Принцип работы термистора. Что такое термистор его применение в электронике Применение терморезисторов в бытовой технике

Терморезисторы. Принцип работы

Терморезистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Изменение сопротивления Rт полупроводника при изменении температуры характеризуется зависимостью:

Rт= Аехр (В/Т).

Где: А - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника, размеров и формы терморезистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т - температура терморезистора, °С. Температурный коэффициент α полупроводникового терморезистора отрицательный.

Он достигает значений от 2,5 до 4% °С, что в 6-10 раз больше температурного коэффициента металлов, и зависит от температуры:

α = В/Т^2.

На рис. 1 показано устройство терморезисторов серий ММТ и КМТ. Терморезисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 (рис. 1, а) представляют собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и выводами 3. Эти выводы терморезисторов могут быть использованы только в сухих помещениях. Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 1, б) смонтированы в металлический корпус 6 и герметизированы. Они могут быть применены в условиях любой влажности и любой среды, не являющейся агрессивной по отношению к корпусу. Герметизация осуществляется стеклом 8 и оловом 9. Стержень 5 в терморезисторе типа ММТ-4 обернут металлической фольгой 4. Токоотвод 7 выполнен из никелевой проволоки. Эти терморезисторы выпускаются на номинальные значения сопротивления от 1 до 200 кОм (при 20 °С) и могут быть использованы для работы в диапазоне температур от -100 до 129°С.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников менять электрическое сопротивление при изменении температуры. В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используют только чистые металлы: платину в виде тонкой проволоки диаметром 0,05- 0,07 мм для измерения температур до 630°С и медь, никель или железо в виде проволоки диаметром 0,1 мм для измерения температур 100-150 °С.

Существуют следующие способы намотки материала термометров сопротивления:

На стеклянную пластинку в целях сохранности элемента, имеющего остроугольные вырезы по бокам, расстояние между зубцами которых равно 0,5-1 мм;

На стеклянную трубку в целях сохранности элемента его заключают в тонкостенную пружинящую металлическую трубку с асбестовыми подушками;

На слюдяную или фарфоровую крестовину.

Наиболее широко применяют платину и медь.

Термометры сопротивления используют в приборах контроля и автоматического регулирования температуры. В них, кроме чувствительного элемента, есть источник тока и измерительный мост. Схема уравновешенного моста постоянного тока показана на рис. 2.

Перемещая движок реостата Rз, приводят мост в уравновешенное состояние, при котором гальванометр G фиксирует отсутствие тока в диагонали моста (Iт=0). Rз=const.

Таким образом, на равнозначных режимах величина Rз пропорциональна измеряемому сопротивлению Rt, зависящему от температуры. Уравновешивания моста может быть осуществлено автоматически. Для этого сопротивление резистора меняется под воздействием стрелки нуль гальванометра G.

Наряду с уравновешенными измерительными мостами применяются и неуравновешенные, характеризующиеся большей надежностью, но меньшей точностью из-за влияний колебаний напряжения источника.

Термометр сопротивления платиновый типа ТСП-972 (рис. 3) предназначен для измерения температуры от -10 до +120°С при относительной влажности до 98%.

Принцип действия основан на свойстве платины изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Измерение сопротивления термометра фиксируется вторичным прибором, имеющим шкалу в градусах Цельсия. Термометр типа ТСП-972 состоит из термоэлемента 1 и головки 2. Чувствительный элемент термометра представляет собой спираль из платиновой проволоки марки Пл-2 диаметром 0,05 мм, помещенную в канал каркаса. Каналы каркаса заполнены порошком безводной окиси алюминия и залиты глазурью. Концы спирали припаяны серебром к выводам из сплава, состоящего из иридия и родия.

Головка термометра сопротивления состоит из корпуса и крышки 3, соединенных болтами. Конструкция защитной арматуры сварная.

Термометр виброустойчивый и ударопрочный.

Здравствуйте любители электроники, сегодня рассмотрим радиокомпонент, который защищает вашу технику, что такое термистор его применение в электронике.

Этот термин, происходит от двух слов, термический и резистор, относящийся к полупроводникам. Его фишка в изменении своего электрического сопротивления, которая напрямую зависит от температуры.

Устройство термисторов

Все термисторы изготавливаются из материалов, у которых высокий температурный коэффициент сопротивления, популярный и пресловутый (ткс). Этот коэффициент намного, в несколько раз выше, чем у остальных металлов.

Изготавливаются термисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом, PTC и NTC соответственно. Вот отличная подсказка при нахождении этого прибора на плате, устанавливаются они в цепях питания электроники.

Где применяются, как работает термистор

Нашли широкое применение в электротехнике, особенно там, где весьма важен, особый контроль над температурным режимом. Очень важно их наличие в дорогостоящем оборудовании, компьютерной и промышленной технике.

Применяются для эффективного ограничения пускового тока, он и ограничивается термистором. Он изменяет своё сопротивление в зависимости от силы проходящего через него тока, по причине нагрева прибора.

Огромный плюс компонента, это способность восстанавливаться, через малое время при остывании.

Как можно проверить термистор мультиметром

Что такое термисторы и где они применяются, стало немного понятнее, продолжим изучать тему с его проверки.

Необходимо усвоить важное правило касающегося любого ремонта электроники, внешний, визуальный осмотр. Выискиваем следы перегрева, потемнение, просто изменение цвета, отколовшиеся частички корпуса, не оторвался ли, контактный вывод.

Тестер как обычно, включаем и производим замеры в режиме сопротивления. Подключаем к выводам термического резистора, при его исправном состоянии увидим сопротивление, указанное на корпусе.

Берем в руки зажигалку или паяльник, думаю, он у многих на столе живёт. Начинаем медленно нагрев, и наблюдаем на изменение сопротивления на приборе. При исправном термисторе, сопротивление должно снижаться, а поле некоторого времени, восстановиться.

Маркировка у термисторов различная, всё зависит от фирмы производителя, этому вопросу отдельную статью. В данном тексте, мы рассматриваем тему, что такое термистор и его применение в электроники.

В электронике всегда приходится что-то измерять или оценивать. Например, температуру. С этой задачей успешно справляются терморезисторы - электронные компоненты на основе полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры.

Здесь я не буду расписывать теорию физических процессов, которые происходят в терморезисторах, а перейду ближе к практике - познакомлю читателя с обозначением терморезистора на схеме, его внешним видом, некоторыми разновидностями и их особенностями.

На принципиальных схемах терморезистор обозначается вот так.

В зависимости от сферы применения и типа терморезистора обозначение его на схеме может быть с небольшими отличиями. Но вы всегда его определите по характерной надписи t или t° .

Основная характеристика терморезистора - это его ТКС . ТКС - это температурный коэффициент сопротивления . Он показывает, на какую величину изменяется сопротивление терморезистора при изменении температуры на 1°С (1 градус Цельсия) или 1 градус по Кельвину.

У терморезисторов несколько важных параметров. Приводить я их не буду, это отдельный рассказ.

На фото показан терморезистор ММТ-4В (4,7 кОм). Если подключить его к мультиметру и нагреть, например, термофеном или жалом паяльника, то можно убедиться в том, что с ростом температуры его сопротивление падает.

Терморезисторы есть практически везде. Порой удивляешься тому, что раньше их не замечал, не обращал внимания. Давайте взглянем на плату от зарядного устройства ИКАР-506 и попробуем найти их.

Вот первый терморезистор. Так как он в корпусе SMD и имеет малые размеры, то запаян на небольшую плату и установлен на алюминиевый радиатор - контролирует температуру ключевых транзисторов.

Второй. Это так называемый NTC-термистор (JNR10S080L ). О таких я ещё расскажу. Служит он для ограничения пускового тока. Забавно. Вроде терморезистор, а служит в качестве защитного элемента.

Почему то если заходит речь о терморезисторах, то обычно думают, что они служат для измерения и контроля температуры. Оказывается, они нашли применение и как устройства защиты.

Также терморезисторы устанавливаются в автомобильные усилители. Вот терморезистор в усилителе Supra SBD-A4240. Здесь он задействован в цепи защиты усилителя от перегрева.

Вот ещё пример. Это литий-ионный аккумулятор DCB-145 от шуруповёрта DeWalt. Вернее, его "потроха". Для контроля температуры аккумуляторных ячеек применён измерительный терморезистор.

Его почти не видно. Он залит силиконовым герметиком. Когда аккумулятор собран, то этот терморезистор плотно прилегает к одной из Li-ion ячеек аккумулятора.

Прямой и косвенный нагрев.

По способу нагрева терморезисторы делят на две группы:

Прямой нагрев. Это когда терморезистор нагревается внешним окружающим воздухом или током, который протекает непосредственно через сам терморезистор. Терморезисторы с прямым нагревом, как правило, используются либо для измерения температуры, либо температурной компенсации. Такие терморезисторы можно встретить в термометрах, термостатах, зарядных устройствах (например, для Li-ion батарей шуруповёртов).

Косвенный нагрев. Это когда терморезистор нагревается рядом расположенным нагревательным элементом. При этом он сам и нагревательный элемент электрически не связаны друг с другом. В таком случае, сопротивление терморезистора определяется функцией тока, протекающего через нагревательный элемент, а не через терморезистор. Терморезисторы с косвенным нагревом являются комбинированными приборами.

NTC-термисторы и позисторы.

По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа:

PTC-термисторы (они же позисторы ).

Давайте разберёмся, какая между ними разница.

Своё название NTC-термисторы получили от сокращения NTC - Negative Temperature Coefficient , или "Отрицательный Коэффициент Сопротивления". Особенность данных термисторов в том, что при нагреве их сопротивление уменьшается . Кстати, вот так обозначается NTC-термистор на схеме.

Обозначение термистора на схеме

Как видим, стрелки на обозначении разнонаправлены, что указывает на основное свойство NTC-термистора: температура увеличивается (стрелка вверх), сопротивление падает (стрелка вниз). И наоборот.

На практике встретить NTC-термистор можно в любом импульсном блоке питания. Например, такой термистор можно обнаружить в блоке питания компьютера. Мы уже видели NTC-термистор на плате ИКАР"а, только там он был серо-зелёного цвета.

На этом фото NTC-термистор фирмы EPCOS. Применяется для ограничения пускового тока.

Для NTC-термисторов, как правило, указывается его сопротивление при 25°С (для данного термистора это 8 Ом) и максимальный рабочий ток. Обычно это несколько ампер.

Данный NTC-термистор устанавливается последовательно, на входе сетевого напряжения 220V. Взгляните на схему.

Так как он включен последовательно с нагрузкой, то весь потребляемый ток протекает через него. NTC-термистор ограничивает пусковой ток, который возникает из-за заряда электролитических конденсаторов (на схеме С1). Бросок зарядного тока может привести к пробою диодов в выпрямителе (диодный мост на VD1 - VD4).

При каждом включении блока питания конденсатор начинает заряжаться, а через NTC-термистор начинает протекать ток. Сопротивление NTC-термистора при этом велико, так как он ещё не успел нагреться. Протекая через NTC-термистор, ток разогревает его. После этого сопротивление термистора уменьшается, и он практически не препятствует протеканию тока, потребляемого прибором. Таким образом, за счёт NTC-термистора удаётся обеспечить "плавный запуск" электроприбора и уберечь от пробоя диоды выпрямителя.

Понятно, что пока импульсный блок питания включен, NTC-термистор находится в "подогретом" состоянии.

Если в схеме происходит выход из строя каких-либо элементов, то, обычно резко возрастает и потребляемый ток. При этом нередки случаи, когда NTC-термистор служит своего рода дополнительным предохранителем и также выходят из строя из-за превышения максимального рабочего тока.

Выход из строя ключевых транзисторов в блоке питания зарядного устройства привел к превышению максимального рабочего тока этого термистора (max 4A) и он сгорел.

Позисторы. PTC-термисторы.

Термисторы, сопротивление которых при нагреве растёт , называют позисторами. Они же PTC-термисторы (PTC - Positive Temperature Coefficient , "Положительный Коэффициент Сопротивления").

Стоит отметить, что позисторы получили менее широкое распространение, чем NTC-термисторы.

Позисторы легко обнаружить на плате любого цветного CRT-телевизора (с кинескопом). Там он установлен в цепи размагничивания. В природе встречаются как двухвыводные позисторы, так и трёхвыводные.

На фото представитель двухвыводного позистора, который применяется в цепи размагничивания кинескопа.

Внутри корпуса между выводами-пружинами установлено рабочее тело позистора. По сути это и есть сам позистор. Внешне выглядит как таблетка с напылением контактного слоя по бокам.

Как я уже говорил, позисторы используются для размагничивания кинескопа, а точнее его маски. Из-за магнитного поля Земли или влияния внешних магнитов маска намагничивается, и цветное изображение на экране кинескопа искажается, появляются пятна.

Наверное, каждый помнит характерный звук "бдзынь", когда включается телевизор - это и есть тот момент, когда работает петля размагничивания.

Кроме двухвыводных позисторов широко применяются трёхвыводные позисторы. Вот такие.

Отличие их от двухвыводных заключается в том, что они состоят из двух позисторов-"таблеток", которые установлены в одном корпусе. На вид эти "таблетки" абсолютно одинаковые. Но это не так. Кроме того, что одна таблетка чуть меньше другой, так ещё и сопротивление их в холодном состоянии (при комнатной температуре) разное. У одной таблетки сопротивление около 1,3 ~ 3,6 кОм, а у другой всего лишь 18 ~ 24 Ом.

Трёхвыводные позисторы также применяются в цепи размагничивания кинескопа, как и двухвыводные, но только схема их включения немного иная. Если вдруг позистор выходит из строя, а такое бывает довольно часто, то на экране телевизора появляются пятна с неестественным отображением цвета.

И конденсаторы. Маркировка на них не наносится, что затрудняет их идентификацию. По внешнему виду SMD-терморезисторы очень похожи на керамические SMD-конденсаторы.

Встроенные терморезисторы.

В электронике активно применяются и встроенные терморезисторы. Если у вас паяльная станция с контролем температуры жала , то в нагревательный элемент встроен тонкоплёночный терморезистор. Также терморезисторы встраиваются и в фен термовоздушных паяльных станций , но там он является отдельным элементом.

Стоит отметить, что в электронике наряду с терморезисторами активно применяются термопредохранители и термореле (например, типа KSD), которые также легко обнаружить в электронных приборах.

Теперь, когда мы познакомились с терморезисторами, пора .

Терморезисторы относятся к категории полупроводниковых приборов и широко используются в электротехнике. Для их изготовления применяются специальные полупроводниковые материалы, имеющие значительный отрицательный температурный коэффициент. Если в целом рассматривать терморезисторы, принцип работы этих устройств заключается в том, что электрическое сопротивление данных проводников, полностью зависит от температуры. В данном случае, учитываются формы и размеры терморезистора, а также, физические свойства полупроводника. Отрицательный температурный коэффициент в несколько раз превышает такой же показатель для металлов.

Устройство и действие терморезисторов

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливаются в виде полупроводникового стержня, покрытого эмалевой краской. К нему подводятся выводы и контактные колпачки, использующиеся только в сухой среде. Отдельные конструкции терморезисторов помещаются в герметичном металлическом корпусе. Они могут свободно применяться в помещениях с любой влажностью и легко переносят влияние агрессивной среды.

Герметичность конструкции обеспечивается с помощью стекла и олова. Стержни в таких терморезисторах оборачиваются металлической фольгой, а для токоотвода используется никелевая проволока. Номинальные значения терморезисторов находятся в диапазоне от 1 до 200 кОм, а их температурный диапазон находится в пределах от -100 до +129 градусов.

В работе терморезисторов применено свойство проводников, изменять в зависимости от температуры. Для этих приборов применяются металлы в чистом виде, чаще всего, платина и .

Использование терморезисторов

Многие конструкции терморезисторов применяются в приборах, контролирующих и регулирующих температуру. У них имеется источник тока, чувствительный элемент и измерительный уравновешенный мост. В уравновешенное состояние мост приводится путем перемещения движка реостата. В результате, реостатная величина находится в пропорции с измеряемым сопротивлением, которое полностью зависит от температуры.

Кроме уравновешенных измерительных мостов, применяется неуравновешенный вариант, у который обладает повышенной надежностью. Однако, у такого прибора, точность измерений значительно ниже, поскольку на него влияют колебания напряжения в источнике тока. Например, термометр сопротивления на основе платины, позволяет измерять температуру в пределах от -10 до +120 градусов. Относительная влажность может доходить до 98%.

Принцип действия такого прибора основан на изменении сопротивления платины в зависимости от изменений температуры. Непосредственная фиксация результатов измерения сопротивления осуществляется с помощью вторичного прибора, оборудованного шкалой.

Терморезисторами с отрицательным ТКС называются полупроводниковые резисторы, сопротив­ление которых падает при повышении температуры, У таких терморезисторов ТКС составляет около 3...6%/К, что примерно в 10 раз больше, чем у пла­тиновых или никелевых датчиков. Терморезисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов, например F 2 О 3 (шпинель), Zn 2 TiO 4 , MgCr 2 O 4 , TiO 2 или NiO и СоО с Li 2 O. Процесс спекания осуществляется при 1000...1400°С. За­тем изготовляют контакты путем вжигания серебряной пасты. Для обеспечения высокой стабильности сопротивления, прежде всего при длительных измере­ниях, терморезисторы после спекания подвергают еще искусственному старению. С помощью специальных режимов обработки достигается высокая стабильность сопротивления.

Температурная характеристика терморезистора описывается следующим уравнением: R Т = R N ехр[В(1/Т – 1/Т N)], где R T и R N - соответственно сопротивление при тем­пературах Т и T N (в градусах Кельвина), В - кон­станта материала терморезистора, имеющая размер­ность К.

Тогда ТКС терморезистора оказывается равным α R = -В/Т 2 .

Температурная характеристика терморезистора при различных значениях В показана на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Рабочие характеристики терморезисторов с отрица­тельным ТКС, отличающихся значением В

Рис. 7.20. Различные конструкции терморезисторов с отрица­тельным ТКС. используемых в качестве датчиков температуры: а, б, д - остеклованные; в - миниатюрные; г - дискообразные; е, ж - капсулированные.

В продаже имеются терморезисторы в различных конструктивных исполнениях, в том числе и миниа­тюрные для обеспечения быстрого реагирования на изменение температуры. На рис. 7.20 показаны наи­более распространенные конструкции терморезисто­ров: дискообразные, стержневидные и миниатюрные.

Рис. 7.21. Вольт-амперной характеристика терморезистора с отрица­тельным ТКС

Важным параметром терморезисторов является вольт-амперная характеристика (рис. 7.21). Она опи­сывает связь между током через датчик и падением напряжения на нем. При токе около 1 мА вольт-амперная характеристика этих датчиков прямолинейна так как еще не происходит изменения сопротивления из-за самонагрева. Если же ток через датчик увеличить, то его сопротивление изменится (станет мень­ше) и падение напряжения на нем уменьшится. В ре­зультате при определенном значении тока I характе­ристика имеет максимум, а при дальнейшем возрастании тока отклоняется вниз.

Отмеченные на характеристике точки отражают изменение температуры датчика из-за самонагрева.

Рис. 7.22 Изображение в линейных координатах вольт-амперной характеристики датчика в различных средах.

Нагрев датчика, а вместе с тем и ход характеристики сильно зависят от рабочей среды. На рис 7.22 показана вольт-амперная характеристика типичного терморезистора на воздухе и в воде. Поскольку в воде теплоотвод лучше, чем на воздухе, при размещении датчика в воде его характеристика проходит выше, чем на воздухе. Этот эффект можно использовать, на­пример, для простого измерения уровня жидкости.

Если датчик работает на постоянном токе (около 10 мА), то падение напряжения на нем составляет около 6,8 В. Но в воде из-за более высокого сопро­тивления оно уже оказывается равным примерно 13 В. Следовательно, как только датчик вступает в контакт с наполняющей средой (водой), напряжение скачком возрастает с 6,8 до 13 В. Этот скачок напря­жения можно использовать для регулирования. Та­ким образом, на основе измерения температуры полу­чается датчик уровня.

а) б)

Рис. 7.23. Временная характеристика срабатывания миниатюр­ного (а) и дискообразного (б) терморезисторов с отрицательным ТКС.

Быстрота электронной индикации этого скачка тем­пературы (постоянная времени) зависит от геомет­рии датчика. На рис. 7.23 показана реакция на рез­кое изменение температуры миниатюрного датчика с малой массой и дискообразного терморезистора с от­рицательным ТКС.

Если к терморезистору подключить еще резистор с не зависящим от температуры сопротивлением, то температурную характеристику терморезистора мож­но изменить, как показано на рис. 7.24, а для последовательного (R S) и параллельного (R P) добавочных сопротивлений. Сочетание R P и R S дает возможность изменять ход характеристики температура сопротивление, как показано на рис. 7.24,б.

а) б)

Рис. 7.24. Линеаризация характеристики терморезистора с отри­цательным ТКС посредством параллельного и последовательного включения дополнительного термонезависимого сопротивления.

Рис. 7.25. Рабочие характеристики терморезистора с отрицательным ТКС и резистора с постоянным сопротивлением R P , а также характеристика их параллельного соединения.

Путем удачного подбора сопротивления R P (параллельное сопротивление) характеристику можно до некоторой степени линеаризировать (рис. 7.25), так как S-образная характеристика имеет некоторую точ­ку перегиба (T W). Наилучшая линеаризация дости­гается, когда эта точка перегиба находится в середине требуемого диапазона измерения температур. Сопротивление R P линеаризирующего резистора опре­деляется по формуле R P = Rт M (В – Т М)/(В + 2Т М), где Rт M - сопротивление терморезистора при температуре Т М (Т М – T W), В - константа материала термо­резистора.

Рис 7.26. Схема линеаризации, использующая термозависимый делитель напряжения для компенсации температурных погрешностей выходного сигнала датчика на терморезисторе с отрицательным ТКС.

Интересное применение такого линеаризованного терморезистора с отрицательным ТКС иллюстри­руется рис. 7.26. Здесь R T , R 1 и R 2 образуют термозависимый делитель напряжения. Эта схема может быть использована, например, для температурной компенсации других выходных сигналов датчиков, подверженных сильному искажающему влиянию тем­пературы. В точке перегиба S-образной кривой снова справедливо выражение R = Rт М (В – 2Т)/(В + 2Т), где R = R 1 R 2 /(R 1 + R 2).

Отсюда можно получить зависящее от температуры изменение напряжения ∆U/∆Т = }