Терморезистор — это полупроводниковый прибор (полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ)), сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры.
Под этим термином подразумевается именно электронный компонент на базе полупроводниковых материалов. Иногда его путают с термосопротивлением. Термосопротивление (термопреобразователь сопротивления, Resistance Temperature Detector (RTD)) — это электронный компонент, который используется в качестве датчика температуры. Его принцип действия основан на способности некоторых металлов (медь, никель, платина) изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от изменения температуры почти линейно (в отличие от полупроводниковых датчиков — терморезисторов).
СОДЕРЖАНИЕ
- Классификация
- Где применяются
- Как устроен и виды конструктивного исполнения
- Условное графическое обозначение
- Цветовая маркировка
- Параметры
- Характеристики
Классификация
Терморезистор иногда называют термистором. Это не будет считаться ошибкой, однако стоит уточнить: термистор — это один из двух типов, которые отличаются зависимостью изменения сопротивления от температуры:
— термисторы, у которых сопротивление уменьшается при росте температуры, они имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC: Negative Temperature Coefficient);
— позисторы, у которых сопротивление увеличивается при росте температуры, имеют положительный температурный коэффициент (PTC: Positive Temperature Coefficient).
Термисторы и позисторы относятся к терморезистором прямого подогрева, то есть их температура меняется под действием окружающей среды или протекающего через них электрического тока. Существуют термисторы косвенного подогрева, о которых будет сказано ниже. Есть терморезисторы, предназначенные для индикации и измерения теплового излучения — болометры.
Где применяются
Термисторы очень широко используются как дешёвые (относительно термосопротивлений), удобные и эффективные датчики температуры, применяемые как в промышленности, так и в быту. Например, в системах контроля температуры воды или воздуха, в терморегуляторах нагревателей, в схемах контроля от перегрева аккумуляторов в шуруповёртах, в медицинских электронных термометрах и так далее.
В качестве датчиков температуры чаще всего 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. Они устанавливаются в цепях, где необходимо ограничить силу пускового тока. Например, в момент подачи питания на электродвигатели, инверторы или мощные источники питания может кратковременно возникнуть ток очень большой силы, который способен повредить или даже разрушить чувствительные электронные компоненты цепи, такие как диодный выпрямитель или предохранитель. Номинальное сопротивление таких защитных термисторов от нескольких единиц Ом до сотен Ом.
Позисторы чаще всего применяются в качестве элементов защиты обмоток электродвигателей от перегрева. Физически позисторы устанавливаются вплотную к контролируемым обмоткам электродвигателя, а электрически подключаются к блоку защиты, в который входит цепь питания электромагнитного реле. Оно, в свою очередь, отключает питание электродвигателей в случае перегрева обмоток (температура срабатывания настраивается в блоке защиты).
Также позисторы часто используются вместо плавких предохранителей (очень похоже на самовосстанавливающийся предохранитель, но у него немного иное внутреннее строение) или для ограничения внезапно возросшего тока. Болометр — это полупроводниковые приборы, у которых сопротивление чувствительного элемента изменяется под действием нагрева от падающего потока излучения (инфракрасного). Они применяются для бесконтактного измерения температуры, а также неким аналогом фоторезисторов в системах контроля. Фотография болометра модели БП-2 представлена на рисунке 1.
Как устроен и виды конструктивного исполнения
Термисторы изготавливаются оксидов различных металлов: кобальта (Co3O4), меди (CuO), марганца (Mn3O4), магния (MgO), никеля (NiO), ванадия (V2O5), железа (Fe2O3) и титана (TiO2).
Позисторы изготавливаются из оксида бария (BaO) и стронция (SrO). Встречаются позисторы на базе титаната бария (BaTiO3).
Принцип действия терморезисторов основан на том, что при нагревании полупроводниковых материалов происходит их насыщение носителями заряда (электронами и дырками), вследствие чего проводимость материала увеличивается, и, следовательно, сопротивление уменьшается.
Современная промышленность производит датчики в корпусах самых разных видов: в виде SMD-компонентов (типоразмеры 0805, 1206 и так далее), дисковые, стержневые, бусинковые, в виде кольцевых наконечников, выводные (аналогично резисторам и конденсаторам). На рисунке 2 представлены фотографии терморезисторов в корпусах различных типоразмеров.
На сегодняшний день в России одним из производителей терморезисторов является предприятие АО «Алмаз», расположенное в городе Котовск Тамбовской области. Кроме датчиков температуры предприятие выпускает довольно широкую линейку продукции, в том числе фоторезисторы, тонкоплёночные резисторы для сверхвысокочастотных схем, термовлагостойкие объёмные безындуктивные резисторы, а также микросхемы 301-й серии (преобразователи уровней напряжения для радиоэлектронной аппаратуры).
Одной из моделей приборов, производимых компанией «Алмаз», является термистор СТ4-16А. Выпускаются варианты с различными номинальными сопротивлениями от 6,8 кОм до 15 кОм. Чувствительный элемент датчика запаян в вытянутой стеклянной колбе длиной не более 15 мм (см. рис. 3). Каждый прибор при выпуске получает персональный паспорт, в котором указывались индивидуальные параметры элемента (см. рис. 4).
Кроме АО «Алмаз» в России производством терморезисторов занимается предприятие АО НИИ «Гириконд», расположенное в Санкт-Петербурге. Дополнительно на предприятии выпускаются конденсаторы, фотоэлектрические и оптоэлектронные приборы. На рисунке 5 представлен фрагмент из документации к одной из производимых компанией моделей термисторов ТР-21. Температурный коэффициент сопротивления указывается при температуре +25 ̊C, что характерно для иностранной аналогичной продукции. Отечественным стандартом считается температура +20 ̊C.
производства «Гириконд»
В советское время выпускались датчики в вакуумном стеклянном корпусе. Например, ТПМ6/2Б с номинальным сопротивлением 10 кОм. Чувствительный элемент (на фотографии выделен красным) крепился на электродах.
Условное графическое обозначение
На рисунке 6 представлены условные графические обозначения (УГО) для терморезисторов, применяемые при составлении принципиальных схем.
а — позистор (PTC); б — термистор (NTC); в — косвенного подогрева
На рисунке 7 представлены УГО для болометров:
(а — иностранное обозначение; б — обозначение по ГОСТ)
Кроме вышеуказанных обозначений, на иностранных принципиальных схемах датчики могут обозначаться иными символами (см. рис. 8):
На принципиальных схемах приборы могут иметь следующие буквенные обозначения:
- TH;
- THR;
- TR;
- RTH.
Цветовая маркировка
Некоторые терморезисторы имеют цветовую маркировку на корпусе, аналогично той, что есть у резисторов и индуктивностей. На рисунке 9 представлена таблица цветовой маркировки для датчиков с отрицательным температурным коэффициентом (термисторов).
Параметры
Основными параметрами терморезисторов являются:
- номинальное сопротивление RT;
- диапазон рабочих температур;
- максимально допустимая мощность рассеивания Pmax;
- коэффициент температурной чувствительности B;
- температурный коэффициент сопротивления α;
- тепловая инерционность (постоянная времени) τc;
- теплоёмкость Cth;
- коэффициент рассеивания δth;
- коэффициент энергетической чувствительности G.
1) Номинальное сопротивление RT [Ом] — величина электрического сопротивления датчика, определённая для конкретного значения температуры окружающей среды (обычно для температуры +25 ℃, но иногда и для +20 ℃).
В зависимости от целевого назначения, выпускаются терморезисторы с номинальным сопротивлением от нескольких Ом (такие используются в схемах для ограничения пускового тока) до нескольких сотен кОм (датчики температуры), а допустимые отклонения от номинального значения могут быть от ±5 % до ±20 %.
2) Диапазон рабочих температур, в основном, составляет от -55 ℃ до +150 ℃. Однако, некоторые модели, например, со стеклянным корпусом, могут иметь максимальную рабочую температуру до +300 ℃. Есть датчики, у которых минимальная рабочая температура может достигать до -90 ℃.
3) Максимально допустимая мощность рассеивания Pmax [Вт] — такая величина мощности рассеивания, при которой не возникают необратимых изменений других параметров и характеристик терморезистора. Определение максимальной мощности справедливо, если измерение производится при рабочей температуре, не превышающей максимальную из рабочего диапазона.
4) Коэффициент температурной чувствительности B (размерность — Кельвин (К)) — величина, которая численно выражает характер температурной зависимости. Она зависит от физических свойств полупроводника, из которого изготовлен датчик, и от температуры.
Данный коэффициент обычно приводится в документации к прибору. Для его определения производятся измерения значений сопротивления терморезистора при нормальной температуре (обычно +25 ℃) и при температуре +85 ℃. Поэтому в справочных данных указанный коэффициент обозначается как B25/85, и он определяется по следующим формулам:
где T1=+25 ℃ — значение температуры в нормальном (исходном) состоянии;
T2=+85 ℃;
R1 и R25 — сопротивление при температуре +25 ℃;
R2 и R85 — сопротивление при температуре +85 ℃.
Для большинства датчиков величина коэффициента температурной чувствительности B имеет значения в пределах от 2000 до 7200 Кельвинов, но также бывают терморезисторы с температурной чувствительностью от 700 до 15000 Кельвинов.
5) Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α — это физическая величина, равная относительному изменению удельного сопротивления вещества при изменении температуры на один градус. При помощи этого коэффициента можно определить, на какую величину изменится сопротивление, если изменить его температуру на определённую величину градусов.
В документации на отечественные компоненты исходной температурой определения ТКС считается +20 °C, а для иностранных компонентов исходной температурой является +25 °C. Хотя некоторые отечественные производители указывают ТКС для температуры +25 °C.
На практике для каждого терморезистора коэффициент α используется из справочных данных от производителя. Для быстрых и простых приблизительных вычислений можно использовать следующие выражения:
где α [1/°C] — температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
dR/dT — отношение первой производной сопротивления компонента по температуре к его сопротивлению при заданной температуре;
ΔT [°C] — величина изменения температуры;
ΔR [Ом] — величина, на которое изменится сопротивление при изменении температуры;
R [Ом] — сопротивление терморезистора при нормальной температуре (указывается в справочных данных от производителя, обычно относительно этого значения указывают величину ТКС).
По-другому представить взаимосвязь сопротивления компонента от его температуры, зная значение ТКС, можно следующим образом:
где RT [°C] — сопротивление при температуре T;
RT0 [Ом] — номинальное сопротивление при температуре T0 (для отечественных терморезисторов T0 =+20 °C, для зарубежных T0 =+25 °C);
α [1/°C] — температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
T [°C] — текущая температура;
T0 [°C] — значение температуры в нормальном (исходном) состоянии (для отечественных терморезисторов T0 =+20 °C, для зарубежных T0 =+25 °C).
Стоит обратить внимание на то, как в документации к датчикам может приводиться величина ТКС. К примеру, вот как это описывается в документации к отечественному термистору ТР-21:
Зелёным выделена ячейка, в которой указан параметр — температурный коэффициент сопротивления с размерностью [% / °C]. Для термистора данной модели с номинальным сопротивлением 15 кОм значение ТКС равно -4,6 % / °C (выделено красным).
В документации для термистора серии NTCLE100E3 ТКС описывается так:
Температурный коэффициент сопротивления обозначен как TCR (Temperature Coefficient of Resistance) и имеет размерность [% / K]. Красным выделено значение ТКС при температуре +25 ̊C для всех моделей термисторов серии NTCLE100E3, и оно составляет -4,38 % / K.
В системе СИ температура измеряется в кельвинах [K], но так как 1 градус по шкале Кельвина равен 1 градусу по шкале Цельсия, а также нам привычнее использовать именно шкалу Цельсия, то не будет ошибкой рассматривать величину коэффициента как [1/℃] или как [1/K].
Но в документациях указано значение ТКС в процентах — %. Чтобы использовать это значение в формуле 
, необходимо перевести значение в дробное представление, то есть умножить на 0,01:
-4,38 % / K = -0,0438 1 / K
-4,6 % / °C = -0,046 1 / °C
6) Постоянная времени τc — величина, характеризующая тепловую инерционность терморезистора, и численно выражается как время, в течение которого температура уменьшается примерно на 63,2 % от разности температур самого компонента и окружающей среды.
Как определить постоянную времени терморезистора. Его сперва нагревают до температуры +85 ℃ и замеряют его сопротивление. Затем в среду с температурой +25 ℃ помещают нагретый компонент, где он свободно охлаждается (без применения дополнительных средств для принудительного охлаждения), и замеряют время, в течение которого сопротивление термистора изменится на 63,2 % относительно величины сопротивления, которая определяется как разность между величиной сопротивления при +85 ℃ и величиной сопротивления при нормальных условиях (номинальное сопротивление по паспорту терморезистора, которое указано для температуры +25 ℃).
К примеру, возьмём прибор с отрицательным коэффициентом сопротивления (термистор) с сопротивлением 100 кОм (это номинальное значение сопротивление, указанное в документации от производителя при температуре +25 ℃). Далее положим его в тепловую камеру и нагреем его до +85 ℃, выдержав некоторое время при такой температуре. После чего измеряем сопротивление (допустим, получилось 40 кОм). Извлечем датчик из камеры и поставим в другую камеру, где температура воздуха +25 ℃. Засекаем время, запустив секундомер, и одновременно измеряем сопротивление терморезистора. Разность между величиной сопротивления при +85 ℃ и величиной сопротивления при нормальных условиях (+25 ℃) в нашем примере составляет 60 кОм. Определим, какое сопротивление соответствует 63,2 % от 60 кОм: 60000*0,632=37920 Ом. Отсюда следует, что когда сопротивление датчика при остывании станет 77,92 кОм (40000 + 37920 = 77920 Ом), фиксируем время на секундомере. Это время и есть постоянная времени τc.
Постоянная времени τc зависит от габаритов компонента и теплопроводности окружающей среды и для различных моделей приборов может составлять от 0,5 секунд до 160 секунд.
7) Теплоёмкость Cth — это количество тепла, которое надо передать терморезистору, чтобы повысить его температуру на 1 градус. В диапазоне рабочих температур теплоёмкость можно принять как постоянную величину, которую можно рассчитывать по следующей формуле:
где τc [с] — тепловая постоянная времени.
8) Коэффициент рассеяния δth (в некоторых источниках обозначается как H) — это отношение изменения в рассеиваемой энергии к изменению температуры терморезистора. Другими словами — это есть мощность, которая рассеивается на датчике, и при этом его температура увеличивается на 1 градус (то есть мощность рассеивается на компоненте при разности температур самого компонента и окружающей среды в 1 градус).
Чтобы определить коэффициент рассеяния терморезистора, необходимо, чтобы он был нагружен такой мощностью, при которой его температура составит +85 ℃. Иначе говоря, нужно приложить напряжение к датчику, чтобы через него начал протекать ток. Необходимо зафиксировать величины тока и напряжения, при которых температура прибора будет +85 ℃. Зная значения тока и напряжения, можно рассчитать мощность.
Таким образом, коэффициент рассеяния δth можно определить по следующей формуле:
где T1 [℃] — температура окружающей среды;
T2=+85 ℃ — температура терморезистора.
9) Коэффициент энергетической чувствительности G — это величина, численно равная мощности, которая должна рассеяться на датчике, чтобы уменьшить его сопротивление на 1%. Другими словами: величина мощности, которую должен принять компонент, чтобы его температура увеличилась на 1 градус.
Стоит сказать, что коэффициент рассеяния и коэффициент энергетической чувствительности зависят от свойств полупроводникового материала, из которого изготовлен терморезистор, а также от интенсивности теплообмена самого датчика с окружающей его средой. Соответственно, оба указанных коэффициента взаимосвязаны, что можно представить в виде следующего выражения, учитывая величину температурного коэффициента сопротивления α:
Характеристики
Основными характеристиками терморезисторов являются:
- вольт-амперная характеристика;
- температурная характеристика;
- подогревная характеристика.
1) Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — это зависимость тока, протекающего через датчик, от напряжения, приложенного к нему, когда устанавливается тепловое равновесие между окружающей средой и самим датчиком.
Когда через терморезистор протекает ток, то в нём выделяется тепло, и происходит его саморазогрев (температура корпуса датчика превышает температуру окружающей среды). Соответственно, сопротивление терморезистора определяется как сумма температур: температура самонагрева и температура окружающей среды. На рисунке 10 представлен график с вольт-амперными характеристиками для термистора (NTC) и позистора (PTC).
На рисунке 10 видно, что с ростом напряжения на термисторе (NTC) растёт и величина тока, протекающего через датчик, что соответствует закону Ома. Однако, с увеличением температуры самонагрева происходит падение сопротивления, из-за чего уменьшается и величина падения напряжения на приборе. Таким образом, величина напряжения, прикладываемое к терморезистору, не должно быть больше, чем величина максимального рабочего напряжения, определённая производителем в документации.
Когда терморезистор подключен к измерительной схеме, то через него протекает электрический ток, что оказывает своё влияние на температуру элемента (так называемый саморазогрев). Соответственно, это можно описать следующим соотношением:
где P — приложенная к датчику мощность;
U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе;
I — мгновенное значение тока через компонент;
dH/dt — изменение накопленной тепловой энергии с изменением времени;
δth — коэффициент рассеяния терморезистора;
T — мгновенная температура датчика;
TA — температура окружающей среды;
Cth — теплоёмкость терморезистора;
dT/dt — изменение температуры с изменением времени.
После того, как подано питание на измерительную схему с датчиком, необходимо дать некоторое время для его прогрева, поскольку температура чувствительного элемента сперва немного увеличивается, а потом уменьшается. Через некоторое время наступает установившийся тепловой режим (тепловое равновесие), а потому можно принять dT/dt = 0. Таким образом, указанное выше соотношение можно преобразовать следующим образом:
Учитывая закон Ома (U = R × I), выражения для тока и для напряжения примут вид:
Эти параметрические уравнения описывают вольт-амперные характеристики терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом.
2) Температурная характеристика — это зависимость сопротивления датчика от температуры.
На рисунке 11 представлена теоретические графики температурной характеристики термистора и позистора. По графикам видно, что термисторы обладают большей линейностью, нежели позисторы. Именно поэтому термисторы применяются в качестве датчиков температуры, а позисторы — в качестве средств защиты.
В рабочем диапазоне температур зависимость сопротивления копонента от температуры может быть представлена следующим выражением (как вариант упрощённой замены уравнению Стейнхарта-Харта):
где RT [Ом] — сопротивление терморезистора при конкретной текущей температуре T, при которой производится измерение;
RN [Ом] — номинальное сопротивление при температуре TN;
T [K] — температура терморезистора при конкретной текущей температуре, при которой производится измерение. В данной формуле температура измеряется в Кельвинах;
TN [К] — температура датчика, при которой определено номинальное сопротивление RN. Обычно, это либо +20 ℃ (293 К), либо +25 ℃ (298 К);
B [К] — коэффициент температурной чувствительности, указанный в документации к конкретному прибору.
3) Подогревная характеристика — это зависимость сопротивления терморезистора от подаваемой к нему мощности. Данная характеристика применима к датчикам (как правило, с отрицательным температурным коэффициентом) косвенного подогрева.
В терморезисторах с косвенным подогревом имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента, но находящаяся с ним в тесном контакте. Соответственно, можно менять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой компонент используется в качестве переменного резистора.