Термистор

Термистор — полупроводникового типа это резистор , сопротивление которого сильно зависит от температуры, в большей степени, чем у стандартных резисторов. Слово «термистор» представляет собой сочетание слов «термический» и «резистор» .

Термисторы классифицируются в зависимости от их моделей проводимости. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) имеют меньшее сопротивление при более высоких температурах, тогда как термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) имеют большее сопротивление при более высоких температурах.

Термисторы NTC широко используются в качестве ограничителей пускового тока и датчиков температуры, а термисторы PTC используются в качестве самовосстанавливающихся устройств защиты от перегрузки по току и саморегулирующихся нагревательных элементов . Диапазон рабочих температур термистора зависит от типа зонда и обычно составляет от –100 до 300 °C (от –148 до 572 °F).

Термистор

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), шарикового типа, изолированные провода
Тип	Пассивный
Working principleПринцип работы	Электрическое сопротивление
Электронный символ
Символ термистора или варистора

Типы

В зависимости от используемых материалов терморезисторы подразделяются на два типа:

• У NTC термисторов сопротивление уменьшается с повышением температуры; обычно из-за увеличения количества электронов проводимости, выброшенных из валентной зоны в результате термического возбуждения. NTC обычно используется в качестве датчика температуры или последовательно со цепью в качестве ограничителя пускового тока .
• У PTC термисторов сопротивление увеличивается с повышением температуры; обычно из-за повышенного термического перемешивания решетки, особенно из-за примесей и дефектов. Термисторы PTC обычно устанавливаются последовательно с цепью и используются для защиты от перегрузки по току в качестве самовосстанавливающихся предохранителей.

Термисторы обычно производятся с использованием порошкообразных оксидов металлов. Благодаря значительно усовершенствованным формулам и методам за последние 20 лет. , NTC-термисторы теперь могут достигать точности в широком диапазоне температур, например ±0,1 °C или ±0,2 °C от 0 °C до 70 °C, с превосходной долгосрочной стабильностью. Термисторные элементы NTC бывают разных стилей. такие как осевые выводы в стеклянной капсуле (диоды DO-35, DO-34 и DO-41), микросхемы со стеклянным покрытием, с эпоксидным покрытием, с голым или изолированным проводом и для поверхностного монтажа, а также тонкопленочные версии. Типичный диапазон рабочих температур термистора составляет от -55 °C до +150 °C, хотя некоторые термисторы со стеклянным корпусом имеют максимальную рабочую температуру +300 °C.

Термисторы отличаются от резистивных температурных детекторов (РТД) тем, что в термисторах обычно используется керамика или полимер, тогда как в РДТ используются чистые металлы. Температурная реакция также различна; RTD полезны в более широком диапазоне температур, в то время как термисторы обычно обеспечивают большую точность в ограниченном диапазоне температур, обычно от -90 ° C до 130 ° C.

Основная операция

Если предположить в первом приближении, что зависимость между сопротивлением и температурой линейная , то

$\Delta R=k\,\Delta T,$

где

$\Delta R$, изменение сопротивления,

$\Delta T$, изменение температуры,

$k$ первого порядка , температурный коэффициент сопротивления .

В зависимости от типа рассматриваемого термистора $k$ может быть как положительным, так и отрицательным.

Если $k$ Положителен ) температуры, и устройство называется с положительным температурным коэффициентом ( ПТК , сопротивление увеличивается с увеличением термистором или позистором . Существует два типа резистора PTC — переключающий термистор и силистор . Если $k$ имеет отрицательное значение, сопротивление уменьшается с увеличением температуры, и устройство называется с отрицательным температурным коэффициентом ( NTC ) термистором . Резисторы, не являющиеся термисторами, рассчитаны на $k$ как можно ближе к 0, чтобы их сопротивление оставалось практически постоянным в широком диапазоне температур.

Вместо температурного коэффициента k иногда используют температурный коэффициент сопротивления $\alpha _{T}$ используется («альфа-субТ»). Это определяется как

$\alpha _{T}={\frac {1}{R(T)}}{\frac {dR}{dT}}.$

Этот $\alpha _{T}$ коэффициент не следует путать с коэффициентом $a$ параметр ниже.

Строительство и материалы

Термисторы обычно изготавливаются с использованием оксидов металлов. Обычно их прессуют в шарики, диски или цилиндрические формы, а затем герметизируют непроницаемым материалом, например эпоксидной смолой или стеклом.

NTC-термисторы изготавливаются из оксидов металлов группы железа : например, хрома ( CrO , Cr ₂ O ₃ ), марганца (например, MnO ), кобальта ( CoO ), железа ( оксиды железа ) и никеля ( NiO , Ni ₂ O ₃₎ . ). эти оксиды образуют керамический корпус с клеммами, состоящими из проводящих металлов, таких как серебро, никель и олово.

ПТК обычно готовят из титанатов бария (Ba), стронция или свинца (например, PbTiO ₃ ).

Уравнение Стейнхарта – Харта

Основная статья: уравнение Стейнхарта – Харта

В практических устройствах модель линейного приближения (см. выше) точна только в ограниченном диапазоне температур. В более широком диапазоне температур более сложная передаточная функция сопротивление-температура обеспечивает более точную характеристику характеристик. Уравнение Стейнхарта – Харта представляет собой широко используемое приближение третьего порядка:

${\frac {1}{T}}=a+b\ln R+c\,(\ln R)^{3},$

где a , b и c называются параметрами Стейнхарта – Харта и должны быть указаны для каждого устройства. T — абсолютная температура , а R — сопротивление. Уравнение не является размерно правильным, поскольку изменение единиц R приводит к уравнению другой формы, содержащему $(\ln R)^{2}$ срок. На практике уравнение дает хорошие численные результаты для сопротивлений, выраженных в Омах или кОм, но коэффициенты a, b и c должны указываться со ссылкой на единицы измерения. Чтобы определить сопротивление как функцию температуры, приведенное выше кубическое уравнение в $\ln R$ можно решить, действительный корень которого равен

$\ln R={\frac {b}{3c\,x^{1/3}}}-x^{1/3}$

где

${\begin{aligned}y&={\frac {1}{2c}}\left(a-{\frac {1}{T}}\right),\\x&=y+{\sqrt {\left({\frac {b}{3c}}\right)^{3}+y^{2}}}.\end{aligned}}$

Ошибка в уравнении Стейнхарта-Харта обычно составляет менее 0,02 °C при измерении температуры в диапазоне 200 °C. Например, типичные значения для термистора с сопротивлением 3 кОм при комнатной температуре (25 °C = 298,15 К, R в Ом):

${\begin{aligned}a&=1.40\times 10^{-3},\\b&=2.37\times 10^{-4},\\c&=9.90\times 10^{-8}.\end{aligned}}$

B или β Уравнение параметра

Термисторы NTC также можно охарактеризовать уравнением параметра B (или β ), которое по сути представляет собой уравнение Стейнхарта – Харта с $a=1/T_{0}-(1/B)\ln R_{0}$, $b=1/B$ и $c=0$,

${\frac {1}{T}}={\frac {1}{T_{0}}}+{\frac {1}{B}}\ln {\frac {R}{R_{0}}},$

где температуры и параметр B выражены в кельвинах , а R ₀ — сопротивление термистора при температуре Т ₀ (25 °С = 298,15 К). Решение для R- выходов

$R=R_{0}e^{B\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{0}}}\right)}$

или, альтернативно,

$R=r_{\infty }e^{B/T},$

где $r_{\infty }=R_{0}e^{-B/T_{0}}$.

Это можно решить для температуры:

$T={\frac {B}{\ln(R/r_{\infty })}}.$

Уравнение B -параметра также можно записать как $\ln R=B/T+\ln r_{\infty }$. Это можно использовать для преобразования функции сопротивления в зависимости от температуры термистора в линейную функцию $\ln R$ против. $1/T$. Средний наклон этой функции тогда даст оценку значения B. параметра

Модель проводимости

NTC (отрицательный температурный коэффициент)

Неисправный (перегоревший) термистор NTC, который работал ограничителем пускового тока в импульсном источнике питания.

Многие термисторы NTC изготавливаются из прессованного диска, стержня, пластины, шарика или литого чипа из полупроводникового материала, такого как спеченные металлов оксиды . Они работают, потому что повышение температуры полупроводника увеличивает количество активных носителей заряда , продвигая 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), n-типа образуется полупроводник , а носителями заряда являются электроны . В таких материалах, как оксид никеля (NiO) с легированием литием (Li), p-типа создается полупроводник дырки . , где носителями заряда являются

Это описано в формуле

$I=n\cdot A\cdot v\cdot e,$

где

$I$ = электрический ток (амперы),

$n$ = плотность носителей заряда (отсчет/м ³ ),

$A$ = площадь поперечного сечения материала (м ² ),

$v$ = дрейфовая скорость электронов (м/с),

$e$ = заряд электрона ( $e=1.602\times 10^{-19}$ кулон).

При больших изменениях температуры необходима калибровка. При небольших изменениях температуры, если используется правильный полупроводник, сопротивление материала линейно пропорционально температуре. Существует множество различных полупроводниковых термисторов с диапазоном температур от 0,01 до 2000 кельвинов (от -273,14 до 1700 °C).

Стандартный символ IEC для термистора NTC включает «-t°» под прямоугольником.

PTC (положительный температурный коэффициент)

Большинство термисторов PTC изготовлены из легированной поликристаллической керамики (содержащей титанат бария (BaTiO ₃ ) и другие соединения), свойство которой состоит в том, что их сопротивление резко возрастает при определенной критической температуре. Титанат бария является сегнетоэлектриком , и его диэлектрическая проницаемость меняется в зависимости 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 настолько, что на границах зерен образуются потенциальные барьеры, а сопротивление резко возрастает с температурой. При еще более высоких температурах материал возвращается к свойствам NTC.

Другой тип термистора — силиистор (термочувствительный кремниевый резистор). В силисторах в качестве материала полупроводникового компонента используется кремний. В отличие от керамических ПТК-термисторов, силисторы имеют почти линейную температурную характеристику сопротивления. Кремниевые термисторы PTC имеют гораздо меньший дрейф, чем термисторы NTC. Это стабильные устройства, герметично запечатанные в осевой корпус из свинцового стекла.

Термисторы из титаната бария можно использовать в качестве саморегулирующихся нагревателей; при заданном напряжении керамика нагреется до определенной температуры, но используемая мощность будет зависеть от теплопотерь керамики.

Динамика питания PTC-термисторов позволяет найти широкий спектр применений. При первом подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому холодному сопротивлению, но по мере самонагревания термистора ток уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут предельный ток (и соответствующая пиковая температура устройства). Токоограничивающий эффект может заменить предохранители. В схемах размагничивания многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров правильно выбранный термистор подключается последовательно с катушкой размагничивания. Это приводит к плавному уменьшению тока для улучшения эффекта размагничивания. Некоторые из этих схем размагничивания имеют вспомогательные нагревательные элементы для дальнейшего нагрева термистора (и уменьшения результирующего тока).

Другим типом термистора PTC является полимерный PTC, который продается под такими торговыми марками, как « Polyswitch », «Semifuse» и «Multifuse». Он состоит из пластика со встроенными в него углеродными зернами. Когда пластик остынет, все зерна углерода соприкасаются друг с другом, образуя проводящий путь через устройство. Когда пластик нагревается, он расширяется, раздвигая углеродные зерна и вызывая повышение сопротивления устройства, что затем вызывает усиление нагрева и быстрое увеличение сопротивления. Как и термистор BaTiO ₃ , это устройство имеет сильно нелинейный отклик сопротивления/температуры, полезный для управления температурой или цепью, но не для измерения температуры. Помимо элементов схемы, используемых для ограничения тока, саморегулирующиеся нагреватели могут быть выполнены в виде проводов или полос, пригодных для обогрева . Термисторы PTC «фиксируются» в горячем состоянии/состоянии с высоким сопротивлением: будучи горячими, они остаются в этом состоянии с высоким сопротивлением до тех пор, пока не остынут. Эффект можно использовать в качестве примитивной схемы защелки/памяти , причем эффект усиливается за счет использования двух последовательных термисторов PTC, при этом один термистор холодный, а другой горячий.

Стандартный символ IEC для термистора PTC включает «+t°» под прямоугольником.

Эффекты самонагревания

Когда ток протекает через термистор, он генерирует тепло, которое повышает температуру термистора выше температуры окружающей среды. Если термистор используется для измерения температуры окружающей среды, этот электрический нагрев может внести значительную ошибку ( эффект наблюдателя ), если коррекция не будет сделана. В качестве альтернативы можно использовать сам этот эффект. Он может, например, стать чувствительным устройством измерения расхода воздуха, используемым в планера приборе для измерения скороподъемности , электронном вариометре , или служить таймером для реле , как это раньше делалось на телефонных станциях .

Потребляемая электрическая мощность на термисторе составляет всего лишь

$P_{E}=IV,$

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

$P_{T}=K(T(R)-T_{0}),$

где T ( R ) — температура термистора как функция его сопротивления R , $T_{0}$ — температура окружающей среды, а K — постоянная рассеяния , обычно выражаемая в милливаттах на градус Цельсия. В состоянии равновесия две ставки должны быть равны:

$P_{E}=P_{T}.$

Ток и напряжение на термисторе зависят от конкретной конфигурации схемы. В качестве простого примера: если напряжение на термисторе остается постоянным, то по закону Ома имеем $I=V/R$, и уравнение равновесия можно решить для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:

$T_{0}=T(R)-{\frac {V^{2}}{KR}}.$

Постоянная диссипации является мерой теплового соединения термистора с окружающей средой. Обычно оно дается 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 перемешанном масле. Если температура окружающей среды известна заранее, то для измерения значения постоянной диссипации можно использовать термистор. Например, термистор можно использовать в качестве датчика расхода, поскольку константа рассеяния увеличивается со скоростью потока жидкости мимо термистора.

Мощность, рассеиваемая в термисторе, обычно поддерживается на очень низком уровне, чтобы обеспечить незначительную погрешность измерения температуры из-за самонагрева. Однако некоторые применения термисторов зависят от значительного «самонагрева», позволяющего поднять температуру тела термистора значительно выше температуры окружающей среды, поэтому датчик затем обнаруживает даже незначительные изменения в теплопроводности окружающей среды. Некоторые из этих приложений включают обнаружение уровня жидкости, измерение расхода жидкости и измерение расхода воздуха.

Приложения

ПТК

• В качестве токоограничивающих устройств для защиты цепей, в качестве замены предохранителей. Ток, проходящий через устройство, вызывает небольшой резистивный нагрев. Если ток достаточно велик, чтобы генерировать тепло быстрее, чем устройство может передать его в окружающую среду, устройство нагревается, что приводит к увеличению его сопротивления. Это создает эффект самоусиления, который поднимает сопротивление вверх, тем самым ограничивая ток.
• В качестве таймеров в цепи катушки размагничивания большинства ЭЛТ-дисплеев. Когда блок индикации первоначально включен, ток протекает через термистор и катушку размагничивания. Катушка и термистор специально подобраны таким образом, чтобы ток нагревал термистор до такой степени, что катушка размагничивания отключается менее чем за секунду. Для эффективного размагничивания необходимо, чтобы величина переменного магнитного поля, создаваемого размагничивающей катушкой, уменьшалась плавно и непрерывно, а не резко выключалась или ступенчато уменьшалась; Термистор PTC выполняет это естественным образом при нагревании. Схема размагничивания с использованием термистора PTC проста, надежна (в силу своей простоты) и недорога.
• В качестве обогревателей в автомобильной промышленности для обогрева кабины (в дополнение к обогреву, обеспечиваемому тепловым насосом или отходящим теплом двигателя внутреннего сгорания) или для подогрева дизельного топлива в холодных условиях перед впрыском двигателя.
• В термокомпенсированных генераторах, управляемых напряжением, в синтезаторах .
• В литиевых батарей . схемах защиты
• с электроприводом В восковом двигателе для обеспечения тепла, необходимого для расширения воска.
• Многие электродвигатели и силовые трансформаторы сухого типа содержат в своих обмотках термисторы PTC. При использовании в сочетании с реле контроля они обеспечивают защиту от перегрева для предотвращения повреждения изоляции. Производитель оборудования выбирает термистор с сильно нелинейной кривой отклика, сопротивление которого резко возрастает при максимально допустимой температуре обмотки, что приводит к срабатыванию реле.
• Для предотвращения теплового разгона в электронных схемах. Многие электронные устройства, например биполярные транзисторы , потребляют больше энергии по мере нагревания. Обычно такие схемы содержат обычные резисторы для ограничения доступного тока и предотвращения перегрева устройства. Однако в некоторых приложениях термисторы PTC обеспечивают лучшую производительность, чем резисторы.
• Для предотвращения скачков тока в электронных схемах. Превышение тока может произойти при параллельном подключении электронных устройств. В тяжелых случаях ограничение тока может привести к каскадному отказу всех устройств. Термистор PTC, подключенный последовательно с каждым устройством, может обеспечить достаточно равномерное распределение тока между устройствами.
• В кварцевых генераторах для температурной компенсации, контроля температуры медицинского оборудования и промышленной автоматизации кремниевые PTC-термисторы демонстрируют почти линейный положительный температурный коэффициент (0,7%/°C). Если необходима дальнейшая линеаризация, можно добавить резистор линеаризации.

НТЦ

• В качестве термометра для измерения низких температур порядка 10 К.
• В качестве устройства ограничения пускового тока в цепях питания они изначально имеют более высокое сопротивление, что предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагреваются и становятся значительно более низкими сопротивлением, что позволяет протекать более высокий ток во время нормальной работы. Эти термисторы обычно намного больше, чем термисторы измерительного типа, и специально разработаны для этого применения.
• В качестве датчиков в автомобильных приложениях для контроля температуры жидкостей, таких как охлаждающая жидкость двигателя, воздуха в салоне, наружного воздуха или температуры моторного масла, и передачи относительных показаний в блоки управления, такие как ЭБУ , и на 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 промышленности и переработке, особенно в системах хранения и приготовления пищи. Поддержание правильной температуры имеет решающее значение для предотвращения заболеваний пищевого происхождения .
• Во всей отрасли бытовой техники для измерения температуры. Тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены и т. д. — все они используют термисторы для правильного контроля температуры.
• Термисторы NTC выпускаются в виде голых и с наконечниками, первый предназначен для точечного измерения для достижения высокой точности в определенных точках, например, кристалле лазерного диода и т. д.
• Для измерения профиля температуры внутри герметичной полости конвективного (теплового) инерционного датчика .
• Сборки термисторных зондов обеспечивают защиту датчика в суровых условиях. Термисторный чувствительный элемент может быть помещен в различные корпуса для использования в таких отраслях, как HVAC/R, автоматизация зданий, бассейны/СПА, энергетика и промышленная электроника. Корпуса могут быть изготовлены из нержавеющей стали, алюминия, медной латуни или пластика, а их конфигурации включают резьбу (NPT и т. д.), фланцевые (с монтажными отверстиями для удобства установки) и прямые (плоский наконечник, заостренный наконечник, радиусный наконечник и т. д.). ). Сборки термисторных датчиков очень прочны и легко адаптируются в соответствии с потребностями применения. Сборки зондов приобрели популярность с течением времени по мере совершенствования технологий исследований, проектирования и производства.
• Термисторы NTC категории XGPU2, признанные UL, помогают производителям оборудования экономить время и деньги при подаче заявок на получение сертификатов безопасности для их конечного продукта. Термисторы герметичные стеклянные ДО-35 могут работать при температуре до 250 °C, что дает им преимущество во многих приложениях, когда для чувствительного элемента требуется сертификат UL.

История

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

Поскольку первые термисторы было трудно производить, а применение этой технологии было ограничено, коммерческое производство термисторов началось только в 1930-х годах. Коммерчески жизнеспособный термистор был изобретен Сэмюэлем Рубеном в 1930 году.

См. также

• Термометр сопротивления
• Термопара
• Железо-водородный резистор
• Датчик растяжения

Внешние ссылки

• Термистор на bucknell.edu
• Расчет коэффициентов Стейнхарта-Харта для термисторов на sourceforge.net
• «Термисторы и термопары: соответствие инструмента задаче термической проверки» - Журнал технологий валидации