) тем, что в термисторе обычно используется керамика или полимер, а в RTD используются чистые металлы. Температурный отклик также отличается; ТС полезны в более широких диапазонах температур, тогда как термисторы обычно обеспечивают большую точность в ограниченном диапазоне температур, обычно от -90 ° C до 130 ° C. ^[1]

Базовая операция

Если предположить, в качестве приближения первого порядка, что зависимость между сопротивлением и температурой является линейной, тогда:

где

, изменение сопротивления

, изменение температуры

, температурный коэффициент сопротивления первого порядка

Термисторы можно разделить на два типа, в зависимости от классификации . Если положительный, сопротивление увеличивается с повышением температуры, и устройство называется термистором с положительным температурным коэффициентом ( PTC ) или позистором .Если отрицательное, сопротивление уменьшается с повышением температуры, и устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом ( NTC ). Резисторы, которые не являются термисторами, имеют как можно ближе к 0, так что их сопротивление остается почти постоянным в широком диапазоне температур.

Вместо температурного коэффициента k иногда используется температурный коэффициент сопротивления (альфа sub T).Он определяется как ^[2]

Этот коэффициент не следует путать с параметром ниже.

Уравнение Стейнхарта – Харта

Основная статья: уравнение Стейнхарта – Харта

На практике линейное приближение (см. Выше) работает только в небольшом диапазоне температур. Для точных измерений температуры необходимо более подробно описать кривую сопротивления / температуры устройства. Уравнение Стейнхарта – Харта является широко используемым приближением третьего порядка:

, где a , b и c называются параметрами Стейнхарта – Харта и должны указываться для каждого устройства. T — абсолютная температура, а R — сопротивление. Чтобы дать сопротивление как функцию температуры, приведенное выше значение можно переформатировать в:

где

Ошибка в уравнении Стейнхарта – Харта обычно составляет менее 0,02 ° C при измерении температуры в диапазоне 200 ° C. ^[3] В качестве примера приведены типичные значения для термистора с сопротивлением 3 кОм при комнатной температуре (25 ° C = 298.15 К) составляют:

B или β уравнение параметра

Термисторы

NTC также могут быть охарактеризованы уравнением параметра B (или β ), которое по сути является уравнением Стейнхарта – Харта с, и,

Где температуры указаны в кельвинах, а R ₀ — это сопротивление при температуре T ₀ (25 ° C = 298,15 K). Решение относительно R дает:

или, как вариант,

где.

Это можно решить для температуры:

Уравнение B-параметра также можно записать как. Это можно использовать для преобразования зависимости сопротивления от температуры термистора в линейную функцию от. Затем средний наклон этой функции даст оценку значения параметра B .

Модель проводимости

NTC

Многие термисторы NTC изготавливаются из прессованного диска, стержня, пластины, борта или литой стружки из полупроводникового материала, такого как спеченные оксиды металлов.Они работают, потому что повышение температуры полупроводника увеличивает количество активных носителей заряда — это продвигает их в зону проводимости . Чем больше носителей заряда доступно, тем больший ток может проводить материал. В некоторых материалах, таких как оксид железа (Fe ₂ O ₃ ) с легированием титаном (Ti), образуется полупроводник n-типа , а носителями заряда являются электроны. В таких материалах, как оксид никеля (NiO) с легированием литием (Li), создается полупроводник p-типа, в котором дырки являются носителями заряда. ^[4]

Это описывается формулой:

= электрический ток (амперы)
= плотность носителей заряда (количество / м³)
= площадь поперечного сечения материала (м²)
= скорость носителей заряда (м / с)
= заряд электрона (кулон )

При больших изменениях температуры необходима калибровка. При небольших изменениях температуры, если используется правильный полупроводник, сопротивление материала линейно пропорционально температуре.Существует много различных полупроводниковых термисторов с диапазоном от 0,01 кельвина до 2000 кельвинов (от -273,14 ° C до 1700 ° C) ^{[ необходима ссылка ]} .

PTC

Большинство термисторов PTC изготовлены из легированной поликристаллической керамики (содержащей титанат бария (BaTiO ₃ ) и другие соединения), которые обладают тем свойством, что их сопротивление внезапно возрастает при определенной критической температуре. Титанат бария является сегнетоэлектриком, и его диэлектрическая проницаемость зависит от температуры.Ниже температуры точки Кюри высокая диэлектрическая проницаемость предотвращает образование потенциальных барьеров между кристаллическими зернами, что приводит к низкому сопротивлению. В этой области устройство имеет небольшой отрицательный температурный коэффициент. При температуре точки Кюри диэлектрическая проницаемость падает в достаточной степени для образования потенциальных барьеров на границах зерен, а сопротивление резко возрастает с температурой. При еще более высоких температурах материал возвращается к поведению NTC.

Другой тип термистора — это силистор , термочувствительный кремниевый резистор. В силисторах в качестве материала полупроводниковых компонентов используется кремний. В отличие от керамических термисторов с положительным температурным коэффициентом, силисторы имеют практически линейную характеристику сопротивления-температуры. ^[5]

Термисторы из титаната бария могут использоваться как саморегулирующиеся нагреватели; при заданном напряжении керамика будет нагреваться до определенной температуры, но используемая мощность будет зависеть от потерь тепла керамикой.

Динамика включенных термисторов PTC также чрезвычайно полезна. При первом подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому, низкому сопротивлению, но по мере самонагрева термистора ток уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут предельный ток (и соответствующая пиковая температура устройства). Эффект ограничения тока может заменить предохранители. Они также используются в схемах размагничивания многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров, где катушка размагничивания должна быть подключена только последовательно с соответствующим образом выбранным термистором; особым преимуществом является плавное уменьшение тока, обеспечивающее оптимальный эффект размагничивания.Усовершенствованные схемы размагничивания имеют вспомогательные нагревательные элементы для дальнейшего нагрева термистора (и снижения конечного тока) или реле с таймером для полного отключения цепи размагничивания после ее срабатывания.

Другой тип термистора PTC — это полимерный PTC, который продается под торговыми марками, такими как «Polyswitch», «Semifuse» и «Multifuse». Он состоит из пластика с вкрапленными в него частицами углерода. Когда пластик остынет, все зерна углерода соприкасаются друг с другом, образуя токопроводящий путь через устройство.Когда пластик нагревается, он расширяется, раздвигая зерна углерода и вызывая повышение сопротивления устройства, что затем вызывает повышенный нагрев и быстрое увеличение сопротивления. Как и термистор BaTiO ₃ , это устройство имеет сильно нелинейную характеристику сопротивления / температуры, полезную для теплового или схемного управления, а не для измерения температуры. Помимо элементов схемы, используемых для ограничения тока, саморегулирующиеся нагреватели могут быть выполнены в виде проводов или полос, используемых для обогрева.Термисторы PTC «фиксируются» в горячем состоянии / состоянии с низким сопротивлением: будучи горячими, они остаются в этом состоянии до тех пор, пока не остынут. Фактически, Нил А. Дауни показал, как можно использовать этот эффект как простую схему защелки / памяти, причем эффект усиливается за счет использования двух термисторов PTC, соединенных последовательно, с термистором A холодным, термистором B горячим или наоборот. ^[6]

Эффекты самонагрева

Когда через термистор протекает ток, он выделяет тепло, которое поднимает температуру термистора выше температуры окружающей среды.Если термистор используется для измерения температуры окружающей среды, этот электрический нагрев может привести к значительной погрешности, если не будет сделано исправление. В качестве альтернативы можно использовать сам этот эффект. Он может, например, создать чувствительное устройство для измерения расхода воздуха, используемое в приборе для измерения скорости набора планера, электронный вариометр или служить в качестве таймера для реле, как это раньше делалось на телефонных станциях.

Потребляемая электрическая мощность термистора составляет всего:

, где I — ток, а В, — падение напряжения на термисторе.Эта мощность преобразуется в тепло, и эта тепловая энергия передается в окружающую среду. Скорость переноса хорошо описывается законом охлаждения Ньютона:

, где T (R) — температура термистора как функция его сопротивления R — температура окружающей среды, а K — постоянная рассеяния , обычно выражаемая в единицах милливатт на градус Цельсия. В состоянии равновесия две ставки должны быть равны.

Ток и напряжение на термисторе будут зависеть от конкретной конфигурации цепи. В качестве простого примера, если напряжение на термисторе остается фиксированным, то по закону Ома мы имеем, и уравнение равновесия может быть решено для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:

Константа рассеяния — это мера теплового соединения термистора с окружающей средой.Обычно он применяется для термистора в неподвижном воздухе и в хорошо перемешанном масле. Типичные значения для небольшого термистора со стеклянными шариками составляют 1,5 мВт / ° C в неподвижном воздухе и 6,0 мВт / ° C в перемешиваемом масле. Если температура окружающей среды известна заранее, то можно использовать термистор для измерения значения постоянной рассеяния. Например, термистор можно использовать в качестве датчика расхода, поскольку постоянная рассеяния увеличивается с увеличением скорости потока жидкости мимо термистора.

Мощность, рассеиваемая термистором, обычно поддерживается на очень низком уровне, чтобы гарантировать незначительную ошибку измерения температуры из-за самонагрева.Однако некоторые применения термисторов зависят от значительного «самонагрева», чтобы поднять температуру корпуса термистора намного выше температуры окружающей среды, поэтому датчик затем обнаруживает даже незначительные изменения теплопроводности окружающей среды. Некоторые из этих приложений включают определение уровня жидкости, измерение расхода жидкости и измерение расхода воздуха. ^[2]

Приложения

PTC

• В качестве токоограничивающих устройств для защиты цепей, для замены предохранителей.Ток через устройство вызывает небольшое резистивное нагревание. Если сила тока достаточно велика, чтобы произвести больше тепла, чем устройство может потерять своему окружению, устройство нагревается, что приводит к увеличению его сопротивления. Это создает самоусиливающийся эффект, который увеличивает сопротивление, тем самым ограничивая ток.
• В качестве таймеров в цепи катушки размагничивания большинства ЭЛТ-дисплеев. При первоначальном включении дисплейного блока ток течет через термистор и катушку размагничивания.Катушка и термистор намеренно подобраны таким образом, чтобы протекающий ток нагревал термистор до точки, при которой катушка размагничивания отключилась менее чем за секунду. Для эффективного размагничивания необходимо, чтобы величина переменного магнитного поля, создаваемого катушкой размагничивания, уменьшалась плавно и непрерывно, а не резко выключалось или уменьшалось ступенчато; термистор PTC выполняет это естественным образом, поскольку он нагревается. Схема размагничивания с использованием термистора PTC проста, надежна (в силу своей простоты) и недорога.
• В качестве обогревателя в автомобильной промышленности для дополнительного обогрева салона с дизельным двигателем или для подогрева дизельного топлива в холодных климатических условиях перед впрыском двигателя.
• В генераторах, управляемых напряжением синтезатора с температурной компенсацией. ^[7]
• В схемах защиты литиевых батарей. ^[8]
• В восковом двигателе с электрическим приводом для обеспечения тепла, необходимого для расширения парафина.

НТК

• В качестве термометров сопротивления при низкотемпературных измерениях порядка 10 К.
• В качестве ограничителей пускового тока в цепях питания. Первоначально они имеют более высокое сопротивление, что предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагреваются и становятся намного более низкими, чтобы обеспечить протекание большего тока во время нормальной работы. Эти термисторы обычно намного больше, чем термисторы измерительного типа, и специально предназначены для этого применения. ^[9]
• В качестве датчиков в автомобильных приложениях для контроля таких вещей, как температура охлаждающей жидкости или масла внутри двигателя, и передачи данных в ЭБУ и приборную панель.
• Для контроля температуры инкубатора.

Термисторы

• также широко используются в современных цифровых термостатах и ​​для контроля температуры аккумуляторных блоков во время зарядки.
• Термисторы часто используются в горячих концах 3D-принтеров; они контролируют выделяемое тепло и позволяют схемам управления принтера поддерживать постоянную температуру для плавления пластиковой нити.
• В пищевой и перерабатывающей промышленности, особенно для систем хранения и приготовления пищи.Поддержание правильной температуры имеет решающее значение для предотвращения болезней пищевого происхождения.
• Для измерения температуры в сфере производства бытовой техники. Тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены и т. Д. — все полагаются на термисторы для надлежащего контроля температуры.

Термисторы

• NTC бывают голыми и с выступами, первые предназначены для точечного измерения для достижения высокой точности для определенных точек, таких как матрица лазерного диода и т. Д. ^[10]

История

Первый термистор NTC был открыт в 1833 году Майклом Фарадеем, который сообщил о полупроводниковых свойствах сульфида серебра.Фарадей заметил, что сопротивление сульфида серебра резко снижается с повышением температуры. (Это также было первое задокументированное наблюдение полупроводникового материала.) ^[11]

Поскольку первые термисторы было сложно производить, а применение этой технологии было ограниченным, коммерческое производство термисторов началось только в 1930-х годах. ^[12] Коммерчески жизнеспособный термистор был изобретен Самуэлем Рубеном в 1930 году. ^[13]

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

.