Термістори та їх застосування

Слово «термістор» зрозуміло саме по собі: термічні резистори - пристрій, опір якого змінюється з температурою.

Термістори є в значній мірі нелінійними приладами і найчастіше мають параметри з великим розкидом. Саме тому багато, навіть досвідчені інженери і розробники схем відчувають незручності при роботі з цими приладами. Однак, познайомившись ближче з цими пристроями, можна бачити, що термістори насправді є цілком простими пристроями.

Спочатку необхідно сказати, що не всі пристрої, що змінюють опір з температурою, називаються термісторами. Наприклад, резистивні термометри, які виготовляються з маленьких котушок кручений дроту або з напилених металевих плівок. Хоча їх параметри залежать від температури, однак, вони працюють не так, як термістори. Зазвичай термін «термістор» застосовується по відношенню до чутливих до температури напівпровідникових пристроїв.

Є два основні класи термісторів: з негативним ТКС (температурним коефіцієнтом опору) і з позитивним ТКС.

Існують два принципово різних типи випускаються термісторів з позитивним ТКС. Одні виготовляються подібно термісторів з негативним ТКС, інші ж робляться з кремнію. Термістори з позитивним ТКС будуть описані коротко, а основна увага буде приділена більш поширеним термісторі з негативним ТКС. Таким чином, якщо відсутні особливі вказівки, то мова буде йти про термисторах з негативним ТКС.

Термістори з негативним ТКС є високочутливими, нелінійними пристроями з вузьким діапазоном, опір яких зменшується при збільшенні температури. На рис.1 зображена крива, що показує зміну опору в залежності від температури і представляє собою типову температурну залежність опору. Чутливість - приблизно 4-5% / ^о С. Є великий діапазон номіналів опорів, і зміна опору може досягати багатьох му і навіть килоом на градус.

R

R ^o

T ^o

Рис.1 Термістори з негативним ТКС дуже чутливі і значною

Ступені нелінійні. R _про може бути в Омасі, кілоомах або мегоомах:

1-відношення опорів R / R _о; 2 температура в ^{° С}

По суті термістори являють собою напівпровідникову кераміку. Вони виготовляються на основі порошків окислів металів (зазвичай оксидів нікелю та марганцю), іноді з добавкою невеликої кількості інших оксидів. Порошкоподібні окисли змішуються з водою і різними зв'язувальними речовинами для одержання рідкого тесту, якому надається необхідна форма і яке обпалюється при температурах понад 1000 ^о С.

Приварюється проводить металеве покриття (звичайно срібне), і приєднуються виводи. Закінчений термістор звичайно покривається епоксидною смолою або склом або полягає в який-небудь інший корпус.

рис.2

З рис. 2 можна бачити, що є безліч типів термісторів.

Термістори мають вид дисків і шайб діаметром від 2.5 до приблизно 25.5 мм, форму стрижнів різних розмірів.

Деякі термістори спочатку виготовляються у вигляді великих пластин, а потім ріжуться на квадрати. Дуже маленькі бусінковие термістори виготовляються шляхом безпосереднього випалювання краплі тіста на двох виводах з тугоплавкого титанового сплаву з наступним опусканням термістора в скло з метою одержання покриття.

Типові параметри

Говорити «типові параметри» - не зовсім правильно, тому що для термісторів існує лише кілька типових параметрів. Для безлічі термисторов різних типів, розмірів, форм, номіналів і допусків існує таке ж велика кількість технічних умов. Більш того, часто термістори, що випускаються різними виробниками, не є взаємозамінними.

Можна придбати термістори з опорами (при 25 ^o С - температури, при якій зазвичай визначається опір термістора) від одного ома до десяти мего і більш. Опір залежить від розміру і форми термістора, однак, для кожного певного типу номінали опору можуть відрізнятися на 5-6 порядків, що досягається шляхом простої зміни оксидної суміші. При заміні суміші також і змінюється і вид температурної залежності опору (RT крива) і змінюється стабільність при високих температурах. На щастя термістори з високим опором, достатнім для того, щоб використовувати їх при високих температурах, також володіють, як правило, більшою стабільністю.

Недорогі термістори зазвичай мають досить великі допуски параметрів. Наприклад, допустимі значення опорів при 25 ^о С змінюються в діапазоні від ± 20% до ± 5%. При більш високих або низьких температурах розкид параметрів ще більше збільшується. Для типового термістора, що має чутливість 4% на градус Цельсія, відповідні допуски вимірюваної температури міняються приблизно від ± 5 ^про до ± 1,25 ° ^С при 25 ° ^С Високоточні термістори будуть розглядатися в даній статті нижче.

Раніше було сказано, що термістори є пристроями з вузьким діапазоном. Це необхідно пояснити: більшість термісторів працює в діапазоні від -80 ^{° С} до 150 ^{° С,} і є прилади (як правило, зі скляним покриттям), які працюють при 400 ^{° С} і високих температурах. Однак для практичних цілей велика чутливість термісторів обмежує їх корисний температурний діапазон. Опір типового термістора може змінюватися в 10000 чи 20000 разів при температурах від -80 ° ^С до +150 ^о С. Можна уявити собі труднощі при проектуванні схеми, яка забезпечувала б точність вимірів на обох кінцях цього діапазону (якщо не використовується переключення діапазонів). Опір термістора, номінальне при нулі градусів, не перевищить значення декількох ом при

400 ^о С.

У більшості термісторів для внутрішнього приєднання висновків використовується пайка. Очевидно, що такий термістор не можна використовувати для вимірювання температур, що перевищують температуру плавлення припою. Навіть без пайки, епоксидне покриття термісторів зберігається лише при температурі не більше 200 ^о С. Для більш високих температур необхідно використовувати термістори зі скляним покриттям, що мають приварені або вплавлені висновки.

Вимоги до стабільності також обмежують застосування термісторів при високих температурах. Структура термісторів починає змінюватися під дією високих температур, і швидкість і характер зміни в значній мірі визначаються оксидної сумішшю і способом виготовлення термистора. Деякий дрейф термісторів з епоксидним покриттям починається при температурах понад 100 ^{° С} або близько того. Якщо такий термістор безперервно працює при 150 ^{° С,} то дрейф може вимірюватися кількома градусами за рік. Низькоомні термістори (наприклад, не більше 1000 Ом при 25 ^о С) часто ще гірше - їх дрейф може бути помічений при роботі приблизно при 70 ^о С. А при 100 ^{° С} вони стають ненадійними.

Недорогі пристрої з великими допусками виготовляються з меншою увагою до деталей і можуть дати навіть гірші результати. З іншого боку, деякі правильно розроблені термістори зі скляним покриттям мають прекрасну стабільність навіть при більш високих температурах. Бусінковие термістори зі скляним покриттям володіють дуже хорошою стабільністю, так само, як і недавно з'явилися дискові термістори зі скляним покриттям. Слід пам'ятати, що дрейф залежить як від температури, так і від часу. Так, наприклад, зазвичай можна використовувати термістор з епоксидним покриттям при короткочасному нагріванні до 150 ° ^С без значного дрейфу.

При використанні термісторів необхідно враховувати номінальне значення постійної розсіюється. Наприклад, невеликий термістор з епоксидним покриттям має постійну розсіювання, рівну одному мілівата на градус Цельсія в нерухомому повітрі. Іншими словами один милливатт потужності в термісторі збільшує його внутрішню температуру на один градус Цельсія, а два мілівата - на два градуси і так далі. Якщо подати напругу в один вольт на термістор в один кіло, що має постійну розсіювання один милливатт на градус Цельсія, то вийде помилка вимірювання в один градус Цельсія. Термістори розсіюють велику потужність, якщо вони опускаються в рідину. Той же вищезгаданий невеликий термістор з епоксидним покриттям розсіює 8 мВт / ^о С, перебуваючи в добре перемішують маслі. Термістори з великими розмірами мають постійне розсіювання краще, ніж невеликі пристрої. Наприклад термистор у вигляді диска або шайби може розсіювати на повітрі потужність 20 або 30 мВт / ^о С слід пам'ятати, що аналогічно тому, як опір термістора змінюється в залежності від температури, змінюється і його розсіює потужність.

Рівняння для термісторів

Точного рівняння для опису поведінки термистора не існує, - є тільки наближені. Розглянемо два широко використовуваних наближених рівняння.

Перше наближене рівняння, експоненціальне, цілком задовільно для обмежених температурних діапазонів, особливо - при використанні термісторів з малою точністю.

Друге рівняння, зване рівнянням Стейнхарта-Харта, забезпечує прекрасну точність для діапазонів до 100 ^о С.

Опір термістора з негативним ТКС зменшується приблизно по експоненті зі збільшенням температури. В обмежених температурних діапазонах його RT-залежність досить добре описується наступним рівнянням:

R _T2 = R _T1 е ^{b (I / T2 - I / T1),}

Де Т1 і Т2 - абсолютні температури в градусах Кельвіна ^{(° С} +273);

R _T1 і R _T2 - опору термістора при Т1 і Т2; b - константа, яка визначається шляхом вимірювання опору термістора при двох відомих температурах.

Бета є великим, позитивним числом і має розмірність в градусах Кельвіна. Типові значення змінюються від 3000 до 5000 ^про К.

Виробники часто включають значення для бета в специфікації, однак, так як експоненціальне рівняння є лише приблизними, значення бета залежить від двох температур, використаних при його обчисленні. Деякі виробники використовують значення 0 і 50 ^о С; інші - 25 і 75 ^о С.

Можна використовувати інші температури: можна обчислити самостійно значення бета на підставі таблиць залежності опору від температури, які пропонує виробник. Рівняння, як правило узгоджується з виміряними значеннями в межах ± 1 ^о С на ділянці в 100 ^о С. Рівняння можна використовувати з достовірністю при температурах, сильно відрізняються від тих, що були використані для визначення бета.

Перед тим, як перейти до рівняння Стейнхарта-Харта, розглянемо два інших параметра, часто використовуваних для опису термісторів: альфа (a) і коефіцієнт опору. Альфа просто визначається нахилом RT- кривої, тобто є чутливістю при певній температурі. Альфа зазвичай виражається в «відсотках на градус». Типові значення змінюються від 3% до 5% ^о С. Так само, як і бета, альфа залежить від температур, при яких вона визначається. Її значення кілька зменшаться при більш високих температурах.

Під коефіцієнтом опору мається на увазі відношення опору при одній температурі до опору при іншій, більш високій температурі.

Для точних термісторів зазвичай є таблиця значень опору (для кожного градуса) в залежності від температури, яка поставляється виробником разом з іншою інформацією. Однак іноді зручно мати точне рівняння при виконанні конструкторських розрахунків або (особливо) при використанні ЕОМ для перерахунку опору термістора в температуру. Крім як для дуже вузьких діапазонів температур, експоненціальне рівняння з одним параметром незадовільний - необхідна більша кількість параметрів.

Найкращим наближеним виразом, широко використовуваним в даний час, є рівняння Стейнхарта-Харта:

Де Т абсолютна температура (в градусах Кельвіна), R - опір термістора; а, b і з експериментальної отримані константи.

Перетворення рівняння з метою висловлення опору у вигляді функції температури призводить до досить громіздкою на вигляд висловом. Однак, з ним легко звертатися при використанні ЕОМ або програмованого калькулятора:

Де і .

Необхідно відзначити, що дані значення для альфа і бета не належать до параметрів альфа і бета, використовуваним в експоненнціальном рівнянні з одним параметром.

Хоча рівняння Стейнхарта-Харта - більш складне, воно, як правило, узгоджується з реальними значеннями в межах декількох тисячних градуса в діапазонах до 1000 ^о С. Звичайно, воно може бути настільки хорошим, якщо тільки експериментальні значення параметрів термистора також точні. Температури з точністю до тисячних градуса можна отримати тільки в першокласних лабораторіях. Швидше користувач погодиться користуватися паспортними таблицями, ніж захоче провести власні виміри.

Для визначення a, b і з необхідно знати точне опір термістора при трьох температурах і підставити кожен набір даних (R і Т) в рівняння Стейнхарта-Харта для визначення трьох невідомих. Потім необхідно використовувати математичні засоби для одночасного вирішення трьох рівнянь і отримання значень трьох констант. При використанні паспортних таблиць потрібно вибирати значення R в залежності від Т на краях і в середині температурного діапазону, який буде використовуватися. Виробники зазвичай не вказують паспортні значення для цих констант, так як ці значення змінюються в залежності від використовуваного температурного діапазону.

прецизійні термістори

Параметри звичайних термісторів вказуються тільки з відхиленнями від + -5% до + -20% при 25 ^о С, а при інших температурах допуски збільшуються. Однак при відповідному контролі над технологією і вимірах можна отримати значно вищу точність. Є три типи точних термісторів: прецизійні взаємозамінні дискові термістори, прецизійні бусінковие термістори і погоджені бусінковие пари. Точні термістори забезпечують електронну калібрування вимірювальних інструментів, не вимагаючи точних нагрівальних приладів. Взаємозамінні термістори також дозволяють замінити термістор без повторного калібрування електронних схем.

Прецизійні взаємозамінні дискові термістори виготовляються при ретельному контролі та зміні RT - параметрів і стабільності оксидной суміші. Суміші, які не задовольняють строгим вимогам, не використовуються. Термістори змішуються, формуються і обпікаються за допомогою звичайних технологій. Потім кожен термістор опускається в рідинну ванну при ретельно контрольованій температурі для доведення опору до номінального значення. Перед відправкою параметри кожного термистора вимірюються при двох або трьох температурах, і, якщо вони не відповідають паспортним, термістор бракується.

Можна придбати готові, стандартизовані термістори з допусками ± 0,2 ^о С або ± 0,1 ^о С в діапазоні 0 -70 ^о С і меншою точністю при -80 ^{° С} і +150 ^о С. Є спеціальні високостабільні дискові термістори зі скляним покриттям , мають допуски не більше 0,05 ^о С. Дані високоточні, взаємозамінні термістори випускаються тільки у вигляді дисків або квадратів невеликого розміру, покритих епоксидною смолою або (для більш високої стабільності) склом. Кілька виробників пропонують деякі або всі з перерахованих нижче номіналів (при 25 ^о С): 100, 300, і 500 Ом; 1.0, 2.252, 3.0, 5.0, 10.0, 30.0, 50.0, 100.0 і 300.0 килоом і 1 мегаом. Термістори з номіналами 2,252; 3,0; і 5,0 кіло взаємозамінні для різних виробників; інші термістори, як правило, - немає. Є велика кількість температурних датчиків, в яких використовується термістор з номіналом 2.252 Ком.

Бусінковие термістори можуть бути дуже точними і стабільними, проте їх малий розмір і способи виготовлення унеможливлюють доведення до точного значення. Якщо користувачеві необхідно виконувати точні вимірювання за допомогою бусінкових термісторів (які мають найбільш малі розміри і найкращі можливості роботи при високих температурах), він може попросити виробника провести зміни і надрукувати значення RT - кривий для кожного термистора. Або ж можна вказати термістори, обрані з ряду номіналів і мають певний допуск при деякій температурі.

Іншим способом, за допомогою якого виробники забезпечують точність і взаємозамінність, є постійне вимірювання параметрів кожного термистора і подальше з'єднання обраних узгоджених пар паралельно або послідовно з метою забезпечення кривої певної форми.

температурні характеристики

Термістори - це резистори, і вони підкоряються закону Ома (E = IxR) - якщо не змінюється їх температура. Слід пам'ятати, що досить лише кількох милливатт потужності для того. Щоб збільшити температуру термістора на один градус і більш, і що опір зменшується приблизно на 4% на градус Цельсія. Якщо до термістора підключити джерело струму і повільно збільшувати струм, то буде видно, що напруга збільшується все більше і більше повільно, так як опір термістора зменшується. Очевидно, що напруга зовсім перестане збільшуватися і потім практично почне зменшуватися при подальшому збільшенні струму. На графіку на рис. 4 представлені типові вольт-амперні криві. При малому струмі і малої потужності крива відповідає лінії постійного опору, бо свідчить про те, що термістор нагрівається слабо. При збільшенні потужності видно, що опір термістора починає падати. В області великої потужності термістор в деякому сенсі, працює, як негативне опір, тобто напруга на ньому зменшується при збільшенні струму.

1

3

4

2

Мал. 4. Опір термістора з негативним ТКС зменшується в міру його нагрівання великими струмами доти, поки термістор не перейде в область негативних опорів:

1-падіння напруги; 2-ток; 3-рідина; 4-повітря.

Використання термісторів

Термістори знаходять застосування в багатьох областях. Практично жодна складна друкована плата не обходиться без термісторів. Вони використовуються в температурних датчиках, термометрах, практично в будь-який, пов'язаної з температурними режимами, електроніці.

У протипожежній техніці існують стандартні температурні датчики. Подібний датчик містить два термістора з негативним температурним коефіцієнтом, які встановлені на друкованій платі в білому полікарбонатному корпусі. Один виведений назовні - відкритий термістор, він швидко реагує на зміну температури повітря. інший

термістор знаходиться в корпусі і реагує на зміну температури повільніше.

При стабільних умовах обидва термистора знаходяться в термічному

рівновазі з температурою повітря і мають деякий опір. якщо

температура повітря швидко підвищується, то опір відкритого

термистора стає менше, ніж опір закритого термістора.

Ставлення опорів термісторів контролює електронна схема, і якщо це відношення перевищує пороговий рівень, встановлений на заводі, вона видає сигнал тривоги. Надалі такий принцип дії буде

називатися "реакцією на швидкість підвищення температури". якщо температура

повітря підвищується повільно, то відмінність опорів термісторів

незначно. Однак, ця різниця стає вище, якщо з'єднати

послідовно з закритим термістором резистор з високою температурною

стабільністю. Коли відношення суми опорів закритого термістора і стабільного резистора й опору відкритого термістора перевищує

поріг, виникає режим тривоги. Датчик формує режим «Тривога» при

досягненні зовнішньої температури 60 ° С незалежно від швидкості наростання температури.

Таким чином, термістори повсюдно використовуються в багатьох приладах, що оточують нас.

Список літератури

Шашков А.Г., Терморезистори і їх застосування. М.1967.

Термоелектричні вимірювальні перетворювачі. Лекція за курсом «Електричні вимірювання механічних величин». Ростов - на - Дону.1977

Семі К. Вимірювальні термопари і терморезистори. Переклад з журналу Отомесён 1988. Т.33. №5.