Термистор — это полупроводниковый тип резистора , сопротивление которого сильно зависит от температуры, в большей степени, чем у стандартных резисторов. Слово термистор — это слово- гибрид от thermal и resistor .
Термисторы классифицируются на основе их моделей проводимости. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) имеют меньшее сопротивление при более высоких температурах, в то время как термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) имеют большее сопротивление при более высоких температурах. [1]
NTC-термисторы широко используются в качестве ограничителей пускового тока и датчиков температуры, в то время как PTC-термисторы 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).
В зависимости от используемых материалов термисторы подразделяются на два типа:
Термисторы обычно производятся с использованием порошковых оксидов металлов. [3] Благодаря значительно улучшенным формулам и технологиям за последние 20 лет [ когда? ] термисторы NTC теперь могут достигать точности в широких диапазонах температур, таких как ±0,1 °C или ±0,2 °C от 0 °C до 70 °C с превосходной долговременной стабильностью. Элементы термисторов NTC выпускаются во многих стилях [4], таких как аксиально-выводные стеклянные инкапсулированные (диоды DO-35, DO-34 и DO-41), стеклянные чипы, покрытые эпоксидной смолой с голым или изолированным выводным проводом и поверхностным монтажом, 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 датчиков температуры (RTD) тем, что материал, используемый в термисторе, обычно представляет собой керамику или полимер, тогда как RTD используют чистые металлы. Температурный отклик также отличается; RTD полезны в более широких диапазонах температур, в то время как термисторы обычно достигают большей точности в ограниченном диапазоне температур, как правило, от −90 °C до 130 °C. [5]
Предполагая, в качестве приближения первого порядка, что зависимость между сопротивлением и температурой линейна , тогда
где
В зависимости от типа термистора он может быть как положительным, так и отрицательным.
Если положительно , сопротивление увеличивается с ростом температуры, и устройство называется термистором с положительным температурным коэффициентом ( PTC ) или позистором . Существует два типа резисторов PTC — коммутационный термистор и силистор . Если отрицательно, сопротивление уменьшается с ростом температуры, и устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом ( NTC ) . Резисторы, которые не являются термисторами, спроектированы так, чтобы иметь максимально близкое к 0 значение, чтобы их сопротивление оставалось практически постоянным в широком диапазоне температур.
Вместо температурного коэффициента k иногда используют температурный коэффициент сопротивления («альфа суб Т»). Он определяется как [6]
Этот коэффициент не следует путать с параметром, указанным ниже.
Термисторы обычно изготавливаются с использованием оксидов металлов. [7] Обычно их прессуют в форме шарика, диска или цилиндра, а затем инкапсулируют в непроницаемый материал, такой как эпоксидная смола или стекло. [8]
NTC-термисторы изготавливаются из оксидов металлов группы железа : например , хрома ( CrO , Cr2O3 ), марганца (например, MnO ), кобальта ( CoO ), железа ( оксиды железа ) и никеля ( NiO , Ni2O3 ) . [ 9] [10] Эти оксиды образуют керамический корпус с клеммами, состоящими из проводящих металлов, таких как серебро, никель и олово .
PTC обычно готовятся из титанатов бария (Ba), стронция или свинца (например, PbTiO 3 ). [9] [10]
В практических устройствах линейная аппроксимационная модель (выше) точна только в ограниченном диапазоне температур. В более широких диапазонах температур более сложная функция передачи сопротивления и температуры обеспечивает более точную характеристику производительности. Уравнение Стейнхарта–Харта является широко используемым приближением третьего порядка:
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 с другой формой, содержащему член . На практике уравнение дает хорошие числовые результаты для сопротивлений, выраженных в омах или кОм, но коэффициенты a, b и c должны быть указаны относительно единицы. [11] Чтобы получить сопротивление как функцию температуры, можно решить приведенное выше кубическое уравнение в , действительный корень которого определяется как
где
Погрешность в уравнении Стейнхарта–Харта обычно составляет менее 0,02 °C при измерении температуры в диапазоне 200 °C. [12] В качестве примера типичные значения для термистора с сопротивлением 3 кОм при комнатной температуре (25 °C = 298,15 K, R в Ом) составляют:
NTC-термисторы также можно охарактеризовать с помощью уравнения параметра B (или β ), которое по сути является уравнением Стейнхарта–Харта с , и ,
где температуры и параметр B выражены в градусах Кельвина , а R 0 — сопротивление термистора при температуре T 0 (25 °C = 298,15 K). [13] Решение относительно R дает
или, в качестве альтернативы,
где .
Это можно решить для температуры:
Уравнение параметра B также можно записать как . Это можно использовать для преобразования функции сопротивления от температуры термистора в линейную функцию от . Средний наклон этой функции затем даст оценку значения параметра B.
Многие термисторы NTC изготавливаются из прессованного диска, стержня, пластины, шарика или литого кристалла 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 доступно носителей заряда, 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), образуется полупроводник p-типа , где носителями заряда являются дырки . [14]
Это описывается формулой
где
При больших изменениях температуры необходима калибровка. При малых изменениях температуры, если используется правильный полупроводник, сопротивление материала линейно пропорционально температуре. Существует много различных полупроводниковых термисторов с диапазоном от примерно 0,01 Кельвина до 2000 Кельвинов (от −273,14 °C до 1700 °C). [15]
Стандартный символ МЭК для термистора NTC включает «−t°» под прямоугольником. [16]
Большинство термисторов PTC изготавливаются из легированной поликристаллической керамики (содержащей титанат бария (BaTiO 3 ) и другие соединения), которая обладает свойством резкого увеличения своего сопротивления при определенной критической температуре. Титанат бария является сегнетоэлектриком , и его диэлектрическая проницаемость изменяется 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 достаточно, чтобы обеспечить образование потенциальных барьеров на границах зерен, а сопротивление резко увеличивается с температурой. При еще более высоких температурах материал возвращается к поведению NTC.
Другой тип термистора — силистор (термочувствительный кремниевый резистор). Силисторы используют кремний в качестве полупроводникового компонента. В отличие от керамических PTC-термисторов, силисторы имеют почти линейную зависимость сопротивления от температуры. [17] Кремниевые PTC-термисторы имеют гораздо меньший дрейф, чем NTC-термисторы. Это стабильные устройства, которые герметично запечатаны в аксиальном свинцовом стеклянном корпусе. [18]
Термисторы из титаната бария можно использовать в качестве саморегулирующихся нагревателей: при заданном напряжении керамика нагреется до определенной температуры, но потребляемая мощность будет зависеть от теплопотерь керамики.
Динамика питания термисторов PTC дает широкий спектр применений. При первом подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому, холодному сопротивлению, но по мере того, как термистор нагревается, ток уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут предельный ток (и соответствующая пиковая температура устройства). Эффект ограничения тока может заменить предохранители. В схемах размагничивания многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров соответствующим образом выбранный термистор последовательно соединен с катушкой размагничивания. Это приводит к плавному уменьшению тока для улучшенного эффекта размагничивания. Некоторые из этих схем размагничивания имеют вспомогательные нагревательные элементы для дальнейшего нагрева термистора (и уменьшения результирующего тока).
Другой тип термистора PTC — полимерный PTC, который продается под такими торговыми марками, как « Polyswitch », «Semifuse» и «Multifuse». Он состоит из пластика с внедренными в него углеродными зернами. Когда пластик холодный, углеродные зерна соприкасаются друг с другом, образуя токопроводящий путь через устройство. Когда пластик нагревается, он расширяется, раздвигая углеродные зерна и вызывая рост сопротивления устройства, что затем вызывает повышенный нагрев и быстрый рост сопротивления. Как и термистор BaTiO 3 , это устройство имеет сильно нелинейную реакцию сопротивления/температуры, полезную для теплового или схемного управления, но не для измерения температуры. Помимо элементов схемы, используемых для ограничения тока, самоограничивающиеся нагреватели могут быть выполнены в виде проводов или полос, полезных для обогрева . Термисторы PTC «защелкиваются» в горячем/высокоомном состоянии: будучи горячими, они остаются в этом состоянии высокого сопротивления, пока не остынут. Эффект может быть использован в качестве примитивной схемы защелки/памяти , причем эффект усиливается за счет использования двух последовательно соединенных термисторов PTC, один из которых холодный, а другой горячий. [19]
Стандартный символ МЭК для термистора PTC включает «+t°» под прямоугольником. [20]
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 не сделать поправку. В качестве альтернативы, сам этот эффект может быть использован. Например, он может сделать чувствительным устройством воздушного потока, используемым в приборе для измерения скорости набора высоты планера , электронном вариометре , или служить таймером для реле , как это раньше делалось в телефонных станциях .
Электрическая мощность, подаваемая на термистор, составляет всего
где I — ток, а V — падение напряжения на термисторе. Эта мощность преобразуется в тепло, и эта тепловая энергия передается в окружающую среду. Скорость передачи хорошо описывается законом охлаждения Ньютона :
где T ( R ) — температура термистора как функция его сопротивления R , — температура окружающей среды, а K — константа рассеяния , обычно выражаемая в единицах милливатт на градус Цельсия. В состоянии равновесия обе скорости должны быть равны:
Ток и напряжение на термисторе зависят от конкретной конфигурации цепи. В качестве простого примера, если напряжение на термисторе удерживается фиксированным, то по закону Ома мы имеем , и уравнение равновесия может быть решено для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:
Константа рассеяния является мерой тепловой связи термистора с его окружением. Она обычно приводится для термистора в неподвижном воздухе и в хорошо перемешанном масле. Типичные значения для небольшого стеклянного термистора составляют 1,5 мВт/°C в неподвижном воздухе и 6,0 мВт/°C в перемешанном масле. Если температура окружающей среды известна заранее, то термистор можно использовать для измерения значения константы рассеяния. 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 приложения 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 обнаружение уровня жидкости, измерение расхода жидкости и измерение расхода воздуха. [6]
Первый термистор NTC был открыт в 1833 году Майклом Фарадеем , который сообщил о полупроводниковых свойствах сульфида серебра . Фарадей заметил, что сопротивление сульфида серебра резко уменьшается с повышением температуры. (Это также было первым задокументированным наблюдением полупроводникового материала.) [29]
Поскольку первые термисторы было сложно производить, а применение этой технологии было ограничено, коммерческое производство термисторов началось только в 1930-х годах. [30] Коммерчески жизнеспособный термистор был изобретен Сэмюэлем Рубеном в 1930 году . [31]
{{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )