Терморезисторы принцип работы. Терморезисторы с отрицательным ТКС

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.

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.

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.

Большинство рассмотренных выше температурных датчиков не особенно популярны среди радиолюбителей, занимающихся творчеством в домашних условиях или на работе. Причин этого несколько - это и большая себестоимость, существенные размеры и необходимость применять специальные (достаточно сложные) электронные узлы для обеспечения их работы. Электронные конструкции, которые в изобилии предлагают своим читателям журналы по радиоэлектронике, используют в качестве термодат- чиков, в основном, терморезисторы. О них и пойдет речь ниже.

Терморезистор - это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это рези- стивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС - (-6,5…+70)%/С. Тер- морезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывз ния или возрастания его темпера!уоы Однако сам м<*чанизм из менения сопро "^вмо’-‘ия с г емперасурой отличен п. подобно! о явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры], а особенности э»ого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

Известно, что в 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х г одах двадцатого века у оксидов Ге 3 0 4 и UO ? ученые химики обнаружили высокий отрицательный температурный ‘коэффициент со противления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, СоО, соединениями NiO Со? 0 3 -Мп у О¦;. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению о-‘сида меди Мп л 0 4 в соединение Ni0-Mn ; -.0;;.

с отрицательным ГКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов за трудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, го электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда. Другие терморезисторы имеют положитепьный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников называют позисторагии.

Терморезсст^рм с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин о дзумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы St (кремния) как гь тэс и р-типе имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше причем ТКС нрп комнаг-юй температуре примерно равен 0,8% на 1 С,

2. Терморезисторн с большим ТКС -.до 70% на 1 е С), но в более ограниченном диапазоне темпеоятур Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120°С, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например, титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250°С. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большее изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например О…ЮО°С.

Устройство популярных терморезисторов

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Она амбивалентна на температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор. Температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС во всем рабочем интервале температур определяется формулой

Примечание. Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е6 с допуском ±20% (ММТ-1, КМТ-1); ряду Е12 с допусками ±10, ±20% (СТЗ-1).

Максимальная мощность рассеяния: КМТ-1: 1000 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 600 мВт Температурный коэффициент сопротивления: КМТ-1: ~(4,2…8,4)%/°С ММТ-1: -(2,4…5,6)%/°С СТЗ-1: -(3,35…3,95)%/°С Коэффициент температурной чувствительности: КМТ-1: 3600…7200 К ММТ-1: 2060…4300 К СТЗ-1: 2870…3395 К Коэффициент рассеяния: 5 мВт/°С Коэффициент энергетической чувствительности: КМТ-1: 1 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 1,3 мВт Постоянная времени: не более 85 с Температура окружающей среды: КМТ-1: от -60 до +155°С ММТ-1, СТЗ-1: от -60 до +125°С Относительная влажность воздуха:

КМТ-1, ММТ-1: до 98% при температуре ±25°С СТЗ-1: до 98%> при температуре +35°С Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.) Минимальная наработка:

КМТ-1, ММТ-1: 15 000 часов СТЗ-1: 5 000 часов Срок сохраняемости:

КМТ-1, ММТ-1: 15 лет СТЗ-1: 12 лет

с отрицательным ТКС прямого подогрева бусинковые

ТР-4 - терморезисторы герметизированные изолированные - предназначены для использования в сигнализаторах уровня жидкости, измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным ТКС.

Масса: не более 0,3 г

Номинальное сопротивление: 1 -10 3 0м±20%.

Максимальная мощность рассеяния: 70 мВт

Коэффициент температурной чувствительности:

Температурный коэффициент сопротивления:

-(1,8…2,2)%/°С

Коэффициент температурной чувствительности: 0,15 мВт

Постоянная времени: не более 3 с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды: от -60 до +200°С

Относительная влажность воздуха: до 98% при +35°С

Пониженное атмосферное давление:

до 0,00013 Па (Ю -6 мм рт. ст.)

Минимальная наработка: 20 000 часов

Срок сохраняемости: 15 лет.

Ограничение по частоте для применения данных терморезисторов в электронных устройствах составляет 1 кГц. В рабочем состоянии терморезисторы могут нагреваться до температуры 150…200°С. В схемах для ограничения пусковых токов (например, электродвигателей) этот прибор включают последовательно с нагрузкой, и нагревание выполняется за счет проходящего в цепи тока.

Кроме вышеперечисленных приборов популярны терморезисторы ТР-10, ТР-15. Пример полного условного обозначения в документации: терморезистор ТР-15-2200 Ом-1,2 Вт-ТУ11-97 АДПК.434.121.012ТУ. В этой аббревиатуре указаны тип, номинальное сопротивление, мощность рассеивания тепла при 25°С, технические условия завода-разработчика и производителя.

В табл. 1.1 приведены некоторые электрические параметры для терморезисторов ТР-15.

Таблица 1.1. Параметры терморезисторов ТР-15

Промежуточные значения номинальных сопротивлений терморезисторов соответствуют ГОСТ 28884-90, то есть могут иметь значения 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 (числовые коэффициенты умножаются на числа 10, 100, 1000). Допустимое отклонение сопротивления ±20%.

При нагреве до максимальной температуры сопротивление терморезисторов уменьшается более чем в 100 раз. Для некоторых приборов (в качестве примера) в табл. 1.2. приведены значения сопротивлений в нагретом состоянии при максимальной мощности рассеивания. Рабочий температурный диапазон для терморезисторов серии TP находится в пределах -60…+155°С. Допустимая мощность рассеяния при температурах выше +25°С пропорционально снижается по линейному закону до 0,25Р тах при максимальной рабочей температуре.

Существуют импортные аналоги, например, терморезисторы фирмы NTC (Negative Temperature Coefficient). Эти приборы выпускаются в различных корпусах, среди которых часть имеет

Таблица 1.2 Изменение со>ч–01ивления терморезистора ТР-15

при максимальном нагреве

крепления — это позволяв упростить задачу коне гру ктора – разработчика. Диапазон рабочих температур для этих приборов -55 , +) /’О С Внешний вид - в виде большой капли. для ограничения пусковых гокоь фирмы МТС представлено’ в габл 1.3.

Пример ночного обозначения зарубежных аналогов; В57 I53-S330-M здесь В?7 – фирменное обозначение терморе знечора. ! 53 S типовое обозначение, 330 кодовое обозна чениа сопротивления ‘де поспедняя цифр,? в обозначении указывает количество пулей, го ее гь УЮ со лвэ п. revei 33 Ом.

– I ОЧИОГ УЬ (;1.20%)

Таблица 1.3. NTC для ограничения пусковых токов

с положительным ТКС - позисторы

СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-1Б - терморезисторы негерметизи- рованные неизолированные - предназначены для измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации, тепловой защиты, ограничения и стабилизации тока в электрических цепях постоянного тока.

Масса: не более 0,7 г

Диапазон номинальных сопротивлений: СТ5-1: 20…150 Ом СТ6-1 А: 40…400 Ом СТ6-1 Б: 180; 270 Ом

Примечание. Допуск для СТ6-1 Б: ±20%.

Максимальная мощность рассеяния: СТ5-1: 700 мВт СТ6-1 А: 1100 мВт СТ6-1Б: 800 мВт

Температурный коэффициент сопротивления, не менее:

СТ5-1: 20%/°С

СТ6-1 А: 10%/°С

СТ6-1Б: 15%/° С

Примерный температурный интервал положительного ТКС:

СТ5-1: от +120 до +200°С

СТ6-1 А: от +40 до +155°С

СТ6-1Б: от +20 до +125°С

Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС: не менее 10 3

Коэффициент рассеяния: 9 мВт/°С

Коэффициент энергетической чувствительности:

СТ5-1: 0,01 мВт

СТ6-1 А: 0,3 мВт

СТ6-1Б: 0,5 мВт

Постоянная времени: не более 20 с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды:

СТ5-1: от-20 до+200°С

СТ6-1 А: от -60 до +155°С

СТ6-1 Б: от -60 до +125°С

Относительная влажность воздуха при +25°С:

СТ5-1: до 85%

СТ6-1А, СТ6-1Б: до 98%

Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.)

Минимальная наработка:

СТ5-1: 3 000 часов

СТ6-1 А, СТ6-1 Б: 10 000 часов

Срок сохраняемости:

СТ5-1: 3 года

СТ6-1 А, СТ6-1Б: 10 лет

Особенности применения терморезисторов

При монтаже всех типов терморезисторов рекомендуется применять припой марки ПОС-61 (ГОСТ 21930-76). При пайке температура припоя должна быть 260±5°С, а время пайки не более 4 секунд. Пайка выводов терморезисторов должна производиться не ближе 10 мм от его корпуса.

На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах (холодильных камерах), автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для устройства размагничивания кинескопа. Самые первые устройства, где применялись терморезисторы - датчики для измерения и регулирования температуры. массово используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После модификации их можно использовать для изменения времени задержки в широком интервале, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности. Также они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. Применение терморезисторов в военной технике актуально и значимо. являются составной частью электронных систем контроля за температурой ракет стратегического назначения. В противопожарной технике действуют температурные датчики. Датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу - открытый терморезистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой терморезистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее. При стабильных условиях оба терморезистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. Такой принцип действия называется «реакцией на скорость повышения температуры». Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Однако эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым терморезистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает определенный порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.

Применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени т, плохая стабильность в определенных условиях и т.д. Еще одна область применения терморезисторов - температурная компенсация электрических цепей в широком диапазоне температур. Такие электрические схемы популярны среди радиотехников и встречаются в усилителях мощности НЧ и многоплановых универсальных автоматических устройствах, предназначенных для применения в быту.

NTC и PTC термисторы

В настоящий момент промышленность выпускает огромный ассортимент терморезисторов , позисторов и NTC-термисторов. Каждая отдельная модель или серия изготавливается для эксплуатации в определённых условиях, на них накладываются определённые требования.

Поэтому от простого перечисления параметров позисторов и NTC-термисторов толку будет мало. Мы пойдём немного другим путём.

Каждый раз, когда в ваши руки попадает термистор с легко читаемой маркировкой, необходимо найти справочный листок, или даташит на данную модель термистора.

Кто не в курсе, что такое даташит, советую заглянуть на эту страницу . В двух словах, даташит содержит информацию по всем основным параметрам данного компонента. В этом документе перечислено всё, что нужно знать, чтобы применить конкретный электронный компонент.

У меня в наличии оказался вот такой термистор. Взгляните на фото. Поначалу о нём я не знал ничего. Информации было минимум. Судя по маркировке это PTC-термистор, то есть позистор. На нём так и написано - PTC. Далее указана маркировка C975.

Сперва может показаться, что найти хоть какие то сведения о данном позисторе вряд ли удастся. Но, не стоит вешать нос! Открываем браузер, вбиваем в гугле фразу типа этих: "позистор c975", "ptc c975", "ptc c975 datasheet", "ptc c975 даташит", "позистор c975 даташит". Далее остаётся лишь найти даташит на данный позистор. Как правило, даташиты оформляются как pdf-файл.

Из найденного даташита на PTC C975 , я узнал следующее. Выпускает его фирма EPCOS. Полное название B59975C0160A070 (серия B599*5). Данный PTC-термистор применяется для ограничения тока при коротком замыкании и перегрузках. Т.е. это своеобразный предохранитель.

Приведу таблицу с основными техническими характеристиками для серии B599*5, а также краткую расшифровку всего того, что обозначают все эти циферки и буковки.

Теперь обратим своё внимание на электрические характеристики конкретного изделия, в нашем случае это позистор PTC C975 (полная маркировка B59975C0160A070). Взгляните на следующую таблицу.

I R - Rated current (mA). Номинальный ток. Это ток, который выдерживает данный позистор в течение длительного времени. Я бы его ещё назвал рабочим, нормальным током. Для позистора C975 номинальный ток составляет чуть более полуампера, а конкретно - 550 mA (0,55A).

I S - Switching current (mA). Ток переключения. Это величина тока, протекающего через позистор, при котором его сопротивление начинает резко возрастать. Таким образом, если через позистор C975 начнёт протекать ток более 1100 mA (1,1A), то он начнёт выполнять свою защитную функцию, а точнее начнёт ограничивать протекающий через себя ток за счёт роста сопротивления. Ток переключения (I S ) и опорная температура (T ref ) связаны, так как ток переключения вызывает разогрев позистора и его температура достигает уровня T ref , при которой сопротивление позистора возрастает.

I Smax - Maximum switching current (A). Максимальный ток переключения. Как видим из таблицы, для данной величины указывается ещё и значение напряжения на позисторе - V=V max . Это неспроста. Дело в том, что любой позистор может поглотить определённую мощность. Если она превысит допустимую, то он выйдет из строя.

Поэтому для максимального тока переключения указывается и напряжение. В данном случае оно равно 20 вольтам. Перемножив 3 ампера на 20 вольт, мы получим мощность в 60 Вт. Именно такую мощность может поглотить наш позистор при ограничении тока.

I r - Residual current (mA). Остаточный ток. Это остаточный ток, который протекает через позистор, после того, как тот сработал, начал ограничивать ток (например, при перегрузке). Остаточный ток поддерживает подогрев позистора для того, чтобы он был в "разогретом" состоянии и выполнял функцию ограничения тока до тех пор, пока причина перегрузки не будет устранена. Как видим, в таблице указано значение этого тока для разного напряжения на позисторе. Одно для максимального (V=V max ), другое для номинального (V=V R ). Не трудно догадаться, что перемножив ток ограничения на напряжение, мы получим мощность, которая требуется для поддержания нагрева позистора в сработавшем состоянии. Для позистора PTC C975 эта мощность равна 1,62 ~ 1,7 Вт.

Что такое R R и R min нам поможет понять следующий график.



R min - Minimum resistance (Ом). Минимальное сопротивление. Наименьшее значение сопротивления позистора. Минимальное сопротивление, которое соответствует минимальной температуре, после которой начинается диапазон с положительным ТКС. Если детально изучить графики для позисторов, то можно заметить, что до значения T Rmin сопротивление позистора наоборот уменьшается. То есть позистор при температурах ниже T Rmin ведёт себя как "очень плохой" NTC-термистор и его сопротивление снижается (незначительно) с ростом температуры.

R R - Rated resistance (Ом). Номинальное сопротивление. Это сопротивление позистора при какой-то ранее оговоренной температуре. Обычно это 25°С (реже 20°С ). Проще говоря, это сопротивление позистора при комнатной температуре, которое мы можем легко измерить любым мультиметром .

Approvals - в дословном переводе это одобрение. То есть одобрено такой-то организацией, которая занимается контролем качества и пр. Особо не интересует.

Ordering code - серийный номер. Тут, думаю, понятно. Полная маркировка изделия. В нашем случае это B59975C0160A070.

Из даташита на позистор PTC C975 я узнал, что применить его можно в качестве самовосстанавливающегося предохранителя . Например, в электронном устройстве, которое в рабочем режиме потребляет ток не более 0,5А при напряжении питания 12V.

Теперь поговорим о параметрах NTC-термисторов. Напомню, что NTC-термистор имеет отрицательный ТКС. В отличие от позисторов, при нагреве сопротивление NTC-термистора резко падает.

В наличии у меня оказалось несколько NTC-термисторов. В основном они были установлены в блоках питания и всяких силовых агрегатах. Их назначение - ограничение пускового тока. Остановился я вот на таком термисторе. Давайте узнаем его параметры.



На корпусе указана лишь такая маркировка: 16D-9 F1 . После недолгих поисков в интернете удалось найти даташит на всю серию NTC-термисторов MF72. Конкретно наш экземпляр, это MF72-16D9 . Данная серия термисторов используется для ограничения пускового тока. Далее на графике наглядно показано, как работает NTC-термистор.



В начальный момент, когда включается устройство (например, импульсный блок питания ноутбука, адаптер, компьютерный БП, зарядное устройство), сопротивление NTC-термистора велико, и он поглощает импульс тока. Далее он разогревается, и его сопротивление уменьшается в несколько раз.

Пока устройство работает и потребляет ток, термистор находится в нагретом состоянии и его сопротивление мало.

В таком режиме термистор практически не оказывает сопротивление протекающему через него току. Как только электроприбор будет отключен от источника питания, термистор остынет и его сопротивление вновь увеличится.

Обратим свой взор на параметры и основные характеристики NTC-термистора MF72-16D9. Взглянем на таблицу.



R 25 - Номинальное сопротивление термистора при температуре 25°С (Ом). Сопротивление термистора при температуре окружающей среды 25°С. Это сопротивление легко измерить мультиметром . Для термистора MF72-16D9 это 16 Ом. По сути R 25 - это то же самое, что и R R (Rated resistance) для позистора.

Max. Steady State Current - Максимальный ток термистора (A). Максимально возможный ток через термистор, который он может выдержать в течение длительного времени. Если превысить максимальный ток, то произойдёт лавинообразное падение сопротивления.

Approx. R of Max. Current - Сопротивление термистора при максимальном токе (Ом). Приблизительное значение сопротивления NTC-термистора при максимальном протекающем токе. Для NTC-термистора MF72-16D9 это сопротивление равно 0,802 Ома. Это почти в 20 раз меньше, чем сопротивление нашего термистора при температуре в 25°С (когда термистор "холодный" и не нагружен протекающим током).

Dissip. Coef. - Коэффициент энергетической чувствительности (mW/°C). Чтобы внутренняя температура термистора изменилась на 1°С, он должен поглотить некоторое количество мощности. Отношение поглощаемой мощности (в мВт) к изменению температуры термистора и показывает данный параметр. Для нашего термистора MF72-16D9 данный параметр составляет 11 миллиВатт/1°С.

Напомню, что при нагреве NTC-термистора его сопротивление падает. Для его разогрева расходуется протекающий через него ток. Следовательно, термистор будет поглощать мощность. Поглощённая мощность приводит к нагреву термистора, а это в свою очередь ведёт к уменьшению сопротивления NTC-термистора в 10 - 50 раз.

Thermal Time Constant - Постоянная времени охлаждения (S). Время, за которое температура ненагруженного термистора изменится на 63,2% от разности температуры самого термистора и окружающей среды. Проще говоря, это время, за которое NTC-термистор успевает остыть, после того, как через него перестанет протекать ток. Например, когда блок питания отключат от электросети.

Max. Load Capacitance in μF - Максимальная ёмкость разряда . Тестовая характеристика. Показывает ёмкость, которую можно разрядить на NTC-термистор через ограничительный резистор в тестовой схеме без его повреждения. Ёмкость указывается в микрофарадах и для конкретного напряжения (120 и 220 вольт переменного тока (VAC)).

Tolerance of R 25 - Допуск . Допустимое отклонение сопротивления термистора при температуре 25°С. Иначе, это отклонение от номинального сопротивления R 25 . Обычно допуск составляет ±10 - 20%.

Вот и все основные параметры термисторов. Конечно, есть и другие параметры, которые могут встретиться в даташитах, но они, как правило, легко высчитываются из основных параметров.

Надеюсь теперь, когда вы встретите незнакомый вам электронный компонент (не обязательно термистор), вам будет легко разузнать его основные характеристики, параметры и назначение.

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Фоторезисторы

Варисторы

Терморезисторы

Классификация нелинейных резисторов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди многочисленных приборов, используемых в настоящее время, видное место принадлежит резисторам. Резисторы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными . Существуют также резисторы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения, тока или от внешних факторов окружающей среды (температуры, освещенности, давления, влажности, магнитного поля). Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложными зависимостями, и ВАХ не является прямой линией и не проходит через начало координат. Такие приборы называются нелинейными . Среди огромного числа нелинейных приборов существуют и нелинейными резисторы. Эти резисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, поэтому они называются нелинейные полупроводниковые резисторы(НПР). НПР находят широкое применение в разнообразных современных электронных и электротехнических схемах и оборудовании. В ряде случаев такой прибор может заменить достаточно сложную электронную схему или существенно ее упростить. НПР завоевали широкое признание в связи с их преимуществами перед другими приборами, используемыми для аналогичных целей, такими как высокий уровень температурной чувствительности и уникально высокий уровень импульсной устойчивости (в широком диапазоне напряжений); малые габариты; предельная простота устройства (обычно – керамический диск); стабильность характеристик во времени, высокая надежность; отсутствие необходимости специального ухода за НПР во время эксплуатации, а также экономичность.

К классу нелинейных полупроводниковых резисторов относятся:

§ терморезисторы;

§ варисторы;

§ фоторезисторы;

§ тензорезисторы;

§ магниторезисторы;

§ гигристоры;

§ мемристоы;

Нелинейные полупроводниковые резисторы изготавливаются как отдельные дискретные приборы и входят в состав различных электронных схем. Также нелинейные полупроводниковые резисторы изготавливаются в виде датчиков и входят в состав схем автоматики.

Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры.

Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Рис.2.1. Терморезисторы.

Кострукция Терморезисторы 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.

Классификация. Терморезисторыклассифицируются по основным параметрам.

по температуре эксплуатации:

§ сверхнизкотемпературные (температуpa 4,2 К),

§ низкотемпературные (температуpa ниже 170 К),

§ среднетемпературные (170–510 К)

§ высокотемпературные (выше 570 К).

§ сверхвысокотемпературные (температуpa 900–1300 К.).

по знаку ТКС:

§ позисторы (PTC-термисторы) - терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС);

§ термисторы (NTC-термисторы) - терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ОТКС);

то способу подогрева:

§ с прямым подогревом;

§ с косвенным подогревом.

Кроме классификации по основным параметрам, терморезисторы так же различают по назначению, по способы защиты, по конструкции, по типу материала, по технологии изготовления, режиму работы.

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 электромагнитного 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.

Рис. 2.2. Классификация терморезисторов.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их ещё называют NTC-термисторы и PTC-термисторы соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов - наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.

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.

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.

Условное изображение терморезисторов. Терморезисторы это разновидность резисторов, поэтому к изображению обычного резистора добавляют добавочные графические элементы.

Рис. 2.3. Условное изображение терморезисторов: а) общее графическое изображение; б) термистор (терморезистор с отрицательным ТКС); в) позистор (терморезистор с положительным ТКС); г) терморезисторов с косвенным подогревом.

Условное обозначение терморезисторов. В настоящее время промышленностью изготовляются терморезисторы соответствующие трем различным ГОСТАм: ГОСТ 13453-64, ГОСТ 13453-68, ГОСТ 17598-72. Кроме действующих стандартов терморезисторы изготавливаются различными производителями, у которых собственная система условного обозначения. Согласно действующему стандарту (ГОСТ 13453-64, ГОСТ 13453-68, ГОСТ 17598-72) условное обозначение резисторов состоит из следующих элементов.

первый элемент - буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резисторов:

TP - тepмopeзиcтop c oтpицатeльным TKC (термистор),

TPП - тepмopeзиcтop c нoлoжитeльным TKC (пoзиcтop).

второй элемент - цифра (цифры) обозначает группу резистивного материала элемента:

1 - кобальто-марганцевые,

2 - медно-марганцевые,

3 - медно-кобальто-марганцевые,

4 - никель-кобальто-марганцевые,

5 - на ocнoвe титаната баpия, лeгиpoваннoгo гepманиeм;

6 - на ocнoвe лeгиpoванныx твepдыx pаcтвopoв в cиcтeмe BaTiO 3 - BaSnO 3 ;

8 - на ocнoвe нoлyтopаoкиcи ванадия и pяда нoликpиcталличecкиx твepдыx pаcтвopoв:

9 - на ocнoвe двyoкиcи ванадия VO 2 ;

10 - на ocнoвe cиcтeмы (Ba, Sr) TiO 3 ;

11 - на ocнoвe cиcтeмы (Ba, Sr) (Ti, Sn) O 3 , лeгиpoваннoй цepиeм.

третий элемент - нoминальнoe coнpoтивлeниe и бyквeннoe oбoзначeниe eдиницы измepeния (Ом, кОм) или цифра (цифры)- обозначает регистрационный номер конкретного типа резистора (для терморезисторов прошлых лет выпуска;

четвертый элемент - дoпycк (%).

Hапpимep, TP-2-33 кОм ±20 %. - тepмopeзиcтop c oтpицатeльным TKC, пopядкoвым нoмepoм pазpабoтки 2, нoминальным coнpoтивлeниeм 33 кОм, дoпycкoм ±20 % . Hаpядy c нoвыми вcтpeчаютcя тepмopeзиcтopы нpoшлыx лет выпуска. В ocнoвy был нoлoжeн cocтав пoлyпpoвoдникoвoгo матepиала, из кoтopoгo изгoтoвлeн иx тepмoчyвcтвитeльный элeмeнт. Hанpимep, MMT - мeднo- маpганцeвыe; KMT - кoбальтo-маpганцeвыe. Cтабилизатopы нанpяжeния oбoзначаютcя TП2/0,5 ; TП2/2 ; TП6/2. Буквы oбoзначают T (тepмo) Р(peзиcтop) П (пpямoгo пoдoгpeва). Цифра в числителе yказываeт нoминальнoe значeниe нанpяжeния в вoльтаx, а в знамeнатeлe - cpeднюю cилy pабoчeгo тoка в миллиамнepаx. Датчики температурыТРП 68–01И - T (тepмo), Р(peзиcтop). П (пpямoгo пoдoгpeва), 68 – температура срабатывания, 0 С, 01 – порядковый номер конструкторской разработки. И – с изолированными выводами от корпуса

Измерители СВЧ-мощности старых разработок обозначаются Т8 , Т9 , ТШ-1 и ТШ-2 . Буква Ш здесь обозначает малую шунтирующую емкость. Более поздние разработки обозначаются СТ- 3-29 и СТ3-32. Терморезисторы косвенного подогрева старых разработок для систем регулирования с глубокой обратной связью обозначаются ТКП-20, ТКП-50 и ТКП-350. Цифры указывают значение сопротивления в Ом. Позднее для этих целей были разработаны терморезисторы СТ1-21, СТ3-21, СТ1-27 и СТ3-27. В терморезисторов высокой стабильности ТРА-1 и ТРА-2 буква А обозначает резистивный материал на основе монокристаллов полупроводникового алмаза

Основные параметры и характеристики

Характеристика терморезисторов. Характеристикой терморезисторов является их статическая вольтамперная характеристика. Она представляют собой зависимости протекающего через терморезистор тока от приложенного напряжения в условиях теплового равновесия между ним и внешней средой. Вид нелинейной статической ВАХ зависит от сопротивления термочувствительного элемента, его конструкции, габаритных размеров, степени тепловой связи с окружающей средой и внешней температуры.

Рис. 2.4. Температурные зависимости сопротивления терморезисторов с отрицательным (а) и положительным (б) ТКС

Вид ВАХ терморезисторов косвенного подогрева в значительной степени зависит от тока, протекающего по обмотке подогрева І п. Поэтому для них обычно приводятся характеристики подогрева, устанавливающие связь между сопротивлением терморезистора и мощностью, рассеиваемой на обмотке подогрева.

Рис. 2.5. Характеристика нагрева терморезисторов косвенного подогрева

Основные параметры терморезисторов.

§ R н - номинальное сопротивление - сопротивление терморезисторов при определенной температуре окружающей среды, обычно - это 25°С или 20°С.

§ Т 2 , Т 1 интервал рабочих температур;

§ α - температурный коэффициент сопротивления - характеризует изменение сопротивления терморезистора в % при изменении температуры на 1 градус, обычно указывается для той же температуры, что и номинальное сопротивление.

§ Постоянная В - величина, характеризующая температурную чувствительность терморезисторов в определенном диапазоне температур. Определяется физическими свойствами полупроводникового материала, вычисляют по формуле:
, где

R 1 - сопротивление терморезистора, измеренное при температуре Т 1 , Ом;
R 2 - сопротивление терморезистора, измеренное при температуре Т 2 , Ом.

§ Р мах - максимальная мощность рассеяния - это допустимая мощность при температуре 25°С (или другой указанной в ТУ), при которой в течение заданного времени (минимальной наработки) параметры терморезисторов остаются в пределах норм, установленных в ТУ.

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

Основные параметры терморезисторов:

Величина сопротивления образцов: R t иR T (в Ом) при определенной температуре окружающей среды вt , °C, илиТ , К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125…200 °С, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25°С и величинаR t называется «холодным сопротивлением» или номинальным. У различных терморезисторов номинальное сопротивление лежит в пределах от десятков Ом до сотен килоОм, при этом допустимые отклонения от номинального сопротивления могут составлять ± 20%, ± 10%, ± 5%.

Коэффициент температурной чувствительности В , размерность – Кельвин.

У основной массы терморезисторов величина В лежит в диапазоне 2000…7200K, но есть терморезисторы с величинойВ в пределах 700…15800K.

Величина ТКС α в процентах на 1°С. Обычно она указывается для той же температуры t , что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через α t :

.

Значения ТКС при комнатной температуре для термисторов находятся в пределах -(0,8…6) %/град., у позисторов – +(10…20) %/град.

Постоянная времени τ (в секундах). Характеризует тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100°С. Другими словами, τ – это промежуток времени, в течение которого температура терморезистора, перенесенного из спокойного воздуха Т = 0ºС в спокойный воздух приТ = 100ºС, достигнет температуры 63ºС (т.е. увеличится ве = 2,72 раза). Постоянная времени определяется конструкцией и размерами термистора, зависит от теплопроводности окружающей среды, составляет от 0,5 с до 140 с.

Максимально допустимая температура t max , до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

Максимально допустимая мощность рассеивания Р max в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностьюР max его температура не должна превышатьt max .

Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1°С (К). Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1°С, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на один градус.

Коэффициент энергетической чувствительности G в Bт/%, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. ВеличиныG ,

Н и α связаны соотношением:
. В самом деле,

Теплоемкость С в Дж на 1°С, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1°С. Можно доказать, что τ,Н иС связаны между собой следующим соотношением:

.

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС.

Основные характеристики терморезисторов:

ВАХ – зависимость напряжения на терморезисторе от тока, проходящего через него. Снимается в условиях теплового равновесия между теплотой, выделяемой в терморезисторе, и теплотой, отводимой от него в окружающую среду. Статическая ВАХ снимается в установившемся режиме с учетом постоянной времени терморезистора .

Начальные участки ВАХ и термисторов, и позисторов (ОА, ОС, ОЕ на рис. 11) практически линейны. При дальнейшем увеличении тока подводимая мощность возрастает, происходит саморазогрев терморезисторов и подводимое напряжение у термисторов (а, б) или незначительно возрастает (участок АВ рис. 11) или даже незначительно уменьшается (участок СД рис. 11) из-за уменьшения их сопротивления.

У позисторов (в) в точке Е происходит разогрев от подводимой мощности до температуры, соответствующей точке Кюри, и при дальнейшем увеличении подводимого напряжения ток резко уменьшается (участок EF), а сопротивление возрастает.

Рис. 11: Вольт-амперные характеристики терморезисторов: а, б – термисторы(ТКС<0), в – позистор(ТКС>0)

Температурная характеристика – это зависимость R (Т ), снимается в установившемся режиме.

Рис. 12 Температурные характеристики терморезисторов:а – термистор с В = 2000 K; б – термистор с В = 5000K; в – Позистор

Подогревная характеристика – характеристика, свойственная терморезисторам косвенного подогрева – зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности.

Рис. 13. Подогревная характеристика термистора косвенного подогрева