Термистор - Thermistor

Термистор

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), шариковый, изолированные провода
Тип	Пассивный
Принцип работы	Электрическое сопротивление
Электронный символ
Обозначение термистора или варистора

Термистор представляет собой тип резистора которого сопротивление сильно зависит от температуры , в большей степени , чем в стандартных резисторов. Это слово представляет собой сочетание термика и резистора . Термисторы широко используются в качестве ограничителей пускового тока , датчиков температуры ( обычно с отрицательным температурным коэффициентом или типа NTC ), самовосстанавливающихся устройств защиты от перегрузки по току и саморегулирующихся нагревательных элементов ( обычно с положительным температурным коэффициентом или типа PTC ). Диапазон рабочих температур термистора зависит от типа зонда и обычно составляет от -100  ° C (-148  ° F ) до 300  ° C (572  ° F ).

Типы

В зависимости от используемых материалов термисторы подразделяются на два типа:

• С термисторами NTC сопротивление уменьшается при повышении температуры; обычно из-за увеличения количества электронов проводимости, вытесняемых тепловым возбуждением из валентной зоны. NTC обычно используется в качестве датчика температуры или последовательно со схемой в качестве ограничителя пускового тока.
• У термисторов PTC сопротивление увеличивается с ростом температуры; обычно из-за повышенного теплового перемешивания решетки, особенно из-за примесей и дефектов. Термисторы PTC обычно устанавливаются последовательно со схемой и используются для защиты от условий перегрузки по току в качестве сбрасываемых предохранителей.

Термисторы обычно производятся из 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 керамика или полимер, а в RTD используются чистые металлы. Температурный отклик также отличается; RTD полезны в более широких диапазонах температур, тогда как термисторы обычно обеспечивают большую точность в ограниченном диапазоне температур, обычно от -90 ° C до 130 ° C.

Основная операция

Если предположить в качестве приближения первого порядка, что зависимость между сопротивлением и температурой линейна , тогда

${\ Displaystyle \ Delta R = к \ Delta T,}$

куда

${\ displaystyle \ Delta R}$, изменение сопротивления,

${\ displaystyle \ Delta T}$, изменение температуры,

${\ displaystyle k}$, температурный коэффициент сопротивления первого порядка .

В зависимости от типа рассматриваемого термистора он может быть как положительным, так и отрицательным. ${\ displaystyle k}$

Если это положительное , сопротивление возрастает с повышением температуры, и устройство называется положительным температурным коэффициентом ( PTC ) термистор или позисторный . Если отрицательный, сопротивление уменьшается с повышением температуры, и устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом ( NTC ). Резисторы, которые не являются термисторами, спроектированы так, чтобы иметь максимальное значение, близкое к 0, так что их сопротивление остается почти постоянным в широком диапазоне температур. ${\ displaystyle k}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle k}$

Вместо температурного коэффициента k иногда используется температурный коэффициент сопротивления («alpha sub T»). Он определяется как ${\ displaystyle \ alpha _ {T}}$

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

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

Конструкция и материалы

Термисторы обычно изготавливаются из оксидов металлов.

Термисторы NTC 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). ).

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

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 между сопротивлением и температурой обеспечивает более точную характеристику характеристик. Уравнение Стейнхарта – Харта - широко используемое приближение третьего порядка:

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

где a , b и c называются параметрами Стейнхарта – Харта и должны быть указаны для каждого устройства. T - абсолютная температура , а R - сопротивление. Чтобы определить зависимость сопротивления от температуры, можно решить приведенное выше кубическое уравнение в , действительный корень которого дается формулой ${\ Displaystyle \ ln R}$

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

куда

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

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

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

Уравнение параметра B или β

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

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

где температуры указаны в градусах Кельвина , а R ₀ - сопротивление при температуре T ₀ (25 ° C = 298,15 K). Решение для доходности R

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

или, альтернативно,

${\ Displaystyle R = г _ {\ infty} е ^ {B / T},}$

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

Это можно решить для температуры:

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

Уравнение B- параметра также можно записать как . Это может быть использовано для преобразования функции температуры сопротивления против термистора в линейную функцию VS. . Затем средний наклон этой функции даст оценку значения параметра B.${\ displaystyle \ ln R = B / T + \ ln r _ {\ infty}}$${\ Displaystyle \ ln R}$${\ displaystyle 1 / T}$

Модель проводимости

NTC (отрицательный температурный коэффициент)

Многие термисторы NTC сделаны из прессованного диска, стержня, пластины, шарика или литого чипа полупроводникового материала , такого как спеченных металлических оксидов . Они работают, потому что повышение температуры полупроводника увеличивает количество активных носителей заряда, которое продвигает 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 , в котором дырки являются носителями заряда.

Это описывается формулой

${\ Displaystyle I = п \ CDOT A \ CDOT V \ CDOT E,}$

куда

${\ displaystyle I}$ = электрический ток (амперы),

${\ displaystyle n}$= плотность носителей заряда (кол / м ³ ),

${\ displaystyle A}$= площадь поперечного сечения материала (м ² ),

${\ displaystyle v}$ = скорость дрейфа электронов (м / с),

${\ displaystyle e}$= заряд электрона ( кулон).${\ displaystyle e = 1,602 \ times 10 ^ {- 19}}$

При больших изменениях температуры необходима калибровка. При небольших изменениях температуры, если используется правильный полупроводник, сопротивление материала линейно пропорционально температуре. Есть много различных полупроводниковых терморезисторов с диапазоном примерно от 0,01  кельвина до 2000 градусов Кельвина (-273,14 ° С до 1700 ° С).

МЭК стандартный символ для NTC термистора включает в себя «-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 проницаемость зависит 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 в достаточной степени, чтобы позволить образование потенциальных барьеров на границах зерен, а сопротивление резко возрастает 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 с аксиальными выводами из стекла.

Термисторы из титаната бария могут использоваться как саморегулирующиеся нагреватели; 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 диапазоне. 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 вкрапленными в него частицами 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. Как и термистор из BaTiO ₃ , это устройство имеет сильно нелинейную характеристику сопротивления / температуры, полезную для теплового управления или управления цепями, 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 использования двух термисторов PTC, соединенных последовательно, при этом один термистор холодный, а другой - горячий.

МЭК стандартный символ для термистора включает в себя «+ Т °» под прямоугольником.

Эффекты самонагрева

Когда через термистор протекает ток, он выделяет тепло, в результате чего температура термистора становится выше температуры окружающей среды. Если термистор используется для измерения температуры окружающей среды, этот электрический нагрев может привести к значительной погрешности, если не будет произведена коррекция. В качестве альтернативы можно использовать сам этот эффект. Он может, например, создать чувствительное устройство для измерения расхода воздуха, используемое в приборе для измерения скорости набора планера , электронный вариометр или служить в качестве таймера для реле, как это раньше делалось на телефонных станциях .

Электроэнергия, подаваемая на термистор, просто

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

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 :

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

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

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

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

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

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 намного 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, в качестве замены 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 увеличение его сопротивления. Это создает эффект самоусиливания, 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 такой степени, что 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 (в силу своей простоты) и недорога.
• В качестве обогревателя в автомобильной промышленности для дополнительного обогрева салона с дизельным двигателем или для подогрева дизельного топлива в холодных климатических условиях перед впрыском двигателя.
• В синтезаторах с температурной компенсацией генераторы, управляемые напряжением.
• В схемах защиты литиевых батарей .
• В восковом двигателе с электрическим приводом для обеспечения тепла, необходимого для расширения парафина.
• Многие электродвигатели и силовые трансформаторы сухого типа содержат в обмотках термисторы PTC. При использовании вместе 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 промышленной автоматизации кремниевые терморезисторы PTC демонстрируют почти линейный положительный температурный коэффициент (0,7% / ° C). При необходимости дальнейшей линеаризации можно добавить резистор для линеаризации.

NTC

• В качестве термометра сопротивления для низкотемпературных измерений порядка 10 К.
• В качестве устройства ограничения пускового тока в цепях питания они изначально имеют более высокое сопротивление, что предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагреваются и становятся гораздо более низкими, чтобы обеспечить протекание более высокого тока во время нормальной работы. Эти термисторы обычно намного больше, чем термисторы измерительного типа, и специально предназначены для этого применения.
• В качестве датчиков в автомобильных приложениях для контроля температуры жидкости, например охлаждающей жидкости двигателя, воздуха в салоне, наружного воздуха или температуры моторного масла, и передачи относительных показаний в блоки управления, такие как ЭБУ, и на приборную панель.
• Следить за температурой инкубатора.
• Термисторы также широко используются в современных цифровых термостатах и для контроля температуры аккумуляторных блоков во время зарядки.
• Термисторы часто используются в горячих концах 3D-принтеров ; они контролируют выделяемое тепло и позволяют схемам управления принтера поддерживать постоянную температуру для плавления пластиковой нити.
• В пищевой и перерабатывающей промышленности, особенно в системах хранения и приготовления пищи. Поддержание правильной температуры имеет решающее значение для предотвращения болезней пищевого происхождения .
• Повсюду в индустрии бытовой техники для измерения температуры. Тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены и т. Д. - все полагаются на термисторы для надлежащего контроля температуры.
• Термисторы NTC бывают голыми и с выступами, первые предназначены для точечного измерения для достижения высокой точности для определенных точек, таких как кристалл лазерного диода и т. Д.
• Для измерения профиля температуры внутри герметичной полости конвективного (теплового) инерционного датчика .
• Узлы термисторных зондов обеспечивают защиту сенсора 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 с повышением 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.

Смотрите также

• Железо-водородный резистор
• Датчик растяжения
• Термопара

использованная литература

внешние ссылки

• Термистор на bucknell.edu
• Калибровка термистора онлайн
• Калибровка термистора Java
• Расчет коэффициентов Стейнхарта-Харта для термисторов на sourceforge.net
• «Термисторы и термопары: согласование инструмента с задачей при тепловой проверке» - журнал технологий валидации