Терморезистор

Терморезистор, выполненный в виде бусинки, покрытой эпоксидной смолой

Условное графическое обозначение терморезистора на электрических принципиальных схемах

Терморези́стор (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким ТКС, который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Конструкция и разновидности терморезисторов

Термисторы с аксиальными выводами

SMD-термисторы

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1—10 микрометров до нескольких сантиметров.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient») и положительным (PTC-термисторы, от слов «Positive Temperature Coefficient» или позисторы) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для NTC-термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.

Терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC-термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных, легированных полупроводников (Ge и Si), и других материалов. PTC-термисторы изготовляют из твёрдых растворов на основе BaTiO₃, что даёт положительный ТКС.

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

• номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;
• температурного коэффициента сопротивления.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор и гальванически развязанный от него нагревательный элемент, задающий температуру терморезистора, и, соответственно, его электросопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением, приложенным к нагревательному элементу такого комбинированного прибора.

Температура рассчитывается по уравнению Стейнхарта — Харта:

${1 \over T}=A+B\ln(R)+C[\ln(R)]^{3}$

где T — температура, К;
R — сопротивление, Ом;
A,B,C — константы термистора, определённые при градуировке в трёх температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Одним из существенных недостатков «бусинковых» термисторов, как температурных датчиков, является то, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. Не существует стандартов, регламентирующих их номинальную характеристику сопротивление — температура. «Дисковые» термисторы могут быть взаимозаменяемыми, однако при этом лучшая допускаемая погрешность не менее 0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Типичный 10-килоомный термистор в диапазоне 0—100 °С имеет коэффициенты, близкие к следующим значениям:

$A=1,03\cdot 10^{-3}$; $B=2,93\cdot 10^{-4}$; $C=1,57\cdot 10^{-7}$.

Режим работы терморезисторов и их применение

Вольт-амперная характеристика термистора

Зависимость сопротивления терморезистора от температуры: 1 — ТКС < 0; 2 — ТКС > 0

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) термистора (терморезистора с отрицательным ТКС) нелинейна из-за температурных изменений сопротивления термистора от его нагрева протекающим через него током. На ВАХ термистора, при снятии её в статическом режиме, то есть так, чтобы время измерения существенно превышало постоянную времени тепловой инерции прибора, можно выделить на три основных участка: ОА, АВ и ВС. На начальном участке ОА характеристика линейна, так как при малых токах через него мощность, выделяющаяся в термисторе мала, и температура терморезистора практически не изменяется. На участке АВ линейность характеристики нарушается, так как с ростом тока выделяемая мощность увеличивается, температура терморезистора заметно повышается относительно температуры окружающей среды, а его сопротивление уменьшается. При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопротивления оказывается столь сильным, что напряжение на термисторе уменьшается (если ток поддерживать неизменным), при этом на ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок ВС и далее при увеличении тока). Тангенс углов наклона прямых, проведённых из начала координат в точки на кривой ВАХ $\beta _{A},\ \beta _{B},\ \beta _{C}$ равен статической проводимости термистора в этих точках.

Режим работы терморезисторов зависит от выбранной рабочей точки на ВАХ такого прибора. В свою очередь ход ВАХ зависит от температуры прибора и его конструктивных особенностей.

Терморезисторы с рабочей точкой, выбранной на линейном участке ВАХ, используются для измерения температуры и компенсации ухода параметров (электрическое напряжение или электрический ток) электрических цепей, возникших вследствие изменения температуры.

Терморезисторы с рабочей точкой выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве пусковых реле, реле времени, в системах измерения и контроля мощности электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (или СВЧ), системах теплового контроля и пожарной сигнализации, в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.

Наиболее распространены среднетемпературные терморезисторы (с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К), имеющие широкий диапазон сопротивлений (от 1 до 10⁶ Ом).

Также существуют терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на основе кремния, сопротивление которых изменяется по закону близкому к линейному. Такие терморезисторы находят применение в системах охлаждения и температурной стабилизации режимов работы транзисторов в различных радиоэлектронных системах.

Так же терморезисторы с положительным ТКС применяются в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, сопротивление которых растет по мере роста собственной температуры (PTC нагреватель). Такой нагревательный элемент никогда не перегреется и будет стремиться сохранить постоянную температуру, близкую к точке Кюри. Температура может сохраняться постоянной при работе в широком диапазоне напряжений и температур окружающей среды. Тепловая мощность при этом зависит от эффективности теплосъема. Чем эффективнее отводится тепло, тем выше тепловая мощность позисторного нагревателя, потребляемый ток, соответственно, тоже выше.

См. также

• Термометр сопротивления
• Резистор
• Бареттер
• Термопара
• Термостат

Литература

• Шефтель И. Т. Терморезисторы.
• Мэклин Э. Д. Терморезисторы.
• Шашков А. Г. Терморезисторы и их применение.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — С. 401—407. — 479 с. — 50 000 экз.