stringtranslate.com

Термистор

Термистор — это резистор полупроводникового типа , 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. [1]

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).

Типы

В зависимости от используемых материалов терморезисторы подразделяются на два типа:

Термисторы обычно производятся с использованием порошкообразных оксидов металлов. [3] Со значительно усовершенствованными формулами и методами за последние 20 лет [ когда? ] , термисторы NTC 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 типов [4] , например, в стеклянной капсуле с осевыми выводами (диоды DO-35, DO-34 и DO-41), микросхемы со стеклянным покрытием, с эпоксидным покрытием с оголенным или изолированным проводом и с поверхностным выводом. крепление, 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 РТД 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. [5]

Основная операция

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

где

, изменение сопротивления,
, изменение температуры,
, температурный коэффициент сопротивления первого порядка .

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

Если положительное значение , сопротивление увеличивается с увеличением температуры, и устройство называется термистором с положительным температурным коэффициентом ( ПТК ) или позистором . Существует два типа резистора PTC — переключающий термистор и силистор . Если отрицательное значение, сопротивление уменьшается с увеличением температуры, и устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом ( NTC ) . Резисторы, не являющиеся термисторами, имеют значение, максимально близкое к 0, чтобы их сопротивление оставалось почти постоянным в широком диапазоне температур.

Вместо температурного коэффициента k иногда используют температурный коэффициент сопротивления («альфа-субТ»). Он определяется как [6]

Этот коэффициент не следует путать с параметром ниже.

Строительство и материалы

Термисторы обычно изготавливаются с использованием оксидов металлов. [7]

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) . ). [8] [9] эти оксиды образуют керамическое тело 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 ). [8] [9]

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:

где a , b и c называются параметрами Стейнхарта – Харта и должны быть указаны для каждого устройства. Tабсолютная температура , а R — сопротивление. Уравнение не является правильным по размерности, поскольку изменение единиц R приводит к уравнению другой формы, содержащему член . 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. [10] Чтобы определить сопротивление как функцию температуры, можно решить приведенное выше кубическое уравнение, действительный корень которого определяется выражением

где

Погрешность уравнения Стейнхарта-Харта обычно составляет менее 0,02 °C при измерении температуры в диапазоне 200 °C. [11] Например, типичные значения для термистора с сопротивлением 3 кОм при комнатной температуре (25 °C = 298,15 К, R в Ом):

Уравнение параметра B или β

Термисторы NTC также можно охарактеризовать уравнением параметра B (или β ), которое по сути представляет собой уравнение Стейнхарта-Харта с , и ,

где температуры и параметр B выражены в кельвинах , а R 0 — сопротивление термистора при температуре Т 0 (25 °С = 298,15 К). [12] Решение для R дает результаты

или, альтернативно,

где .

Это можно решить для температуры:

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

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 оксиды металлов . 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), 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 носителями заряда являются дырки . [13]

Это описано в формуле

где

= электрический ток (амперы),
= плотность носителей заряда (отсчет/м 3 ),
= площадь поперечного сечения материала (м 2 ),
= дрейфовая скорость электронов (м/с),
= заряд электрона ( кулон).

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

Стандартный символ IEC для термистора NTC включает «-t°» под прямоугольником. [15]

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. [16] Кремниевые PTC-термисторы имеют гораздо меньший дрейф, чем NTC-термисторы. Это стабильные устройства, герметично запечатанные в осевой корпус из свинцового стекла. [17]

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, удобных 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. [18]

Стандартный символ IEC для термистора PTC включает «+t°» под прямоугольником. [19]

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 приборе для определения скороподъемности планера , электронном вариометре , или служить таймером для реле , как это раньше делалось на телефонных станциях .

Потребляемая электрическая мощность на термисторе составляет всего лишь

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 :

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

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 , и уравнение равновесия можно решить для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:

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», приводящего к повышению температуры 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. [6]

Приложения

ПТК

НТЦ

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.) [28]

Поскольку первые термисторы было трудно производить, а применение этой технологии было ограничено, коммерческое производство термисторов началось только в 1930-х годах. [29] Коммерчески жизнеспособный термистор был изобретен Сэмюэлем Рубеном в 1930 году. [30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Термистор PTC против термистора NTC для измерения температуры жидкости» . Обмен стеками по электротехнике . Проверено 24 апреля 2022 г.
  2. ^ «Стандарты для символов резисторов» . ЭПауэр . EETech Медиа . Проверено 13 сентября 2021 г.
  3. ^ «Что такое термистор? Как работают термисторы?». EI Сенсорные технологии . Проверено 13 мая 2019 г.
  4. ^ «Термисторы». EI Сенсорные технологии . Проверено 13 мая 2019 г.
  5. ^ «Термисторы NTC». Архивировано 22 сентября 2017 г. в Wayback Machine . Микрочиповые технологии. 2010.
  6. ^ ab Термисторная терминология. Технические ресурсы Littlefuse.
  7. ^ Руководство по проектированию промышленной вентиляции. Ховард Д. Гудфеллоу, Эско Тяхти. Сан-Диего, Калифорния: Академик. 2001. ISBN 978-0-12-289676-7. ОСЛК  162128694.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
  8. ^ Аб Моррис, Алан С. (2020). «Глава 14 – Измерение температуры». Теория и применение измерений и приборов. Реза Лангари (Третье изд.). Амстердам. ISBN 978-0-12-817142-4. ОСЛК  1196195913.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  9. ^ ab Усталостные испытания и анализ: теория и практика. Юнг-Ли Ли. Берлингтон, Массачусетс: Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн. 2005. ISBN 978-0-08-047769-5. ОСЛК  56731934.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
  10. ^ Матус, Майкл (2011). «Измерение температуры в размерной метрологии - почему уравнение Стейнхарта-Харта работает так хорошо». Макроскала .
  11. ^ «Практические измерения температуры». Рекомендации по применению Agilent. Аджилент Полупроводник.
  12. ^ Беккер, Дж. А. (1947). «Свойства и применение термисторов-термочувствительных резисторов». Технический журнал Bell System . 26 : 170–212. дои :10.1002/j.1538-7305.1947.tb01314.x . Проверено 22 апреля 2022 г.
  13. ^ Л. В. Тернер, изд. (1976). Справочник инженера-электронщика (4-е изд.). Баттервортс. стр. 6–29–6–41. ISBN 0408001682.
  14. ^ "Thermal-FluidsPedia | Измерения температуры и приборы | Thermal-Fluids Central" .
  15. ^ «Термистор NTC »Руководство по резисторам» .
  16. ^ «Термисторы и силисторы PTC» Руководство по резисторам
  17. ^ «Что такое термистор? Как работают термисторы?».
  18. ^ Дауни, Нил А., Самая лучшая книга субботней науки (Принстон, 2012) ISBN 0-691-14966-6 
  19. ^ «Термистор PTC - положительный температурный коэффициент» . Руководство по резисторам .
  20. ^ Патчелл, Джим. «ГУН с температурной компенсацией». www.oldcrows.net .
  21. ^ Патент CN 1273423A (Китай).
  22. ^ «Термисторы PTC ED35S» .
  23. ^ Термисторы мощности, ограничивающие пусковой ток. Датчик США
  24. ^ «Руководство по термисторам PTC - «Издание Analog Electronic Technologies»» .
  25. ^ Мукерджи, Рахул; Басу, Джойдип; Мандал, Прадип; Гуха, Прашанта Кумар (2017). «Обзор микромашинных тепловых акселерометров». Журнал микромеханики и микроинженерии . 27 (12): 123002. arXiv : 1801.07297 . Бибкод : 2017JMiMi..27l3002M. дои : 10.1088/1361-6439/aa964d. S2CID  116232359.
  26. ^ «Термисторные зонды». EI Сенсорные технологии . Проверено 13 мая 2019 г.
  27. ^ «ED35U Термисторы NTC в стеклянной капсуле, признанные UL» .
  28. ^ «1833 - Записан первый полупроводниковый эффект» . Музей истории компьютеров . Проверено 24 июня 2014 г.
  29. ^ МакГи, Томас (1988). «Глава 9». Принципы и методы измерения температуры . Джон Уайли и сыновья. п. 203. ИСБН 9780471627678.
  30. ^ Джонс, Дерик П., изд. (2009). Биомедицинские датчики. Импульс Пресс. п. 12. ISBN 9781606500569.

Внешние ссылки