Терморезистор (ТР) — это полупроводниковый прибор (полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ)), электрическое сопротивление (ЭС) которого изменяется в зависимости от температуры. В этой статье рассмотрим подключение терморезистора на примере некоторых схем, которые наиболее часто применяются на практике.
Список сокращений, применяемых в тексте:
ТР — терморезистор;
ПТ — пусковой ток;
ЭС — электрическое сопротивление;
ДН — делитель напряжения.
ТР бывают двух типов, отличающихся зависимостью изменения ЭС от температуры:
— термисторы, у которых сопротивление уменьшается при росте температуры, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC-терморезисторы, Negative Temperature Coefficient);
— позисторы, у которых сопротивление увеличивается при росте температуры, то есть имеют положительный температурный коэффициент (PTC-терморезисторы, Positive Temperature Coefficient).
В качестве датчиков температуры преимущественно используются именно термисторы, поскольку они имеют достаточно большой диапазон рабочих температур и сопротивление изменяется более линейно, чем у позисторов.
Также термисторы применяются в качестве средств защиты. В частности, они устанавливаются в цепях, где необходимо ограничить силу пускового тока.
Позисторы часто применяются в качестве элементов защиты обмоток электродвигателей от перегрева. Также такие элементы иногда используются вместо плавких предохранителей для ограничения резкого роста тока.
Схема включения терморезистора для ограничения пускового тока (ПТ)
Термисторы применяются для ограничения величины ПТ в блоках питания устройств. Например, в цепях питания обмоток мощных электродвигателей, в инверторах или в блоках питания с мощным трансформатором.
В случае необходимости ограничить ПТ для блока питания мощностью до 500 Вт (при этом устройство применяется в условиях с комнатной температурой), то наиболее простым и дешёвым решением будет установить последовательно по входу термистор, как это представлено на рисунке 1.
На рисунке пунктирными линиями указаны пути протекания ПТ. Красно-зелёная линия указывает на протекание ПТ через первичную обмотку трансформатора. Чем мощнее трансформатор, тем выше пиковые значения пускового тока.
В первый момент времени после подачи сетевого напряжения на первичную обмотку трансформатора стартует переходный процесс. Сердечник трансформатора ещё не намагничен, и потому у первичной обмотки ЭС представляет собой лишь только активную составляющую, а она намного меньше реактивной составляющей (в несколько раз). Соответственно, через маленькое сопротивление протекает очень большой ток, и длится это несколько единиц или десятков миллисекунд, пока сердечник не намагнитится, и реактивное ЭС первичной обмотки трансформатора начнёт ограничивать переменный ток в полную силу.
Черно-синяя линия указывает на ПТ, обусловленный зарядом конденсаторов блока питания. Так как в первый момент времени после подачи питания конденсаторы (особенно электролитические большой ёмкости) полностью разряжены и создают кратковременный эффект «короткого замыкания». Из-за этого зарядный ток в этот первый момент времени может иметь очень большую величину, превышающую в несколько раз номинальный ток блока питания. С течением времени конденсаторы заряжаются, ток заряда падает. Процесс заряда происходит очень быстро, буквально десятки миллисекунд. Но ПТ вполне достаточно, чтобы вывести из строя диодный мост блока питания, если его максимальный ток намного меньше величины ПТ.
Термистор, установленный последовательно с первичной обмоткой трансформатора блока питания, в спокойном состоянии (когда через него не течёт ток) имеет относительно большое ЭС (в зависимости от величины ПТ выбирают термисторы с сопротивлением от нескольких Ом до нескольких сотен Ом). В момент протекания ПТ через термистор на нём падает напряжение, которое эффективно рассеивается за счёт габаритов термистора. С течением времени термистор нагревается за счёт протекания тока через него, и его ЭС падает до величины, соответствующей нескольким процентам от номинального ЭС (при комнатной температуре +25 ̊C). Далее, при уже штатной работе блока питания, термистор имеет маленькое ЭС, на котором падает очень незначительное напряжение, а потому существенно не влияет на работу блока питания.
Так как термистор в значительной степени зависим от температуры окружающей среды, то время остывания термистора, после которого можно вновь выполнить подачу питания с эффектом подавления ПТ, может составлять от 30 секунд до 2 минут в зависимости от габаритов термистора и температуры воздуха вокруг него. По этой причине для тех устройств, где требуется выполнять относительно часто пуски тока, то гораздо более надёжным и эффективным средством ограничения ПТ будет использование активного метода ограничения, используя позистор и шунтирующие его контакты электромагнитного реле.
На рисунке 3 представлена теоретическая схема блока питания с ограничителем ПТ на базе позистора и электромагнитного реле. При подаче сетевого напряжения на первичную обмотку трансформатора T1 ток течёт через позистор THR1. Параллельно первичной обмотке включена цепь питания катушки электромагнита реле K1. В схеме используется реле постоянного тока с номинальным напряжением срабатывания 12 В и номинальным током 70 мА. Соответственно, для работы реле необходимо выпрямить переменное сетевое напряжение — для этого используется выпрямительный диод VD1. Параллельно катушке электромагнита реле поставлен электролитический конденсатор с ёмкостью 1000 мкФ. Учитывая, что номинальное рабочее напряжение реле составляет 12 В, а оно питается от сети 220 В, необходимо использовать гасящий (токоограничивающий) резистор, на котором будет падать (220 – 12 = 208) В. Зная, что номинальный ток срабатывания реле составляет 70 мА, можно рассчитать величину ЭС гасящего резистора:
На рисунке указан резистор с номиналом 2,7 кОм, поскольку нужно учитывать ещё тот факт, что данный резистор совместно с конденсатором C1 образуют RC-цепочку, которая обладает своей постоянной времени. Именно в течение этого времени производится заряд конденсатора C1 до такого уровня, чтобы реле K1 сработало. А именно:
То есть, был выбран номинал резистора 2,7 кОм, чтобы немного замедлить время включения реле. Получается, что первые три секунды после подачи сетевого питания ток течёт через позистор, тем самым ограничивая ПТ, а потом контакты реле шунтируют (то есть подключаются параллельно, и в данном случае — закорачивают) позистор.
Схема включения терморезистора в состав делителя напряжения (ДН) для измерения температуры
Простейшим способом измерять температуру посредством ТР является измерение напряжения на выходе ДН на резисторах, верхним плечом которого является сам термистор. На рисунке 4 представлена соответствующая схема включения.
Термистор включён как верхнее плечо ДН, поскольку при увеличении температуры его ЭС падает, а значит — увеличивается ток, протекающий через резистор R1, и на нём, следовательно, увеличивается падение напряжения. То есть получается прямая зависимость: чем выше температура, тем выше напряжение на выходе ДН.
Если же термистор установить как нижнее плечо делителя, то зависимость будет обратная: чем выше температура, тем ниже напряжение на выходе ДН.
Итак, допустим, подключили термистор как верхнее плечо ДН. Снимаем мультиметром напряжение с выхода (нижнего плеча) делителя: например, Uвых = 2 В.
Теперь необходимо рассчитать величину сопротивления верхнего плеча, зная значения напряжения питания (Eпит = 5 В) и сопротивление нижнего плеча (R1 = 10 кОм). Определим ЭС термистора THR1, используя формулу расчёта напряжения на выходе ДН:
Зная значение ЭС терморезистора, можно вычислить его температуру. Допустим, что в данном примере используется термистор модели NTCLE100E3103 с номинальным ЭС 10 кОм. Коэффициент температурной чувствительности для данного ТР равен B25/85 = 3977 K . Воспользуемся B-уравнением (модифицированное уравнение Стейнхарта-Харта):
Так как в этом примере мы использовали терморезистор NTCLE100E3103 с номинальным ЭС 10 кОм, то по документации от производителя можно проверить, верно ли произведён расчёт.
Мы вычислили, что при ЭС термистора 15 кОм его температура равна +16,21 ̊C. Смотрим на фрагмент из документации:
Как видно по рисунку 5, наиболее близкое значение температуры из таблицы к нашему расчётному является +15 ̊C (строка выделена красным). В столбце, который соответствует нашей модели термистора, указано ЭС элемента при рассматриваемой температуре. Таким образом, если сравнивать, то достаточно близки значения:
из документации: +15 ̊C => 15698 Ом;
по расчётам: +16,21 ̊C => 15000 Ом.
Подключение терморезистора по схеме измерительного моста для измерения температуры
Одним из недостатков подключения ТР по схеме ДН является тот факт, что при температуре 0 ̊C напряжение на выходе делителя отличается от ноля. Для решения этой проблемы рекомендуется использовать мостовую схему включения (измерительный мост Уитстона), которая представляет собой параллельное включение двух ДН, где в одном из них в качестве верхнего плеча устанавливается ТР. Предлагаемый вариант представлен на рисунке 6.
Одним из главных преимуществ такой схемы является её высокая чувствительность к изменениям температуры. К примеру, если включить по такому варианту советский термистор ММТ-1 с номинальным ЭС 33 кОм и фиксировать выходное напряжение мультиметром, то можно заметить, что просто поднеся руку к ТР на расстояние примерно 10 см показания на мультиметре довольно быстро и существенно изменятся (на десятки милливольт), после чего стабилизируются. А если руку убрать, выходное напряжение довольно быстро вернётся в исходное состояние. Благодаря этому эффекту часто используют ТР, включённые в измерительный мост, как основу для приборов измерения скорости движения воздуха.
С точки зрения значений сопротивление каждого плеча моста условием его баланса (когда напряжение Uвых = 0 В) можно записать следующим соотношением:
Такое схемотехническое решение может применяться для ТР, если у них номинальное ЭС довольно большое (от нескольких единиц до сотен килоом). Если подключать таким образом термосопротивления (термопреобразователь сопротивления RTD), то необходимо выполнять компенсацию ЭС проводников посредством трёх- или четырёхпроводной схемы подключения. Всё потому, что номинальное ЭС термопреобразователя может быть десятки Ом, а суммарное ЭС проводов, через которые производится подключение термосопротивления к измерительному мосту, может внести существенную погрешность в измерения.
Напряжение Uвых в данном случае является дифференциальным сигналом (грубо говоря, измеряется напряжение не относительно общего провода питания, а измеряется потенциал между двумя точками). Его легко можно измерить мультиметром или любым другим вольтметром, но при подаче такого сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя, например, микроконтроллера или специализированного внешнего модуля (например, L-Card E14-440), необходимо удостовериться, что входные цепи преобразователя могут обрабатывать такой сигнал (возможно, потребуется использовать специализированные буферные цепи на базе микросхем операционных или инструментальных усилителей).
Выходное напряжение Uвых измерительного моста можно описать следующим выражением:
Зачастую, самыми удобными номиналами сопротивлений для резисторов являются те, что соответствуют ЭС терморезистора при температуре 0 ̊C. В таком случае выходной напряжение будет меняться относительно середины возможного диапазона напряжений (Eпит/2). К примеру, если используется ТР с сопротивлением 32,5 кОм при температуре 0 ̊C, то остальные резисторы стоит также выбирать с номинальным ЭС, которое максимально приближено к значению 32,5 кОм. Допустив, что напряжение питания равно Eпит = 5 В, то выходное напряжение Uвых будет изменяться приблизительно в диапазоне от -2,5 В до +2,5 В.
На практике сложно подобрать резисторы с одинаковыми значениями ЭС, поскольку они имеют допуски отклонения от номинального сопротивления. По этой причине для подстройки нулевых показаний выходного напряжения при нулевой температуре применяют подстроечные резисторы на одно из плеч каждого делителя:
