Термистор

редактировать

Тип резистора, сопротивление которого зависит от температуры

Термистор
Электронный символ
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), тип борта, изолированные провода
Тип	Пассивный
Принцип работы	Электрическое сопротивление
. Символ термистора

A термистор - это тип резистора, сопротивление зависит от температуры, в большей степени, чем у стандартных резисторов. Слово представляет собой комбинацию теплового и резистора. Термисторы широко используются в качестве ограничителей пускового тока, датчиков температуры (обычно с отрицательным температурным коэффициентом или типа NTC ), самовосстанавливающихся предохранителей от перегрузки по току и саморегулирующихся нагревательные элементы (с положительным температурным коэффициентом или тип PTC, как правило).

Термисторы бывают двух противоположных основных типов:

С термисторами NTC сопротивление уменьшается при повышении температуры. NTC обычно используется в качестве датчика температуры или последовательно со схемой в качестве ограничителя пускового тока.
С термисторами PTC сопротивление увеличивается при повышении температуры. Термисторы PTC обычно устанавливаются последовательно со схемой и используются для защиты от условий перегрузки по току в качестве сбрасываемых предохранителей.

Термисторы обычно производятся с использованием порошковых оксидов металлов. Благодаря значительно улучшенным формулам и технологиям за последние 20 лет термисторы NTC теперь могут достигать точности в широком диапазоне температур, таких как ± 0,1 ° C или ± 0,2 ° C от 0 ° C до 70 ° C с превосходной долгосрочной стабильностью. Термисторные элементы NTC бывают разных стилей, например, с осевыми выводами в стеклянной капсуле (диоды DO-35, DO-34 и DO-41), микросхемы со стеклянным покрытием, с эпоксидным покрытием с неизолированным или изолированным выводным проводом и для поверхностного монтажа, например а также стержни и диски. Типичный диапазон рабочих температур термистора составляет от -55 ° C до +150 ° C, хотя некоторые термисторы в стеклянном корпусе имеют максимальную рабочую температуру +300 ° C.

Термисторы отличаются от резистивных датчиков температуры (RTD) тем, что в термисторе обычно используется керамический или полимерный материал, а в RTD используются чистые металлы. Температурный отклик также отличается; Термометры сопротивления полезны в более широких диапазонах температур, тогда как термисторы обычно обеспечивают большую точность в ограниченном диапазоне температур, обычно от -90 ° C до 130 ° C.

Содержание

1 Основные операции
2 Уравнение Стейнхарта – Харта
3 уравнение параметра B или β
4 Модель проводимости
- 4.1 NTC (отрицательный температурный коэффициент)
- 4.2 PTC (положительный температурный коэффициент)
5 Эффекты самонагрева
6 Области применения
- 6.1 PTC
- 6.2 NTC
7 История
8 См. Также
9 Ссылки
10 Внешние ссылки

Базовая операция

Предполагая, в качестве приближения первого порядка, что зависимость между сопротивлением и температурой линейная, тогда

Δ R = k Δ T, {\ displaystyle \ Delta R = k \ Delta T,}

{\ displaystyle \ Delta R = k \ Delta T,}

где

Δ R {\ displaystyle \ Delta R}

\ Delta R

, изменение сопротивления,

Δ T {\ displaystyle \ Delta T}

\ Delta T

, изменение температуры,

k {\ displaystyle k}

k

, температурный коэффициент сопротивления первого порядка.

Термисторы могут быть отнесены к на два типа, в зависимости от знака $k {\ displaystyle k}$ $k$ . Если $k {\ displaystyle k}$ $k$ является положительным, сопротивление увеличивается с повышением температуры, и устройство называется положительным температурным коэффициентом (PTC ) термистор или позистор . Если $k {\ displaystyle k}$ $k$ отрицательно, сопротивление уменьшается с увеличением температуры, и устройство называется отрицательным температурным коэффициентом (NTC ). термистор. Резисторы, которые не являются термисторами, имеют $k {\ displaystyle k}$ $k$ 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 $α T {\ displaystyle \ alpha _ {T}}$ $\ alpha _ { T}$ («alpha sub T»). Он определяется как

α T = 1 R (T) d R d T. {\ displaystyle \ alpha _ {T} = {\ frac {1} {R (T)}} {\ frac {dR} {dT}}.}

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

Это $α T {\ displaystyle \ alpha _ Коэффициент {T}}$ $\ alpha _ { T}$ не следует путать с параметром $a {\ displaystyle a}$ $a$ ниже.

Уравнение Стейнхарта – Харта

В практических устройствах модель линейного приближения (см. Выше) точна только в ограниченном диапазоне температур. В более широких диапазонах температур более сложная передаточная функция сопротивление – температура обеспечивает более точную характеристику характеристик. Уравнение Стейнхарта – Харта является широко используемым приближением третьего порядка:

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

{\ displaystyle {\ 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. Чтобы определить сопротивление как функцию температуры, можно решить приведенное выше кубическое уравнение в $ln ⁡ R {\ displaystyle \ ln R}$ ${\ displaystyle \ ln R}$ , действительный корень которого дается как

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

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

где

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

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

Ошибка в уравнении Стейнхарта – Харта обычно меньше 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 K):

a = 1,40 × 10 - 3, b = 2,37 × 10 - 4, c = 9,90. × 10 - 8. {\ displaystyle {\ begin {align} a = 1,40 \ times 10 ^ {- 3}, \\ b = 2,37 \ times 10 ^ {- 4}, \\ c = 9,90 \ times 10 ^ {- 8}. \ конец {выровнено}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} a = 1,40 \ times 10 ^ {- 3}, \\ b = 2,37 \ times 10 ^ {- 4}, \\ c = 9,90 \ times 10 ^ {- 8}. \ End {align}}}

Уравнение параметра B или β

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

1 T = 1 T 0 + 1 B ln ⁡ RR 0, {\ displaystyle {\ frac {1} {T}} = {\ frac {1} {T_ {0}}} + {\ frac {1} {B}} \ ln {\ frac {R} {R_ {0}} },}

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

, где температуры находятся в кельвинах, а R 0 - сопротивление при температуре T 0 (25 ° C = 298,15 K). Решение относительно R дает

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

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

или, альтернативно,

R = r ∞ e B / T, {\ displaystyle R = r _ {\ infty} e ^ {B / T},}

{\ displaystyle R = r _ {\ infty} e ^ {B / T},}

где $r ∞ = R 0 e - B / T 0 {\ displaystyle r _ {\ infty} = R_ {0} e ^ {- B / T_ {0}}}$ ${\ displaystyle r _ {\ infty} = R_ {0} e ^ {- B / T_ {0}}}$ .

Это можно решить для температуры:

T = B ln ⁡ (R / r ∞). {\ displaystyle T = {\ frac {B} {\ ln (R / r _ {\ infty})}}.}

{\ displaystyle T = {\ frac {B} {\ ln (R / r _ {\ infty})}}.}

Уравнение B-параметра также можно записать как $ln ⁡ R = B / T + пер ⁡ р ∞ {\ Displaystyle \ пер р = В / Т + \ пер р _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle \ ln R = B / T + \ ln r _ {\ infty}}$ . Это можно использовать для преобразования зависимости сопротивления термистора от температуры в линейную функцию от $ln ⁡ R {\ displaystyle \ ln R}$ $\ ln R$ vs. $1 / T {\ displaystyle 1 / T}$ $1 / T$ . Тогда средний наклон этой функции даст оценку значения параметра B.

Модель проводимости

NTC (отрицательный температурный коэффициент)

Неисправный (перегорел) термистор NTC, который работал как ограничитель пускового тока в импульсном блоке питания

Многие термисторы NTC изготавливаются из прессованного диска, стержня, пластины, борта или литого чипа из полупроводникового материала, такого как спеченный металл оксиды. Они работают, потому что повышение температуры полупроводника увеличивает количество активных носителей заряда, что продвигает их в зону проводимости. Чем больше носителей заряда доступно, тем больше тока может проводить материал. В некоторых материалах, таких как оксид железа (Fe 2O3) 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, где дырки являются носителями заряда.

Это описывается формулой

I = N ⋅ A ⋅ v ⋅ e, {\ displaystyle I = n \ cdot A \ cdot v \ cdot e,}

{\ displaystyle I = п \ cdot A \ cdot v \ cdot e,}

где

I {\ displaystyle I}

I

= электрический ток (амперы),

n {\ displaystyle n}

n

= плотность носителей заряда (количество / м),

A {\ displaystyle A}

A

= площадь поперечного сечения материала (м),

v {\ displaystyle v}

v

= скорость дрейфа электронов (м / с),

e {\ displaystyle e}

e

= заряд электрона (

e = 1.602 × 10-19 {\ displaystyle e = 1.602 \ times 10 ^ {- 19}}

{\ displaystyle 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 много различных полупроводниковых термисторов с диапазоном от 0,01 кельвина до 2000 кельвинов (от -273,14 ° C до 1700 ° C).

Стандартный символ IEC для термистор 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), которые обладают тем свойством, что их сопротивление внезапно возрастает при определенной критической температуре. Титанат бария является сегнетоэлектриком, и его диэлектрическая постоянная изменяется в зависимости от температуры. Ниже температуры точки Кюри высокая диэлектрическая постоянная 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, чтобы обеспечить образование потенциальных барьеров на границах зерен, а сопротивление резко увеличивается с температурой. При еще более высоких температурах материал возвращается к NTC-поведению.

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. Кремниевые термисторы PTC имеют гораздо меньший дрейф, чем термисторы NTC. Это стабильные устройства, которые герметично запечатаны в корпусе, заключенном в аксиальный витраж.

Термисторы из титаната бария могут использоваться в качестве саморегулируемых нагревателей; при заданном напряжении керамика будет нагреваться до определенной температуры, но используемая мощность будет зависеть от потерь тепла керамикой.

Динамика включенных термисторов PTC позволяет использовать их в широком спектре приложений. При первом подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому холодному сопротивлению, но по мере саморазогрева термистора ток уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут предельный ток (и соответствующая пиковая температура устройства). Эффект ограничения тока позволяет заменить предохранители. В схемах размагничивания многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров правильно подобранный термистор включен последовательно с катушкой размагничивания. Это приводит к плавному уменьшению тока для улучшения эффекта размагничивания. Некоторые из этих схем размагничивания имеют дополнительные нагревательные элементы для дополнительного нагрева термистора (и уменьшения результирующего тока).

Другой тип термистора PTC - это полимерный PTC, который продается под торговыми марками, такими как «Polyswitch », «Semifuse» и «Multifuse». Он состоит из пластика с внедренными в него зернами углерода. Когда пластик остынет, все зерна углерода контактируют 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. Подобно термистору BaTiO 3, это устройство имеет сильно нелинейную характеристику сопротивления / температуры, полезную для управления температурой или схемой, 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 «защелкиваются» в горячем состоянии / состоянии с высоким сопротивлением: будучи горячими, они остаются в этом состоянии с высоким сопротивлением до тех пор, пока не остынут. Эффект может использоваться как примитивная схема защелки / памяти, причем эффект усиливается за счет последовательного использования двух термисторов PTC, один из которых холодный, а другой горячий.

172>Стандартный символ IEC для термистора PTC включает "+ t °" под прямоугольником.

Эффекты самонагрева

Когда ток проходит через термистор, он выделяет тепло, что повышает 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 планере планер скороподъемности, электронном вариометре или служить в качестве таймера для реле, как это было раньше в телефонных станциях.

. Входная электрическая мощность на термистор составляет всего

PE = IV, {\ displaystyle P_ {E} = IV,}

{\ displaystyle P_ {E} = IV,}

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

PT = K (T (R) - T 0), {\ displaystyle P_ {T} = K (T (R) -T_ {0}),}

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

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

P E = P T. {\ displaystyle P_ {E} = P_ {T}.}

{\ displaystyle P_ {E} = P_ {T}.}

Ток и напряжение на термисторе зависят от конкретной конфигурации схемы. В качестве простого примера, если напряжение на термисторе остается фиксированным, то по закону Ома мы имеем $I = V / R {\ displaystyle I = V / R}$ $I = V / R$ , и уравнение равновесия может быть решено для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:

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

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

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 термистора зависят от значительного «самонагрева», чтобы поднять температуру корпуса термистора значительно 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.

Приложения

PTC

В качестве токоограничивающих устройств для защиты цепей, как замена 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, вызывая повышение его сопротивления. Это создает эффект самоусиления, 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 (из-за простоты) и недорога.
В качестве обогревателя в автомобильной промышленности для обеспечения дополнительного тепла внутри кабины с дизельным двигателем или для подогрева дизеля перед двигателем в холодных климатических условиях
В термокомпенсации синтезаторе генераторы, управляемые напряжением.
В схемах защиты литиевой батареи.
В электрически управляемом парафиновый двигатель для обеспечения тепла, необходимого для расширения парафина.
Многие электродвигатели и силовые трансформаторы сухого типа содержат в своих обмотках термисторы с положительным температурным коэффициентом. 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, когда сопротивление резко возрастает при максимально допустимой температуре обмотки, вызывая срабатывание реле.
В кварцевых генераторах для температурной компенсации, контроля температуры медицинского оборудования и В промышленной автоматизации кремниевые терморезисторы PTC имеют почти линейный положительный температурный коэффициент (0,7% / ° C). При необходимости дальнейшей линеаризации можно добавить резистор линеаризации.

NTC

В качестве термометра сопротивления для низкотемпературных измерений порядка 10 К.
В качестве устройства ограничения пускового тока в цепях питания они имеют более высокую сначала сопротивление, которое предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагревается и становится намного более низким сопротивлением, позволяя протекать большему току во время нормальной работы. Эти термисторы обычно намного больше, чем термисторы измерительного типа, и специально разработаны для этого применения.
В качестве датчиков в автомобильной промышленности для контроля температуры жидкости, такой как охлаждающая жидкость двигателя, воздух в салоне, температура наружного воздуха или моторного масла и передавать относительные показания на блоки управления, такие как ECU и на приборную панель.
Для контроля температуры инкубатора.
Термисторы также широко используются в современных цифровые термостаты 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 в системах хранения и приготовления пищи. Поддержание правильной температуры имеет решающее значение для предотвращения болезней пищевого происхождения.
в индустрии бытовых приборов для измерения температуры. Тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены для волос и т. Д. - все полагаются на термисторы для надлежащего контроля температуры.
Термисторы NTC бывают голыми и в проушинах, первые предназначены для точечного измерения для достижения высокой точности для конкретных точки, такие как матрица лазерного диода и т. д.
Для измерения профиля температуры внутри герметичной полости конвективного (теплового) инерционного датчика.
Термисторные датчики в сборе обеспечивают защиту датчика в суровых условиях. Чувствительный элемент термистора может быть упакован 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 конфигурации включают резьбовые (NPT и т. Д.), Фланцевые (с монтажными отверстиями для простоты установки) и прямые (плоский наконечник, заостренный наконечник, закругленный наконечник и т.д.). Узлы термисторных зондов очень прочны и легко настраиваются в соответствии с потребностями приложения. Сборки зондов приобрели популярность с годами по мере совершенствования технологий исследований, проектирования и производства.

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 при повышении температуры. (Это также было первое задокументированное наблюдение полупроводникового материала.)

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

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы по теме Термисторы.