термисторы что это такое
Термистор – характеристика и принцип действия
Главная страница » Термистор – характеристика и принцип действия
Термистор (терморезистор) – твердотельный электронный элемент, внешне напоминающий постоянный резистор, но обладающий выраженной температурной характеристикой. Этот вид электронных приборов, как правило, используются для изменения аналогового выходного напряжения с учётом изменения окружающей температуры. Другими словами – электрические свойства термистора и принцип действия напрямую связаны с физическим явлением — температурой.
Характеристика электронного элемента
Термистор — термочувствительный полупроводниковый элемент, изготовленный на основе полупроводниковых оксидов металлов. Обычно имеет форму диска или шара с металлизированными или соединительными выводами.
Такие формы позволяют изменять резистивное значение пропорционально малым изменениям температуры. Для стандартных резисторов изменение сопротивления от нагрева видится нежелательным явлением. Но этот же эффект видится удачным при построении многих электронных схем, требующих определения температуры.
Таким образом, будучи нелинейным электронным устройством с переменным сопротивлением, терморезистор успешно подходит для работы в качестве терморезистора-датчика. Такого рода датчики широко применяют для контроля температуры жидкостей и газов.
Выступая твердотельным устройством, изготовленным на основе высокочувствительных оксидов металлов, терморезистор работает на молекулярном уровне. Валентные электроны становятся активными и воспроизводят отрицательный ТКС либо пассивными и тогда воспроизводят положительный ТКС.
В результате электронные приборы – термисторы, демонстрируют очень хорошую воспроизводимую резистивность, сохраняя эксплуатационные характеристики, позволяющие продуктивно работать в диапазоне температур до 200ºC.
Применение терморезисторов на практике
Базовым направлением применения, в данном случае, являются резистивные температурные датчики. Однако эти же электронные элементы, принадлежащие семейству резисторов, можно успешно использовать включенными последовательно с другими компонентами или устройствами.
Простые схемы включения терморезисторов, показывающие работу приборов в качестве температурных датчиков — своеобразных преобразователей напряжения за счёт изменения сопротивления
Такая схема включения позволяет контролировать ток, протекающий через компонент. Таким образом, термисторы, по сути, выступают ещё и токоограничителями. Производятся термисторы разного типа, на основе различных материалов и отличаются по размерам в зависимости от времени отклика и рабочей температуры.
Существуют герметичные модификации приборов, защищённые от проникновения влаги. Есть конструкции под высокие рабочие температуры и компактные по размерам. Следует выделить три наиболее распространенных типа терморезисторов:
Работают приборы в зависимости от изменения температуры:
То есть существует два типа приборов:
Отрицательный коэффициент ТКС
NTC-термисторы с отрицательным ТКС уменьшают собственное резистивное значение по мере увеличения внешней температуры. Как правило, именно эти приборы чаще выступают датчиками температуры, поскольку идеально подходят практически к любому типу электроники, где требуется контроль температуры.
Относительно большой отрицательный отклик термистора NTC означает, что даже небольшие изменения температуры способны значительно изменить электрическое сопротивление прибора. Этот фактор делает модели NTC идеальными датчиками точного измерения температур.
Схема калибровки (проверки) терморезистора: 1 — источник питания; 2 — направление тока; 3 — испытуемый электронный элемент термистор; 4 — калибровочный микроамперметр
Терморезисторы NTC, снижающие сопротивление с повышением температуры, по исполнению доступны с различными базовыми сопротивлениями. Как правило, характеристика привязывается к базовым сопротивлениям при комнатной температуре.
Например: 25ºC берётся за контрольную (базовую) температурную точку. Отсюда выстраиваются значения приборов, допустим, следующих номиналов:
Другой важной характеристикой является значение «В». Величина «В» представляет собой постоянную константу, которая определяется керамическим материалом, из которого изготовлен термистор.
Этой же константой определяется градиент кривой резистивного отношения (R/T) в определенном температурном диапазоне между двумя температурными точками. Каждый материал термистора имеет различную материальную константу и, следовательно, индивидуальную кривую отношения сопротивления и температуры.
Так, константа «B» определяет одно резистивное значение при базовой T1 (25ºС), и другое значение при Т2 (например, при 100ºC). Следовательно, значение B определит постоянную константу материала термистора, ограниченную диапазоном T1 и T2:
B * T1 / T2 (B* 25 / 100)
p.s. значения температуры в расчётах берутся в градуировке Кельвина.
Отсюда вытекает, что имея значение «В» (из характеристики производителя) конкретного прибора, электронщику останется только создать таблицу температур и сопротивлений, чтобы построить подходящий график при помощи следующего нормированного уравнения:
где: T1, T2 – температуры в градусах Кельвина; R1, R2 – сопротивления при соответствующих температурах в Омах.
Так, например, термистор NTK, обладающий сопротивлением 10 кОм, имеет значение «В» равным 3455 в рамках температурного диапазона 25 — 100ºC.
Очевидный момент: термисторы экспоненциально меняют сопротивление с изменениями температуры, поэтому характеристическая кривая приборов нелинейная. Чем больше контрольных точек устанавливаются, тем точнее получается кривая.
Применение термистора в роли активного датчика
Поскольку прибор является активным типом датчика, для работы требуется сигнал возбуждения. Любые изменения сопротивления в результате изменения температуры преобразуются в изменение напряжения.
Промышленностью выпускаются термисторы разного исполнения, в том числе высокоточные, надёжно защищённые для применения в системах высокого уровня
Самый простой способ добиться подобного эффекта — использовать термистор как часть схемы делителя потенциала, как показано на рисунке ниже. Постоянное напряжение подаётся в цепь резистора и терморезистора.
К примеру, используется схема, где термистор 10 кОм включен последовательно с резистором 10 кОм. В этом случае выходное напряжение при базовой Т = 25ºC составит половину напряжения питания.
Таким образом, схема делителя потенциалов является примером простого преобразователя сопротивления в напряжение. Здесь сопротивление термистора регулируется температурой с последующим формирования величины выходного напряжения, пропорциональной температуре.
Простыми словами: чем теплее корпус термистора, тем ниже напряжение на выходе.
Между тем, если изменить положение последовательного резистора, RS и термистора RTH, в этом случае уровень выходного напряжения изменится на противоположный вектор. То есть теперь чем больше нагреется термистор, тем выше будет уровень выходного напряжения.
Использовать термисторы допускается и как часть базовой конфигурации с использованием мостовой схемы. Связью между резисторами R1 и R2 устанавливается опорное напряжение до требуемого значения. Например, если R1 и R2 имеют одинаковые значения сопротивления, опорное напряжение равно половине напряжения питания (V/2).
Схема усилителя, построенная с использованием этой мостовой схемы с термозондом, может выступать в качестве высокочувствительного дифференциального усилителя или в качестве простой схемы запуска Шмитта с функцией переключения.
Существует проблема, связанная с прохождением тока через термистор (эффект «самонагрева»). В таких случаях рассеиваемая мощность I 2 R достаточно высока и создаёт больше тепла, чем способен рассеять корпус прибора. Соответственно, это «лишнее» тепло влияет на резистивное значение, что приводит к ложным показаниям.
Одним из способов избавления от эффекта «самонагрева» и получения более точного изменения сопротивления от влияния температуры (R/T), видится питание термистора от постоянного источника тока.
Термистор как регулятор пускового тока
Приборы традиционно используются в качестве резистивных чувствительных к температуре преобразователей. Однако сопротивление термистора изменяется не только под влиянием окружающей среды, но также изменения наблюдаются от протекающего через прибор электротока. Эффект того самого «самонагрева».
Разное электрооборудование на индуктивной составляющей:
подвергается чрезмерным пусковым токам при первом включении. Но если в цепь последовательно включить термистор, можно эффективно ограничивать высокий начальный ток. Такое решение способствует увеличению срока службы электрооборудования.
Терморезисторы с низким ТКС (при 25°C) обычно используются для регулирования пускового тока. Так называемые ограничители тока (перенапряжения) меняют сопротивление до очень низкого значения при прохождении тока нагрузки.
В момент первоначального включения оборудования пусковой ток проходит через холодный термистор, резистивное значение которого достаточно велико. Под воздействием тока нагрузки термистор нагревается, сопротивление медленно уменьшается. Так осуществляется плавная регулировка тока в нагрузке.
Термисторы NTC достаточно эффективно обеспечивают защиту от нежелательно высоких пусковых токов. Преимущественной стороной здесь является то, что этот тип приборов способен эффективно обрабатывать более высокие пусковые токи по сравнению с резисторами стандартного образца.
Видео по теме: Диагностика неисправности термистора электродвигателя
Видеороликом ниже рассматривается практика обслуживания электрических двигателей, дополненных встроенными термисторами непосредственно в состав обмотки статора. В частности, неисправности так называемого термического выключателя:
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Термистор и его принцип действия
Для начинающих радиолюбителей этот тип радиодеталей практически не знаком. Хотя они появились еще 1930-х годах, благодаря ученому Самуэлю Рубену. Так что такое терморезистор? Если коротко, то это этот элемент, по сути, одна из разновидностей резистора. Другие названия: термистор, термосопротивление.
Какая его конструкция, какие задачи он выполняет и как он устроен — об этом в этой статье.
Назначение
Если есть в названии этой радиодетали термин «термо» логично предположить, что его назначение необходимо в тех сферах электроники, которые зависимы от температурных режимов:
Это основные области применения, где очень нужны такие детали.
Наибольшее применение типовых терморезисторов нашлось для лимитирования пусковых токов, при запуске различного оборудования.
Как один из примеров можно привести процесс при запуске разного рода аппаратов. Когда подается напряжение к блоку питания, конденсатор моментально начинает набирать емкость, что ведет за собой повышению токовых нагрузок. Если этот процесс не контролировать, возрастает риск повреждения диодного моста.
Терморезистор в блоке питания компьютера
Термисторы из-за своей доступности чаще находят свое использование для таких бытовых устройств, как блок питания (БП). Он защищает электрическую цепь в случае резкого нагрева, контролируя температуру до безопасного уровня.
Как блоки питания, так и выпрямители, у которых есть конденсаторные фильтры, обладают существенным недостатком. При включении устройства конденсатору требуется незначительный промежуток времени на его зарядку. Этого времени хватает на кратковременный бросок тока, превышающий рабочие параметры БП в несколько раз.
Естественно, любое превышение токовых нагрузок нежелательно для электронных схем.
Приведенная выше схема актуальна для БП мощностью не выше 800 Вт.
В режиме ожидания (при выключенном питании) терморезисторы с естественной температурой, которая есть в помещении.
Когда БП включается, всплеск тока гасится сопротивлением NTC-термистора. В дальнейшем эта деталь нагреется и выйдет на рабочий режим, который не влияет на работу схемы питания.
Как такие полупроводники работают
Производители таких деталей допускают их максимальную чувствительность к перемене в температурном режиме. При нагреве число активно заряженных частиц возрастает. От количества таких частиц зависит проводимость элемента.
Важно понимать, что аналогичный полупроводниковый элемент работает по типу подчиненности к температурным режимам металла в составе компонента. В них применяются элементы с содержанием:
Но надо учитывать принцип действия терморезистора. От этого будет зависеть, как он будет работать — на повышение или понижение сопротивления, когда меняется рабочая температура элемента.
Терморезисторы разделяются на такие основные разновидности как — NTC или PTC.
Изделия такого типа обладают отрицательными ТКХ. Их отличие в том, что внутреннее сопротивление термистора способно уменьшаться при увеличении t0, и наоборот. Если температурная нагрузка t0 уменьшается, то сопротивление R увеличивается.
Такие характеристики важны в тех случаях, когда необходимо ограничить пусковой ток при:
Также термистор нужен в блоке питания для понижения зарядных токов.
Терморезисторы NTC-типа находят применение и в автомобильной промышленности, как датчик для автоматического управления системой климат-контроль. Или как датчик контроля перегрева двигателя. Если допустимо безопасный режим превышается, уходит управляющая команда на реле управления и двигатель автоматически глушится.
Элементы NTC-типа — могут быть применены в системах пожаротушения, как датчик пожара, который обнаруживает быстрый рост температуры и включающий пожарную сигнализацию.
На этих миниустройствах может быть нанесена буквенная маркировка или цветовая в виде полосок или колец. Вид рисунка зависит от того где сделан компонент, его типа и ряда других параметров.
Для примера расшифруем маркировку 4D-21.
4D — показывает, что его номинал рассчитан для температур до 24 градусов Цельсия. Цифра 21 — диаметр элемента.
Чтобы правильно подобрать этот элемент существуют специальные таблицы, с рассчитанными параметрами работы. Например, такая как для термисторов SCN-серии:
Аналогичные таблицы помогают выбрать элемент в нужном рабочем диапазоне под свои задачи.
Существуют и PTC — термисторы, у которых ТКС положительный.
При нагреве детали ее внутренне сопротивление растёт. Такие изделия часто можно было встретить в старых цветных телевизионных приемниках с кинескопами.
На сегодняшний день можно выделить два типа деталек РТС — с двумя или тремя выводами.
У изделий с тремя контактами основное отличие в том, что у них два позитрона в виде «таблеток», заключенных в один корпус.
Внешне эти два элемента выглядят практически идентично. Но это обманчивое впечатление.
Они отличаются как размером, так и сопротивлением.
В первом случае рабочий диапазон от 1.4 до 3.7 кОм, а во втором варианте — 17–25 Ом.
Двухвыводные детали чаще всего производятся с добавлением кремния (Si). Выглядят как небольшая таблетка с парой выводов.
РТС элементы чаще всего употребляются для защиты от перегрузок силового оборудования и его перегрева. И для поддержания корректной температуры в безопасно устойчивых диапазонах.
Сфера применения
Более дорогой элемент защиты применяется в сложных производственных процессах, как своего рода предохранитель. К примеру, их могут вмонтировать на исполнительное реле, которое при нагреве этой радиодетали отключает всю электрическую цепь.
Также они нужны для:
Классификация по уровням температур:
Разновидности
Перечислим основные виды типовых терморезисторов:
Основные характеристики
Применяя такие электронные элементы и чтобы знать, что такое терморезистор, надо понимать и учитывать такие характеристики как:
Преимущества
Основные достоинства этих электронных деталей:
Как проверить
Перед тем как проверить термистор необходимо подготовиться:
Дальше все просто. Принцип проверки общий. Для всех элементов такого типа. Щупы прибора подсоединяем к нашей детали и измеряем сопротивление, но:
Для наглядности, как происходит процесс проверки на работоспособность, посмотрим на картинку снизу.
Здесь хорошо видно как при нагревании паяльником сопротивление радиоэлемента уменьшается от значения в 5.1 Ом до величины в 2.7 Ом. Очевидно, что этот элемент работает.
Если все у вас произошло, как написано выше — ваша радиодеталь исправна.
Если вы видите, что сопротивление терморезистора меняется не плавно или вообще ничего не меняется, (чего быть недолжно) этот элемент неисправен.
Важно! Вышеописанный способ довольно грубый. Правильно будет если при испытании замерять и сопротивление элемента, и температуру нагрева.
Схематичное отображение
Схематичное отображение имеет тоже свои особенности.
Отображаться терморезистор на принципиальной схеме может по-разному.
В Европе он отображается как обычное сопротивление, но по диагонали с «полочкой» рядом с которой стоит бука t.
Также могут быть буквенные обозначения:
Но терморезистор имеет другое обозначение на схеме в США или Японии:
SMD-тип
Присутствуют в электронном мире также еще типы таких терморезисторов, как:
SMD — детали. Обладают главной особенностью — своим типом установки (внешним креплением) откуда его сложно выпаять.
Формы
Эти детальки могут быть в разнообразном исполнении, к примеру, как:
Самые миниатюрные — в виде бусинок размером менее 1 миллиметра. Не смотря на это, параметры довольно стабильные. Но есть и недостаток — не взаимозаменяемость в электрических схемах.
Видео по теме
Что такое терморезисторы, их конструкция, виды, технические параметры
Соблюдение теплового режима в современных электронных устройствах не менее важно, чем обеспечение параметров электрического тока. Перегрев для полупроводниковых приборов так же губителен, как и резкое увеличение напряжения. Поэтому для контроля температуры термочувствительных электронных приборов применяются электрические схемы с использованием температурных датчиков, таких как терморезистор. Другие названия: термистор, термосопротивление.
Что такое терморезистор?
Обычный резистор обладает относительно стабильным сопротивлением. Разумеется, электрическое сопротивление обычного резистора может меняться при значительном его нагревании (в пределах допусков). Но в штатном режиме показания этих устройств стабильны, чего, собственно, добиваются разработчики.
При изготовлении терморезисторов умышленно подбирают такие материалы, сопротивление которых зависит от температуры. То есть, терморезистор – это полупроводниковый прибор, обладающий зависимостью его сопротивления от температуры. Можно сказать, что путем нагревания или охлаждения таких полупроводниковых устройств можно управлять их сопротивлениями.
Рис. 1. Терморезистор и его изображение на схемах
Температурные зависимости полупроводниковых резисторов широко применяются на практике, о чем речь пойдёт ниже. Заметим только, что термисторы являются, по сути, переменными резисторами, сопротивление которых изменяется не механическим способом, а зависит от степени нагрева и температурных характеристик применяемых полупроводниковых материалов. Причем не важно, прямым или косвенным нагревом произошло изменение температурных показателей.
Конструкция
Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых выводов. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (Схема строения показана на рисунке 2).
В качестве термочувствительного материала используют оксиды металлов. Для защиты конструкции используют стеклянный, пластиковый или металлический корпус.
Рис. 2. Конструкция простого термистора
В некоторых случаях в качестве резистивного материала используют медь или платину. Эти материалы обладают высокими показателями ТКС металлов в рабочем диапазоне температур. Однако их применение ограничено по причине дороговизны платины и ее нелинейности преобразования.
Использование медных терморезисторов ограничивается низкой коррозионной сопротивляемостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Применяются для температур не выше 180 ºC.
Еще одним недостатком металлических термосопротивлений является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции мало пригодны для поддержания теплового режима электроприборов, но они идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.
С целью уменьшения тепловой инерционности терморезисторы изготавливают из микропроводов, которые заключают в стеклянную колбочку (см. рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, отличаются стабильностью, а их инерционность не превышает долей секунд.
Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе
Широкое распространение получили типы датчиков на базе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников происходит насыщение этих материалов электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.
Существуют конструкции плоских терморезисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.
Рис. 4. Конструкция плоского терморезистора
Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых применен способ SMT монтажа. Для этих целей промышленность выпускает SMD-терморезисторы разных номиналов (см. рис. 5).
Рис. 5. Терморезисторы для микроэлектроники
В большинстве конструкций терморезистивный элемент изготовляют методом порошковой металлургии. В этих целях используют материалы:
Очертание резистивных элементов может иметь форму бусинок, стержней, трубочек, пластинок и т. п.
Какую конструкцию вы бы не выбрали, принцип работы остается неизменным – зависимость сопротивления от температуры. Отличаются изделия только параметрами.
Режим работы терморезисторов
В зависимости от конструкторских замыслов, термисторы могут работать в системах с разными температурными режимами. Однако для каждой модели существует своя номинальная шкала температур.
По этому признаку их можно классифицировать следующим образом:
В отдельный класс выделены терморезисторы, способные работать при нагревах от 900 до 1300 К. Эти модели используют в качестве датчиков температуры различных нагревательных элементов.
Все термисторы выдерживают существенные токовые нагрузки. Правда, при работе в жестких термоцикличных режимах, их термоэлектрические характеристики, могут изменяться. Со временем изменения коснутся номинального сопротивления и коэффициента сопротивления.
Разновидности
Все терморезисторы классифицируют по типу нагрева: прямой и косвенный. Для прямого подогрева используется ток цепи, в которую включен терморезистор. Косвенный подогрев создают сторонние участки схемы или тепловые элементы.
Пример терморезистора прямого подогрева показан на рис. 6.
Рис. 6. Терморезисторы прямого подогрева
Также, в зависимости от того – повышается или понижается сопротивление при нагревании резистивного элемента, различают термисторы двух видов:с отрицательным ТКС и терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления.
Полупроводниковые модели (термисторы) обладают отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. Это значит, что они уменьшают номинальное сопротивление (показания при 25 ºC), в результате нагрева. Температурный коэффициент показывает, на сколько процентов уменьшается сопротивление резистивного элемента при повышении температуры нагрева на 1 ºC.
Термисторы NTC с отрицательным коэффициентом обычно применяются в диапазоне рабочих температур от 25 ºC до 200 ºC. Для температур свыше 600 ºC применяют термопары.
Терморезисторы типа PTC обладают положительными температурными коэффициентами. Эти PTC-термисторы часто именуют позисторами, чтобы подчеркнуть положительность температурного коэффициента. Под этим термином мы понимаем терморезистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры.
Технические параметры
Большое разнообразие моделей термосопротивлений продиктовано потребностями современной электронной промышленности. Технические параметры изделий полупроводникового типа позволяют полностью удовлетворить спрос производителей радиоэлектронных и электротехнических устройств.
К основным параметрам относятся:
Полупроводниковые термисторы обладают высокой чувствительностью в сочетании с отрицательными значениями ТКС. Они просты в изготовлении, имеют крохотные размеры, легко встраиваются в микросхемы. Все эти свойства делают термисторы незаменимыми в микроэлектронике.
Полупроводниковые термисторы подключаются через мостовую схему. Такое подключение позволяет в автоматическом режиме регулировать требуемые параметры электрических цепей. Иногда для этих целей приходится применять довольно сложные схемы автоматики.
Параметры металлических терморезисторов больше подходят для электротехнических устройств, в частности, они используются в качестве датчиков температуры. Их можно увидеть в водонагревательных установках, или в термометрах сопротивления. Такие типы датчиков (рис. 7) очень надежны в работе, имеют довольно широкий диапазон измерения.
Рис. 7. Датчик температуры
Датчики этого типа подключаются по простой схеме. Если требуется провести калибровку или выставить температуру, это обычно делается вручную, с помощью потенциометра. Простая схема подключения датчика температуры показана на рис. 8. Изменяя потенциометром напряжение можно влиять на величину ТКС. Визуально контролировать температуру можно с помощью амперметра, шкала которого проградуирована в градусах.
Рис. 8. Простая схема подключения терморезистора
Обозначение на схемах
На принципиальной схеме значки терморезисторов почти такие же, как и символы обычных резисторов, но с косой линией, перечеркивающей прямоугольник. (см. рис. 9). Для различения типа терморезистора внизу этой косой линии проставляют букву t со значком градуса и знаком «+» или «–», в зависимости от типа изделия. Например, +tº или –tº.
Рис. 9. Обозначение на схемах
Иногда проставляется номинал терморезистора и его температурный диапазон.
Маркировка
Существует два способа маркировки – буквенно-цифровая и цветовая, в виде колец и полосок. Единых требований для буквенной маркировки не существует – разные производители применяют свои варианты обозначений. Например, на дисковом термисторе могут стоять символы «15D-30», что расшифровывается так: номинальное сопротивление 15 Ом, диаметр изделия 30 мм. Здесь значение диаметра прямо связано с рассеиваемой мощностью – чем больше диаметр, тем больше рассеиваемая мощность термистора.
Заметим, что у другого производителя эти же параметры могут маркироваться совсем другим способом. Поэтому лучше пользоваться технической документацией изготовителя изделия.
Применение
В основном терморезисторы используют для защиты оборудования и различных устройств от перегрева и от возможных перегрузок. Реже зависимостью сопротивления стабилизируют работу нагревательного элемента.
Примеры использования:
В большинстве схем используется способность термисторов преобразовывать внутреннюю энергию в электрический сигнал, который считывается автоматикой.
В нагревательных приборах терморезистор довольно часто используется в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Его сопротивление возрастает при достижении критической температуры и в результате этого электрическая цепь размыкается.
После остывания прибор восстанавливает работоспособность.
Сферы применения можно перечислять очень долго, но и эти примеры показывают, насколько востребованными оказались термисторы и термисторы.