термістори

Що таке термистор і позистор і де вони застосовуються

Терморезистором називається напівпровідниковий компонент з температурозависимого електричним опором. Винайдений далекого 1930 року вченим Самюелем Рубеном, донині даний компонент знаходить найширше застосування в техніці.

Виготовляють терморезистори з різних матеріалів, температурний коефіцієнт опору (ТКС) яких досить високий, — значно перевершує металеві сплави і чисті метали, тобто саме з особливих, специфічних напівпровідників.

термістори

Безпосередньо основний резистивний елемент отримують за допомогою порошкової металургії, обробляючи халькогеніди, нітрати і оксиди певних металів, надаючи їм різні форми, наприклад форму дисків або стрижнів різних розмірів, великих шайб, середніх трубок, тонких пластинок, маленьких бусинок, розмірами від одиниць мікрон до десятків міліметрів .

термістори

За характером кореляції опору елемента і його температури, поділяють терморезистори на дві великі групи — на позистора і термістори. Позистора володіють позитивним ТКС (з цієї причини позистора ще називають PTC-термісторами), а термістори — негативним (їх називають тому NTC-термісторами). Так, зі зростанням температури корпусу позистора зростає і його опір, а з ростом температури термістора — його опір відповідно зменшується.

Матеріалами для терморезисторов сьогодні служать: суміші полікристалічних оксидів перехідних металів, таких як кобальт, марганець, мідь і нікель, з’єднань AIIIBV-типу, а також легованих, склоподібних напівпровідників, таких як кремній і германій, і деяких інших речовин. Цікаві позистора з твердих розчинів на базі титанату барію.

Терморезистори в цілому можна класифікувати на:

Низькотемпературного класу (робоча температура нижче 170 К);

Среднетемпературного класу (робоча температура від 170 К до 510 К);

Високотемпературного класу (робоча температура від 570 К і вище);

Окремий клас високотемпературних (робоча температура від 900 К до 1300 К).

Всі ці елементи, як термістори, так і позистора, можуть працювати при різноманітних кліматичних зовнішніх умовах і при істотних фізичних зовнішніх і струмових навантаженнях. Однак в жорстких термоціклічних режимах, з часом змінюються їх вихідні термоелектричні характеристики, як то номінальний опір при кімнатній температурі і температурний коефіцієнт опору.

Зустрічаються і комбіновані компоненти, наприклад терморезистори з непрямим нагріванням. У корпусах таких приладів розміщені сам і терморезистор і гальванічно ізольований нагрівальний елемент, що задає вихідну температуру терморезистора, і, відповідним чином, його початкова електричний опір.

Дані прилади застосовуються в якості змінних резисторів, керованих напругою, прикладеним до нагрівального елементу терморезистора.

термістори

Залежно від того, як обрана робоча точка на ВАХ конкретного компонента, визначається і режим роботи терморезистора в схемі. А сама ВАХ пов’язана з конструктивними особливостями і з доданою до корпусу компонента температурою.

Для контролю за варіаціями температур і з метою компенсації динамічно мінливих параметрів, таких як протікає струм і прикладена напруга в електричних ланцюгах, що змінюються слідом за змінами температурних умов, застосовують терморезистори з виставленням робочої точки на лінійній ділянці ВАХ.

термістори

Але робоча точка виставляється традиційно на спадающем ділянці ВАХ (NTC-термістори), якщо термистор застосовується, наприклад, в якості пускового пристрою, реле часу, в системі відстеження і вимірювання інтенсивності СВЧ-випромінювання, в системах пожежної сигналізації, термічного контролю. в установках управління витратою сипучих речовин і рідин.

Найбільш популярні сьогодні середньотемпературні термістори і позистора з ТКС від -2,4 до -8,4% на 1 К. Вони працюють в широкому діапазоні опорів від одиниць Ом до одиниць мега.

Зустрічаються позистора з відносно малим ТКС від 0,5% до 0,7% на 1 К, виготовлені на базі кремнію. Їх опір змінюється практично лінійно. Подібні позистора широко застосовуються в системах температурної стабілізації і в системах активного охолодження силових напівпровідникових ключів в різноманітних сучасних електронних приладах, особливо — в потужних. Ці компоненти легко вписуються в схеми і не займають багато місця на платах.

Типовий позистор має форму керамічного диска, іноді в одному корпусі встановлюються послідовно кілька елементів, але частіше — в одиночному виконанні в захисному покритті з емалі. Позистора часто застосовують в якості запобіжників для захисту електричних схем від перевантажень по напрузі і струму, а також в якості термодатчиків і автостабілізірующіх елементів, в силу їх невибагливості і фізичної стійкості.

термістори

Термістори широко застосовуються в численних областях електроніки, особливо там, де важливий точний контроль за температурним процесом. Це актуально для апаратури передачі даних, комп’ютерної техніки, високопродуктивних ЦПУ і промислового обладнання високої точності.

Один з найпростіших і дуже популярних прикладів застосування термистора — ефективне обмеження пускового струму. У момент подачі напруги до блоку живлення від мережі, відбувається надзвичайно різкий заряд конденсатора значної ємності, і в первинному ланцюзі протікає великий зарядний струм, здатний спалити діодний міст.

Цей струм тут і обмежується термістором, тобто даний компонент схеми змінює свій опір залежно від проходить по ньому струму, оскільки відповідно до закону Ома відбувається його нагрівання. Термістор після цього відновлює своє початкове опір, через кілька хвилин, як тільки остигне до кімнатної температури.

Статті та схеми

Корисне для електрика

Термістор: детально простою мовою

Термістор — це чутливий до змін температури елемент, виготовлений з напівпровідникового матеріалу. Він веде себе як резистор, чутливий до змін температури. Термін «термістор» — це скорочення від термочутливого резистора. Напівпровідниковий матеріал — це матеріал, який проводить електричний струм краще, ніж діелектрик, але не так добре, як провідник.

термістори Термістор Рекомендуємо звернути увагу і на інші прилади для вимірювання температури.

Принцип роботи термистора

Подібно термометрам опору термістори використовують зміни величини опору в якості основи вимірювань. Однак опір термістора обернено пропорційно змінам температури, а не прямо пропорційно. У міру збільшення температури навколо термистора, його опір знижується, а в міру зниження температури його опір збільшується.

Хоча термістори видають такі ж точні свідчення, як і термометри опору, проте, термістори частіше конструюються для вимірювань в більш вузькому діапазоні. Наприклад, діапазон вимірювань термометра опору може бути в межах від -32 ° F до 600 ° F, а термистор буде вимірювати від -10 ° F до 200 ° F. Діапазон вимірювань для конкретного термистора залежить від розміру і типу напівпровідникового матеріалу, який в ньому використовується.

Як термометри, термістори реагують на зміни температури пропорційним зміною опору, вони обидва часто використовуються в мостових схемах.

термістори Мостова схема з термістором

В даному колі зміна температури і обернено пропорційна залежність між температурою і опором термістора визначатиме напрямок протікання струму. Інакше ланцюг буде функціонувати таким же чином як у випадку з термометром опору. У міру зміни температури термістора, змінюється його опір і міст стає неврівноваженим. Тепер через прилад буде протікати струм, який можна буде виміряти. Вимірюваний струм можна перетворити в одиниці виміру температури за допомогою перекладної таблиці, або відкалібрувати відповідним чином шкалу.

Пірометр це просунутий прилад для визначення температури будь-якого об’єкта на основі інфрачервоного датчика, який зчитує невидиме інфрачервоне випромінювання

Термопари найбільш поширений пристрій для вимірювання температури

Ртутний термометр технічний це прилад для вимірювання температури, в якому в якості рідини використовується ртуть, єдиний рідкий метал

Біметалічний термометр це прилад для вимірювання температури, принцип роботи якого заснований на розширенні і стисненні твердих тіл

Термістор чутливий до змін температури елемент, виготовлений з напівпровідникового матеріалу

Вибір датчика температури

Основні розділи

термістори

Термістори — це по суті термометри опору, виконані на основі змішаних оксидів перехідних металів. Два основні типи термисторов — NTC (з негативним температурним коефіцієнтом опору) і PTC (з позитивним коефіцієнтом). Найбільш поширений тип — NTC. РТС термістори використовуються тільки в дуже вузьких діапазонах температур, в кілька градусів, в основному в системах сигналізації і контролю.

Конструкція і матеріали

Великою перевагою термісторів є різноманітність форм і мініатюрність. Основні конструктивні типи: бусінковие (0,1-1 мм), дискові (2,5-18 мм), циліндричні (3-40 мм), плівкове покриття (товщина 0,2-1 мм). Випускаються бусінковие термістори діаметром до 0,07 мм з висновками товщиною 0,01 мм. Такі мініатюрні датчики дозволяють вимірювати температуру всередині кровоносних судин або рослинних клітин.

Більшість термисторов — керамічні напівпровідники, виготовлені з гранульованих оксидів і нітридів металів шляхом формування складної багатофазної структури з подальшим спіканням (сінтерація) на повітрі при 1100-1300 ° С. Складні подвійні і потрійні структури оксидів перехідних металів, такі як (AB)3 O4. (ABC)3 O4 лежать в основі термісторів. Поширеною формулою є (Ni0.2 Mn0.8 )3 O4. Найбільш стабільними термісторами при температурах нижче 250 ° С є термістори на основі змішаних оксидів манія і нікелю або магнію, нікелю і кобальту, що мають негативний ТКС. Питома провідність термистора r (25 ° C) залежить від хімічного складу і ступеня окислення. Додаткове управління провідністю здійснюється додаванням дуже малих концентрацій таких металів як Li і Na.

При виготовленні бусінкових термисторов намистинки наносяться на дві паралельні платинові дроту при температурі 1100 ° С, дроту розрізають на шматки для отримання необхідної конфігурації висновків. На намистинки наноситься скляне покриття, спікається при 300 ° С, або намистинки герметизуються всередині мініатюрних скляних трубок. Для отримання металевих контактів в дискових термисторах, на диск наноситься металеве покриття Pt-Pd-Ag і вивідні провідники з’єднуються з покриттям пайкою або пресуванням.

Номінальний опір термісторів значно вище, ніж у металевих термометрів опору, воно зазвичай становить 1, 2, 5, 10, 15 і 30 кОм. Тому може застосовуватися двухпроводная схема включення.

Залежність опору термістора від температури

Опір ідеальних напівпровідників (кількість дірок і носіїв заряду однаково) в залежності від температури може бути представлено наступною формулою

де A, b — постійні, залежні від властивостей матеріалу і геометричних розмірів.

Однак, складна композиція і недосконале розподіл зарядів в термісторного полупроводнике не дозволяє безпосередньо використовувати теоретичну залежність і вимагає емпіричного підходу. Для NTC термісторів використовується апроксимаційна залежність Стейнхарта і Харта

1 / T = a + b (lnR) + c (lnR) 3

де T — температура в К;
R — опір в Ом;
a, b, c — константи термистора, певні при градуюванні в трьох температурних точках, віддалених один від одного не менш, ніж на 10 ° С.

Типовий 10 кому-ий термистор має коефіцієнти в діапазоні 0-100 ° С близькі до наступних значень:

a = 1,03 10 -3
b = 2,93 10 -4
c = 1,57 10 -7

Дискові термістори можуть бути взаємозамінними, тобто всі датчики певного типу будуть мати одну і ту ж характеристику в межах встановленого виробником допуску. Кращий можливий допуск, як правило, ± 0,05 ° С в діапазоні від 0 до 70 ° С. Бусінковие термістори не взаємозамінні і вимагають індивідуального градуювання.

Градуювання термисторов може здійснюватися в рідинних термостатах. Необхідно герметизувати термістори, зануривши їх у скляні пробірки. Зазвичай для градуювання і обчислення констант проводиться звірення термистора з зразковим платиновим термометром. У діапазоні від 0 до 100 ° С звірення проводиться в точках з інтервалом 20 ° С. Похибка інтерполяції зазвичай не перевищує 1 -5 мК при використанні модифікованого рівняння Стейнхарта і Харта:

1 / T = a + b (lnR) + c (lnR) 2 + d (lnR) 3

Можуть також використовуватися реперні точки: потрійна точка води (0,01 ° С), точка плавлення галію (29,7646 ° С), точки фазових переходів евтектики і органічних матеріалів.

Для градуювання декількох термисторов вони можуть бути з’єднані послідовно, так щоб через них проходив однаковий струм. При градуюванні і використанні термісторів важливо враховувати ефект нагрівання вимірювальним струмом. Для 10 кОм — ого термистора рекомендується вибирати струми від 10 мкА (похибка 0,1 мк), до 100 мкА (похибка 10 мк).

Причини нестабільності термисторов наступні:
— напруги, що виникають в матеріалі при термоциклюванні і утворення мікротріщин;
— структурні зміни в напівпровіднику;
— зовнішнє забруднення (водою і ін. речовинами) і в результаті хімічні реакції в порах і на поверхні напівпровідника;
— порушення адгезії металевої плівки;
— міграція домішок з металевих контактів в матеріал термистора.

Для отримання стабільного стану термістори піддають старінню (до 500-700 днів). Як правило, під час старіння спостерігається зростання опору. При тривалому використанні термісторів, вони йдуть за межі допуску, в більшості випадків, термісторний термометр показує температуру трохи нижче, ніж значення, визначене за номінальною характеристиці.

Дослідження показують, що бусінковие термістори можуть проявляти дуже високу стабільність (дрейф до 3 мк за 100 днів при 60 ° С). Дискові термістори менш стабільні (дрейф до 50 мк за 100 днів при 60 ° С).

Термістори представляють особливий інтерес для вимірювання низьких температур завдяки своїй відносній нечутливості до магнітних полів. Деякі типи термисторов можуть застосовуватися до температури мінус 100 ° С.

Діапазон найкращою стабільності термисторов — від 0 до 100 ° С. Основними перевагами термісторів є вибропрочность, малий розмір, мала інерційність і невисока ціна.

У 2014 р Консультативний комітет з термометрії (ККТ) випустив в електронному вигляді брошуру «термісторного термометрія». яка зараз доступна за посиланням:

Прочитайте на нашому сайті також про інші типи датчиків температури:

Нове на сайті

Популярні сторінки

термістори

термін термистор утворився в результаті з’єднання двох слів: теплової та резистор. Ця назва дано метал-оксидних детекторів, які мають форму крапель, стрижнів, циліндрів, прямокутних пластин і товстих плівок. Термістори відносяться до класу датчиків абсолютної температури, свідчення яких відповідають абсолютної температурної шкали. Все термістори діляться на дві категорії: з негативним температурним коефіцієнтом (ВТК) і позитивним температурним коефіцієнтом (ПТК) опору. Для проведення прецизійних вимірювань використовуються термістори тільки з ВТК.

Термістори з негативним температурним коефіцієнтом опору

Звичайні металоксідние термістори мають ОТК. Це означає, що при збільшенні температури їх опір падає. Опір термісторів з ВТК, також як і будь-яких інших резисторів, визначається їх фізичними розмірами і питомим опором матеріалу. Залежність між величиною опору і температурою є сильно нелінійної.

При проведенні прецизійних вимірів або при роботі в широкому температурному діапазоні можна безпосередньо використовувати характеристики термісторів, наведені в документації на них, оскільки типові допуски на номінальні значення серійно випускаються виробів при температурі 25 ° С становлять близько ± 20%. Тому для досягнення високої точності вимірювань термістори необхідно індивідуально калібрувати в широкому температурному діапазоні. Правда, існують і прецизійні термістори, характеристики яких в заводських умовах підганяються методом шліфування до необхідних розмірів. Цей процес проводиться під безперервним контролем за номінальними значеннями опорів при заданій температурі. Однак така процедура настройки термисторов призводить до значного підвищення їх вартості. Тому на практиці частіше застосовується метод індивідуального калібрування термісторів. У процесі калібрування вимірюється опір термістора при приміщенні його в середу точно відомої температурою (для цих цілей часто застосовується камера з мішалкою, в яку може бути залита вода, але частіше мінеральне масло або спеціальний склад, наприклад, Flourent®). Якщо потрібно многоточечная калібрування, ця процедура виконується при різних температурах. Природно, що якість проведеної калібрування сильно залежить від точності еталонного термометра. Для визначення опору термистор включається в вимірювальну ланцюг, по зміні струму в якій і судять про величину опору. Залежно від заданого рівня точності і вартості калібрування термистора може проводитися на основі однієї з відомих апроксимаційних моделей.

При використанні термистора в якості датчика абсолютної температури передбачається, що при проходженні через нього електричного струму, його власна температура не зміниться, що означає, що він не внесе в систему значних теплових збурень, здатних вплинути на точність вимірювань.

У цьому випадку говорять, що термістор має «нульовий потужністю». Збільшення температури термістора в сталому режимі внаслідок явища саморазогрева описується рівнянням:

де r тепловий опір між термістором і навколишнім середовищем, V- прикладена постійна напруга, S — опір термістора при вимірюваної температурі, а N — робочий цикл вимірювань (наприклад, N = 0.1 означає, що постійна напруга подається на термистор тільки на час, що дорівнює 10% від повного часу вимірювань). При проведенні вимірювань за постійним струмом N = 1. З рівняння (16.15) видно, що для виконання умов «нульовий потужності» необхідно, щоб:

— термистор володів високим питомим опором,

— термістор і об’єкт вимірювання мали гарну теплову зв’язок один з одним (що має знизити значення r),

— вимірювання проводилися при невеликому постійній напрузі, що подається протягом короткого інтервалу часу.

Далі буде показано, як ефект саморазогрева позначається на величині опору терморезистора, але поки будемо вважати, що він призводить до появи лише незначних похибок.

При використанні термісторів в будь-яких вимірювальних системах необхідно знати їх передавальні функції, які є аналітичними виразами, що зв’язують величину опору і температуру. Для опису передавальної функції термисторов були запропоновані декілька математичних моделей. Слід зазначити, що всі математичні моделі є тільки апроксимаціями, і, як правило, чим простіше модель, тим нижче її точність. З іншого боку, при використанні більш складних моделей значно ускладнюється калібрування термісторів. Всі існуючі моделі термисторов побудовані на експериментально доведений факт, що логарифм опору термістора пов’язаний з його абсолютною температурою наступної поліномінальної залежністю:

На цьому виразі побудовані три моделі, що описуються далі.

У відносно вузькому температурному діапазоні і при деякій втраті точності можна відкинути два останніх члени рівняння (16.16):

де А — константа, а термістори— характеристична температура матеріалу (в Кельвіна). Якщо відома величина опору термістора термісторипри калібрувальної температурі Тпро , можна записати залежність опору від температури в наступному вигляді:

Очевидна гідність цієї моделі — необхідність проведення калібрування термистора тільки в одній точці. Однак тут передбачається знання коефіцієнта #&46;т . Якщо він невідомий, доводиться проводити другу калібрування для знаходження його значення:

де Тпро і So і Т1 і S1 — дві пари температур і опорів, отриманих в двох калібрувальних точках, що знаходяться на кривій, що відповідає рівнянню (16.18). Вважається, що значення термісторине залежить від температури, але воно може змінюватися від виробу до виробу в межах виробничих допусків, які зазвичай складають ± 1%. Температура термистора визначається за вимірюваним опору S за допомогою наступного виразу:

Похибка апроксимації, представленої виразом (16.20), мала в околиці температури калібрування, але значно збільшується при розширенні робочого діапазону (рис. 16.7).

коефіцієнт #&46; відповідає за кривизну характеристики термістора, але не є параметром, безпосередньо відповідним його чутливості, яка визначається температурним коефіцієнтом а. коефіцієнт а може бути знайдений при диференціюванні рівняння (16.18):

З рівняння (16.21) випливає, що чутливість термістора залежить як від термісторитак і від температури. Термістор володіє кращою чутливістю на низьких температурах, тоді як при збільшенні температури його чутливість різко падає. Рівняння (16.21) також показує, наскільки змінюється опір Sпрі зміні температури на один градус. У термисторах з ВТК чутливість а у всьому температурному діапазоні змінюється від -2% (в зоні високих температур шкали) до -8% / ° С (в зоні низьких температур шкали), тому можна стверджувати, що такі детектори є дуже чутливими пристроями, майже на порядок більш чутливими в порівнянні з РДТ. Це особливо важливо для застосувань, що вимагають високих значень вихідного сигналу у відносно вузькому діапазоні температур. Прикладом може служити медичний електронний термометр.

термісториУ 1998 році автор цієї книги запропонував наступне удосконалення простої моделі. Воно ґрунтується на експериментальному факті, що характеристична температура термістори не є постійною, а залежить від вимірюваної температури (рис. 16.6). Залежно від фірми-виробника і типу термистора ця функція може мати як позитивний нахил (як показано на малюнку), так і негативний. Ідеальний випадок, коли термісторизовсім не залежить від температури, на практиці, фактично, не зустрічається.

Мал. 16.6. залежність коефіцієнта #&46; від температури

З рівнянь (16.16) і (16.17) випливає, що характеристична температура матеріалу термистора може бути апроксимована наступним виразом:

де А і В є константами. Оцінка цього виразу показала, що в багатьох практичних випадках третій і четвертий члени набагато менше перших двох, тому ними часто можна знехтувати. Тоді рівняння (16.22) набуває вигляду лінійної функції:

Це припущення дозволяє значно поліпшити універсальність простої моделі. Для визначення лінійної залежності термістори в будь-якій точці необхідно знати значення термістори хоча б при одній температурі термісториа також нахил прямої термісториТоді рівняння (16.23) може бути записано у вигляді:

Для знаходження нахилу #&47; можна скористатися виразом:

де термісториі термістори— два значення характеристичної температури матеріалу, що відповідають двом температур термістори(Відмітимо, що термістори і T визначаються в Кельвіна. Якщо температура позначається як t, використовується шкала в Цельсіях). Для визначення коефіцієнта у потрібно проводити вимірювання в трьох характерних точках, однак, немає необхідності визначати його для кожного окремого тер-містора, оскільки він залежить тільки від матеріалу резистора і технологічного процесу виготовлення, тому його можна вважати більш-менш постійним для великих серій термисторов певного типу. Таким чином, зазвичай досить знайти один коефіцієнт #&47; для цілої серії термісторів, і за ним визначати характеристики кожного конкретного детектора.

Підставляючи рівняння (16.23) в вираз (16.16), отримаємо Апроксимаційні формулу для термистора:

Вирішуючи рівняння (16.26) щодо опору S, отримаємо залежність опору термістора від температури:

де So — опір при калібрувальної температурі Тпро , а термістори— характеристична температура, певна за двома калібрувальним температур Тпро і Т1 (Див. Рівняння (16.19)). Це рівняння подібно до рівняння (16.18) простий моделі, за винятком нового коефіцієнта термісториНавіть незважаючи на те, що коефіцієнт термісторизнаходиться по трьох точках (для серії детекторів), для кожного окремого термистора необхідно проводити по два калібрувальних вимірювання. Модель ФРАЙД підходить для випадків, коли потрібно проводити велику кількість точних вимірювань. Перевагою цього методу також є його низька вартість. Відзначимо, що калібрувальні температури Тпро і Т1 слід вибирати ближче до кінців робочого діапазону, а темпе- ратуру для визначення термістори— у середині. У таблиці 16.3 наведені рівняння для цієї моделі.

термістори

Мал. 16.7. Похибки простої моделі і моделі ФРАЙД для чотирьох термісторів, еталонних при двох температурах t0 і t1, для визначення термісториПохибки моделі Стейнхарта-Харта занадто малі і тому не по казани на цьому малюнку

Стейнхарт і Харт в 1968 році запропонували модель термистора для океанографічних досліджень, що працює в діапазоні температур — З. ЗО ° С, яка насправді справедлива і для набагато більш широкого температурного інтервалу. Їх модель заснована на рівнянні (16.16), вирішеного щодо температури:

Стейнхарт і Харт показали, що без відчутної втрати точності цей вислів може бути записано у вигляді:

При коректному використанні рівняння (16.29) в діапазоні температур О. 7О ° С можна домогтися точності порядку 0.001 °. Для знаходження коефіцієнтів b необхідно провести калібрування термистора при трьох температурах і вирішити систему з отриманих трьох рівнянь (див. таблицю 16.3). Оскільки модель Стейнхарта-Харта забезпечує дуже високу точність визначення температури, вона покладена в основу промислового стандарту для калібрування прецизійних термісторів. Проведені дослідження показали, що похибка цієї моделі навіть в більш широкому температурному діапазоні не перевищує 0.002 °. Проте, широкого практичного застосування ця модель не знайшла, оскільки для її використання необхідно проводити калібрування кожного термистора при трьох і більше температурах.

Вибір тієї чи іншої апроксимаційної моделі диктується рівнем необхідної точності і вартістю. Величина вартості безпосередньо залежить від кількості необхідних точок калібрування. Процес калібрування вимагає досить великих витрат часу, цим і пояснюється його висока вартість. Завдяки потужності сучасних мікропроцесорів, складність математичних обчислень не грає вирішальної ролі. Коли не потрібна висока точність вимірювань, а головним є їх низька вартість, або коли вимірювання ведуться в вузькому температурному діапазоні (± 5. 10 ° С від калібрувальної температури), добре працює проста модель. Модель ФРАЙД краще в випадках, коли потрібна висока точність при відносно низькій вартості. Відповідно модель Стейнхарта-Харта застосовується для проведення прецизійних вимірювань, де вартість не є вирішальним фактором (рис. 16.7).

При використанні простої моделі необхідно знати значення 1т і опір термістора при одній калібрувальної температурі Тпро . При роботі з моделлю ФРАЙД плюс до вищепереліченого потрібно знати коефіцієнт #&47;, який визначається не для кожного конкретного термистора, а для цілої серії таких елементів. У моделі Стейнхарта-Харта для кожного термистора проводять три калібрування при трьох різних температурах. У таблиці 16.3 наведені рівняння для обчислення калібрувальних коефіцієнтів і вимірюваної температури на основі отриманих значень опорів. Звичайно, можна кожного разу вирішувати всі ці рівняння безпосередньо. Однак для більшості випадків розроблені спеціальні довідкові таблиці. Для зниження розмірів цих таблиць часто застосовується кусково-лінійна апроксимація.

Таблиця 16.3. Термістори з ВТК. Керівництво по застосуванню трьох моделей.

термістори

Виготовлення термісторів з негативним температурним коефіцієнтом

термістори

Мал. 16.8. Д ве різновиди бусінкового термистора зі скляним покриттям

Залежно від способу виготовлення все термістори з ВТК діляться на три основні групи. Перша група — це термістори бусінкового типу. Намисто можуть бути нічим непокритими, з захисним шаром з епоксидної смоли (рис. 16.8) або розміщені в металевому корпусі. Висновки усіх термисторов даного типу виготовляються з платинового сплаву, запеченого в кераміку. В процесі виготовлення маленькі порції суміші оксиду металу і відповідного сполучного наносяться на паралельні злегка натягнуті провідники. Після висихання або часткового спікання вся стрічка намистин знімається з опорної конструкції і поміщається в піч для остаточного спікання. Під час такої температурної обробки оксид металу міцно скріплюється з платиновими провідниками. Після чого вся стрічка розрізається на окремі намистинки, на які наноситься відповідне покриття.

Інший тип термисторов — це чіп-термістори з поверхневими контактами для кріплення провідників. Зазвичай чіпи виготовляються методом плівкового лиття, з подальшою трафаретного печаткою, напиленням, фарбуванням або вакуумної металізацією поверхневих електродів. Після чого чіпи розрізаються для отримання необхідних геометричних розмірів. Якщо це необхідно, чіпи можуть бути заземлені.

Термістори третього типу складаються з шару напівпровідникового матеріалу, нанесеного на відповідну підкладку зі скла, алюмінію, кремнію і т.д. Такі термістори, в основному, використовуються в інтегрованих датчиках і ІК теплових детекторах.

Серед всіх термісторів з металізованими поверхневими контактами найгіршою стабільністю мають чіпи без покриття. Термістори з епоксидним покриттям демонструють середню стабільність. Термістори бусінкового типу можуть працювати при високих температурах (до 550 ° С). Детектори з металізованим поверхневим контактом використовуються до 150 ° С. Намистин-кові термістори є найбільш швидкодіючими з перерахованих детекторів, однак їх вартість набагато вище, ніж у чіп-термісторів, і на додаток до цього їх номінальне значення важко піддається регулюванню. Підгонка номінального значення виконується механічним шліфуванням термистора при заданій температурі (зазвичай при 25 ° С) з метою зміни геометричних розмірів для отримання необхідного значення опору.

При роботі з термісторами, що володіють ОТК, необхідно враховувати всі можливі джерела помилок. Одна з них — старіння, яке для низькоякісних датчиків може становити близько 1%. На рис. 16.9 показано зміну величини опору (в%) від терміну служби для чіп термісторів з епоксидним покриттям і термісторів бусінкового типу в скляних корпусах.

термістори

Мал. 16.9. Довготривала стабільність термісторів.

Забезпечення захисту від навколишнього середовища і температурна підготовка термісторів є надійними методами стабілізації характеристик детекторів. Для проведення температурної тренування датчики поміщаються в камеру з температурою + 300 ° С, по крайней мере, на 700 годин. Для здійснення кращого захисту термістори можуть бути розміщені в корпусах з нержавіючої сталі і залиті епоксидною смолою.

Явище саморазогрева в термисторах з негативним температурним коефіцієнтом

Як згадувалося раніше, явище саморазогрева термистора може позначатися на його робочих характеристиках. Термістори відносяться до датчиків активного типу, для роботи яких потрібно сигнал збудження. Цим сигналом, як правило, служить або постійний, або змінний струм, що протікає через термістор, який призводить до виділення тепла, а, значить, і до розігріву детектора. Це підвищення температури датчика часто призводить до появи похибок при вимірюванні температури об’єкта. Правда, в деяких випадках явище саморазогрева використовується для побудови датчиків, що реагують на зміни теплових потоків, ІК випромінювань і інших зовнішніх впливів. Розглянемо процеси, що проходять в термисторах, при подачі на них електричної напруги. На рис. 16.10А показана схема, що складається з джерела напруги Е, термистора RT внутрішнього опору джерела R. При включенні джерела харчування (момент вкл на рис. 16.10Б) відповідно до закону збереження енергії вся теплова енергія схеми (Н) повинна дорівнювати електричної потужності, що виробляється джерелом харчування:

де VT падіння напруги на термісторі.

Теплова енергія складається з двох складових: теплових втрат (HL ) в навколишнє середовище і теплової енергії (Hs ), поглиненої термістором. Поглинена частина енергії накопичується в теплової ємності З датчика. Тоді рівняння балансу потужності можна записати в наступному вигляді:

термістори

Ріс.16.10. А — Струм, що протікає через термістор, викликає його саморозігрів, Б — Температура термистора збільшується відповідно до теплової постійної часу-теплові втрати в

Теплові втрати термистора в навколишнє середовище пропорційні різниці температур термісторитермистора Ts і навколишнього середовища термістори

де #&48; — коефіцієнт розсіювання, рівний відношенню розсіюється до градієнту температур (при відомому значенні температури навколишнього середовища). Цей коефіцієнт залежить від конструкції датчика, довжини і товщини проводів, матеріалу термистора, опорних елементів, величини теплового випромінювання з поверхні термистора і відносного руху середовища, в яку поміщений термистор.

Швидкість поглинання тепла термістором пропорційна теплової ємності детектора:

Саме це тепло призводить до підвищення температури термістора. Підставляючи вирази (16.32) і (16.33) в рівняння (16.30), отримаємо:

Це диференціальне рівняння описує тепловий поведінку термистора. Знайдемо рішення цього рівняння для двох умов. Перша умова полягає в тому, що електрична потужність, прикладена до датчика, є постійною величиною (P = const). Тоді рішення рівняння (16.34) має наступний вигляд:

де е — підставу натурального логарифма. З цього виразу видно, що температура датчика буде рости за експоненціальним законом (рис. 16.10Б), що характеризується теплової постійної часу термістори, де величина 1 / #&48; = гг -теплові опір між датчиком і навколишнім середовищем. На рис. 16.10Б показана експоненціальна перехідна характеристика.

Через досить великий інтервал часу температура вийде на стаціонарний режим, тобто стане рівною термісториа термісториПри цьому теплові втрати і прикладена електрична потужність зрівняються між собою:

Якщо на термістор, що володіє великим опором, подати низьку напругу, струм, що протікає через нього, буде також малий. Таким чином можна отримати дуже невеликий градієнт температури #&16;T, що призведе до значного зменшення ефекту саморазогрева. Якщо саморазогрева термистора знехтувати, рівняння (16.34) можна переписати у вигляді:

Рішення цього диференціального рівняння описується експоненціальною функцією (рівняння (16.8)). Це означає, що вихідний сигнал датчика відслідковує зміни навколишньої температури з деякою постійною часу термістори Оскільки ця постійна часу залежить від зв’язку термистора з навколишнім середовищем, вона, як правило, визначається для конкретних умов. наприклад, термістори= 1 с при температурі 25 ° С в невозмущенном повітрі або термістори= 0.1 с при Т = 25 ° С в добре перемішаної воді. Слід завжди пам’ятати, що всі вищенаведені рівняння відповідають спрощеної моделі теплових потоків. Насправді, вихідний сигнал термистора ніколи не буває строго експоненціальним.

При розробці датчиків на основі термисторов завжди використовується одна з його трьох основних характеристик:

1. Залежність опору від температури. На рис. 16.12 показаний вид такої залежності для термісторів з ВТК. У датчиках, реалізованих на основі цієї характеристики, ефект саморазогрева, практично, відсутня. При цьому необхідно вибирати термістори з високим номінальним опором, а конструкція детектора повинна забезпечувати максимальну зв’язок чутливого елемента з об’єктом вимірювання. Дана характеристика використовується, в основному, для побудови детекторів температури. Термометри, термостати і теплові переривники є прикладами застосування цієї залежності.

2. Залежність струму від часу (або опору від часу). На рис. 16.10Б показаний приклад цієї характеристики.

Залежність напруги від струму. Ця характеристика важлива або для детекторів, реалізованих на основі явища саморазогрева, або для датчиків, де цим ефектом знехтувати не можна. Вираз (16.36) є рівнянням балансу між прикладеною електричною енергією та тепловими втратами. При відомій залежності опору від температури і при незначних змінах #&48; (Що справедливо для багатьох практичних випадків), з рівняння (16.36) можна отримати залежність статичної напруги від струму. Ця характеристика зазвичай будується в логарифмічних координатах по обом осям. У такому графіку лінії, відповідні постійним опорам, мають нахил +1, а лінії постійної потужності — нахил-1 (рис. 16.11).

термістори

Мал. 16.11. Залежність напруги від струму для термісторів з ВТК, які працюють в спокійній повітряному середовищі при температурі 25 ° С. Нелінійність характеристики пояснюється ефектом саморазогрева.

При дуже низьких токах (ліва сторона рис. 16.11) потужність розсіювання термистора мала, і характеристика для кожного значення температури є дотичною до лінії постійного опору, тобто в цій області термистор поводиться як звичайний резистор, і напруга VТ пропорційно току i.

При збільшенні струму ефект саморазогрева термистора посилюється, що веде до зменшення його опору. Оскільки величина опору перестає бути постійною, характеристика VT (I) починає відхилятися т прямій лінії. Нахил цієї залежності (dVT / Di), який відповідає величині опору, знижується при збільшенні струму. Зростання струму веде до падіння опору, яке, в свою чергу, викликає збільшення струму. В деякій точці опір термістора стає рівним нулю. Ця точка характеризується максимальним значенням напруги термісториі струмом термісториПодальше збільшення струму призводить до продовження зменшення нахилу характеристики. Це означає, що величина опору стає негативною (права сторона рис. 16.11). Якщо струм продовжити збільшувати струм далі, починають грати роль опору сполучних проводів, тому ніколи не можна допускати роботу термистора в таких режимах. В документації на серійно випускаються термістори зазвичай вказується максимальне значення допустимої потужності.

З рівняння (16.36) видно, що термістори з сильним саморазогрева можуть використовуватися для детектування змін термістори(В складі вакуумних манометрів (датчиках Пірані), анемометр, витратомірах), термістори(В измерителях потужності СВЧ випромінювань) або VT (В електричних схемах автоматичного керування коефіцієнтом посилення, регуляторах і обмежниках напруги) і т.д.

Термістори з позитивним температурним коефіцієнтом

Всі метали відносяться до матеріалів з позитивним температурним коефіцієнтом (ПТК). З відповідною таблиці Додатка видно, що всі вони володіють низькими значеннями температурних коефіцієнтів опору (ТКС). РДТ, описані раніше, також мають невеликий ПТК. На відміну від них багато керамічні матеріали в певному температурному діапазоні мають досить значними ПТК. Термістори з ПТК зазвичай виготовляються на базі полікристалічних керамічних матеріалів, основні компоненти яких (титанат барію або тверді розчини титаната барію і стронцію), що володіють високим питомим опором, легується додатковими домішками для додання їм властивостей напівпровідників. При температурах, що перевищують точку Кюрі композиційних матеріалів, їх ферроелектріческіе властивості змінюються дуже швидко, що призводить до значного збільшення опору, іноді на кілька порядків. На рис. 16.12 показані передавальні характеристики для трьох типів температурних детекторів: з ВТК, ПТК і РДТ. Як видно з малюнка, для термісторів з ПТК дуже складно підібрати математичну апроксимацію, тому для них в документації зазвичай наводяться такі характеристики:

1. Опір при нульовій доданої потужності, R25 . При цьому значенні вплив ефекту саморазогрева незначно.

2. Мінімальний опір Rm , при якому термистор змінює знак свого температурного коефіцієнта (точка т)

3. Температура переходу Тt , починаючи з якої починається швидка зміна опору. Вона приблизно збігається з точкою Кюрі матеріалу. Значення температури переходу зазвичай лежать в інтервалі — ЗО. + 16о ° С (Keystone Carbon Co.)

4. ТКС, який визначається як:

Цей коефіцієнт сильно залежить від температури і часто визначається в точці х (Тобто там, де він володіє максимальним значенням). Він може досягати значень 2 / ° С, що означає 200% зміна опору на ° С.

5. Максимальна напруга Ет , відповідне гранично допустимого значення, витримує термістором.

6. Теплові характеристики: теплоємність, коефіцієнт розсіювання #&48;(Певний для заданих умов зв’язку детектора з навколишнім середовищем) і теплова постійна часу (що характеризує швидкодію термистора привизначенні умовах)

термістори

Мал. 16.12. Передавальні функції для термісторів з ВТК, ПТК і РДТ.

Слід зазначити, що для термісторів з ПТК важливими факторами є: температура навколишнього середовища і ефект саморазогрева. Будь-який з них впливає на стан робочої точки термистора.

На рис. 16.13 показані вольтамперні характеристики термістора з ПТК при різних температурах навколишнього середовища, за якими можна оцінити його температурну чутливість. Відповідно до закону Ома звичайний резистор з близьким до нуля ТКС володіє лінійної вольтамперной характеристикою. При ВТК коефіцієнт кривизни позитивний, а при ПТК — негативний. При підключенні термісторів з ВТК до ідеального джерела напруги (володіє практично нульовим вихідним опором і здатністю виробляти будь-який струм без зміни величини напруги) явище саморазогрева, що виникає через розсіювання джоулева тепла, призводить до зменшення опору, що, в свою чергу, викликає збільшення струму і більшого нагрівання детектора. Якщо термистор з ВТК має поганий тепловідвід, може статися його перегрів і навіть руйнування.

На відміну від термісторів з ВТК, детектори з ПТК при підключенні до ідеальних джерел напруги поводяться як саморегулюючі пристрою. Наприклад, нитка розжарення розпеченій лампи не перегорає через те, що збільшення її температури веде до зростання опору, що обмежує струм. Ефект саморегулювання значний в термисторах з ПТК. З рис. 16.13 видно, що у відносно вузькому діапазоні температур, термістор з ПТК має негативний опором, тобто

У цій зоні пристрої володіють внутрішньої негативним зворотним зв’язком, тобто працюють саморегулюючими термостатами. При цьому будь-яке зростання напруги на термісторі призводить до виділення тепла, яке, в свою чергу, викликає збільшення опору і зменшення теплових втрат, в результаті чого виникає динамічна рівновага, що дозволяє утримувати температуру пристрою на постійному рівні Тпро (Рис. 16.12). Ця температура відповідає точці х, в якій дотична до кривої має максимальний нахил.

термістори

Рис 16.13. Вольтамперная характеристика детектора з ПТК

Слід зазначити, що термістори з ПТК мають максимальну ефективність при великих значеннях Т0 (Близько 100 ° С), а при менших температурах їх ефективність (нахил характеристики R (T) в точці х) різко падає. По своїй фізичній природі термістори з ПТК краще використовувати при температурах, які значно перевищують температуру навколишнього середовища.

Наведемо чотири приклади застосування термісторів з ПТК:

1. У пристроях захисту електронних схем термістори з ПТК можуть грати роль неруйнівного запобіжників, що реагують на струми, значення яких перевищують допустимі рівні. На рис. 16.14А показаний термистор з ПТК, включений послідовно з джерелом напруги Е, подає на навантаження струм i. При кімнатній температурі термістор має
дуже низьким опором (близько 10. 140 Ом). При струмі i падіння
напруги на навантаженні становить термісториа на термісторі — Vx. Вважаємо, що термістори Потужність, що розсіюється на термісторі: P = Vx i, віддається в навколишнє середовище. При цьому температура термістора зростає, але дуже на невелику величину. Однак при значному збільшенні навколишньої температури або сильній зміні струму навантаження відбувається різке зростання температури термістора до величини Т#&64; , після досягнення якої його опір починає зростати, що запобігає подальше збільшення струму. При короткому замиканні в навантаженні

V =Е, а струм i падає до мінімального значення. Це значення буде зберігатися до тих пір, поки опір навантаження не прийде в норму, після чого, термістор відновить свої вихідні характеристики. Однак при цьому необхідно виконання умови Е<0.9Етах , інакше може відбутися руйнування термистора.

2. У мініатюрних термостатах з саморазогрева (рис. 16.14Б), використовуваних в мікроелектроніці, біомедицині, хімічних дослідженнях і т.д, також використовуються термістори з ПТК з відповідно підібраною температурою переходу. Термостат складається з кювети, теплоизолированной від навколишнього середовища і пов’язаної з термістором. Для усунення сухого контакту між термістором і кюветой роблять шар зі спеціальної мастила.
Висновки термистора підключаються до джерела напруги, напруга
якого можна оцінити за допомогою виразу:

термістори

де #&48; — коефіцієнт розсіювання, що залежить від теплоізоляції термистора від навколишнього середовища, АTa — Температура навколишнього середовища. Робоча точка термостата визначається фізичними властивостями керамічного матеріалу (точкою Кюрі). Завдяки внутрішній теплової зворотного зв’язку, пристрій може працювати в порівняно широкому діапазоні напруг і оточуючих температур. Природно, що навколишня температура повинна бути завжди менше термістори

3. термістори з ПТК через великий тривалості перехідних процесів, які визначаються часом між подачею напруги та переходом пристрою в робочий стан, часто вимагає підключення схем затримки.

4. Витратоміри і детектори рівня рідких середовищ, що працюють на принципі детектування теплового розсіювання, також часто реалізуються на основі термісторів з ПТК.

термістори

Мал. 16.14. Застосування термісторів з ПТК: А — в схемах обмеження струму, Б — в мікротермостатах

5.189.137.82 © studopedia.ru Чи не є автором матеріалів, які розміщені. Але надає можливість безкоштовного використання. Є порушення авторського права? Напишіть нам.

5.5. термістори

Хермістор — це напівпровідниковий Термочутливість опір. При підвищенні температури опір тер-містора різко зменшується, а отже, збільшується його електропровідність. Пристрій деяких термисторов наведено на рис. 96. Розрізняють стрижневі форми термісторів (рис. 96, а, б), сферичні / і дискові 2 (рис. 96, в).

Основна перевага термісторів — великий температурний коефіцієнт опору, рівний 3-4% на градус (у платини і міді близько 0,4% на градус). Малі габарити термисторов забезпечують їх невелику теплову інерційність, що важливо при вимірюванні порівняно швидко мінливих температур.

Термістори можуть бути виготовлені дуже невеликих розмірів для вимірювання температур в мініатюрних приладах і в малодоступних місцях. Звичайне опір термісторів, що застосовуються для вимірювання температур, становить від 1 до 5 кОм. При такому значному опорі результати вимірів не залежать від довжини сполучних проводів. Температурний діапазон застосування термисторов становить від -50 до +180 ° С. Випускають термістори, що працюють і до 450 "С. Вимірювальні схеми з використанням термісторів принципово Чи не відрізняються від схем з дротяними термометрами опору. Слід враховувати тільки, що опір термісторів з ростом температури падає не лінійно, а експоненціально.

Основним параметром термистора є його вольтамперної характеристики (рис. 96, г). У невеликих термісторів, що мають малу теплову інерцію, крива U = f (I) має добре виражений максимум, за яким слідує падіння напруги зі збільшенням сили струму. При підвищенні температури опір термістора падає, а струм, що проходить через нього, зростає, що призводить до збільшення виділення енергії в Формі теплоти в самому термісторі. При деякій температурі струм у вимірювальній схемі може зрости настільки, що теплота, що виділяється в термісторі, не встигатиме відводитися,

термістори

термістори

Мал. 96. Пристрій термісторів (о, 6, в) і їх вольтамперних характеристика (г): а, б: 1 — речовина, що володіє електричним опором; 2 — ковпачки; 3 — захисний металевий чохол; 4 — скляний ізолятор

а це призведе до подальшого розігріву і зростання струму, а отже, і збільшення похибок у вимірюванні температури. Тому кожен термістор має верхній температурний межа застосовності. Для вибору робочого режиму тер-містора знімають його вольтамперних характеристику. Відповідно до отриманої характеристикою підбирають параметри вимірювальної схеми, які відповідають лівому ділянці кривої до точки максимуму. При заміні термистора прилад знову калібрують.

Іншим недоліком термісторів є систематичне зміна опору з часом і пов’язана з цим невисока відтворюваність показань. при 100 "З показання термисторов відтворюються в інтервалі ± 0,01 ° С. Найбільшою стабільністю показань термістори мають в інтервал температур від -60 до +100 ° С. Коли термистор завадять герметичний захисний чохол, стабільність їх показань зростає, але при цьому збільшується їх інерційність.

При тривалому користуванні термістором яка вимірюється температура з точністю до 1 ° С може відтворюватися лише за умови періодично повторюваною калібрування.

Як напівпровідникових датчиків температури можуть бути використані також напівпровідникові діоди і транзістори- При постійному значенні струму, що протікає в прямому управлінні через перехід транзистора, зміна напруги на переході практично лінійно змінюється з температурою. Датчиками можуть бути як германієві, так і кремнієві транзистори.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *