Термистор - Thermistor

Термистор

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), шариковый, изолированные провода
Тип	Пассивный
Принцип работы	Электрическое сопротивление
Электронный символ
Символ термистора

А термистор это тип резистор чей сопротивление сильно зависит от температура, больше, чем в стандартных резисторах. Слово представляет собой сочетание тепловой и резистор. Термисторы широко используются в качестве ограничителей пускового тока, температуры датчики (отрицательный температурный коэффициент или NTC тип обычно), самовосстанавливающиеся устройства максимальной токовой защиты, и саморегулирующийся нагревательные элементы (положительный температурный коэффициент или PTC типа обычно).

Термисторы бывают двух противоположных основных типов:

• С NTC термисторы, сопротивление уменьшается при повышении температуры обычно из-за увеличения количества электронов проводимости, вытесняемых тепловым возбуждением из валентной зоны. NTC обычно используется в качестве датчика температуры или последовательно со схемой в качестве ограничителя пускового тока.
• С PTC термисторы, сопротивление увеличивается при повышении температуры обычно из-за повышенного теплового перемешивания решетки, особенно из-за примесей и дефектов. Термисторы PTC обычно устанавливаются последовательно со схемой и используются для защиты от сверхток условия, как восстанавливаемые предохранители.

Термисторы обычно производятся из порошковых оксидов металлов.^[1] Благодаря значительно улучшенным формулам и технологиям за последние 20 лет термисторы NTC теперь могут достигать точности в широком диапазоне температур, таких как ± 0,1 ° C или ± 0,2 ° C от 0 ° C до 70 ° C с превосходной долгосрочной стабильностью. Элементы термистора NTC бывают разных стилей ^[2] такие как стеклопакеты с осевыми выводами (диоды DO-35, DO-34 и DO-41), микросхемы со стеклянным покрытием, эпоксидное покрытие с неизолированным или изолированным выводным проводом и поверхностный монтаж, а также стержни и диски. Типичный диапазон рабочих температур термистора составляет от -55 ° C до +150 ° C, хотя некоторые термисторы в стеклянном корпусе имеют максимальную рабочую температуру +300 ° C.

Термисторы отличаются от датчики температуры сопротивления (RTD) в том смысле, что материал, используемый в термисторе, как правило, представляет собой керамику или полимер, а в RTD используются чистые металлы. Температурный отклик также отличается; ТС полезны в более широких диапазонах температур, тогда как термисторы обычно обеспечивают большую точность в ограниченном диапазоне температур, обычно от -90 ° C до 130 ° C.^[3]

Основная операция

Предполагая в качестве приближения первого порядка, что связь между сопротивлением и температурой равна линейный, тогда

${displaystyle Delta R = kDelta T,}$

куда

${displaystyle Delta R}$, изменение сопротивления,

${displaystyle Delta T}$, изменение температуры,

${displaystyle k}$, первый заказ температурный коэффициент сопротивления.

Термисторы можно разделить на два типа, в зависимости от знака ${displaystyle k}$. Если ${displaystyle k}$ является положительный сопротивление увеличивается с повышением температуры, и устройство называется положительный температурный коэффициент (PTC) термистор, или позистор. Если ${displaystyle k}$ отрицательный, сопротивление уменьшается с повышением температуры, и устройство называется отрицательный температурный коэффициент (NTC) термистор. Резисторы, не являющиеся термисторами, рассчитаны на ${displaystyle k}$ как можно ближе к 0, так что их сопротивление остается почти постоянным в широком диапазоне температур.

Вместо температурного коэффициента k, иногда температурный коэффициент сопротивления ${displaystyle alpha _ {T}}$ ("альфа-субтитр"). Он определяется как^[4]

${displaystyle alpha _ {T} = {frac {1} {R (T)}} {frac {dR} {dT}}.}$

Этот ${displaystyle alpha _ {T}}$ коэффициент не следует путать с ${displaystyle a}$ параметр ниже.

Уравнение Стейнхарта – Харта

В практических устройствах модель линейного приближения (см. Выше) является точной только в ограниченном диапазоне температур. В более широких диапазонах температур более сложное сопротивление – температура функция передачи обеспечивает более точную характеристику исполнения. В Уравнение Стейнхарта – Харта - широко используемое приближение третьего порядка:

${displaystyle {frac {1} {T}} = a + млрд R + c, (ln R) ^ {3},}$

куда а, б и c называются параметрами Стейнхарта – Харта и должны указываться для каждого устройства. Т это абсолютная температура, и р это сопротивление. Чтобы определить сопротивление как функцию температуры, приведенное выше кубическое уравнение в ${displaystyle ln R}$ может быть решена, действительный корень которой дается

${displaystyle ln R = {frac {b} {3c, x ^ {1/3}}} - x ^ {1/3}}$

куда

${displaystyle {egin {выравнивается} y & = {frac {1} {2c}} left (a- {frac {1} {T}} ight), x & = y + {sqrt {left ({frac {b} {3c }} ight) ^ {3} + y ^ {2}}}. конец {выровнено}}}$

Ошибка в уравнении Стейнхарта – Харта обычно составляет менее 0,02 ° C при измерении температуры в диапазоне 200 ° C.^[5] Например, типичные значения для термистора с сопротивлением 3 кОм при комнатной температуре (25 ° C = 298,15 K):

${displaystyle {egin {выравнивается} a & = 1,40 imes 10 ^ {- 3}, b & = 2.37 imes 10 ^ {- 4}, c & = 9.90 imes 10 ^ {- 8} .end {выравнивается}}}$

B или же β уравнение параметра

Термисторы NTC также можно охарактеризовать B (или же β) параметрическое уравнение, которое по сути Уравнение Стейнхарта – Харта с ${displaystyle a = 1 / T_ {0} - (1 / B) ln R_ {0}}$, ${displaystyle b = 1 / B}$ и ${displaystyle c = 0}$,

${displaystyle {frac {1} {T}} = {frac {1} {T_ {0}}} + {frac {1} {B}} ln {frac {R} {R_ {0}}},}$

где температуры находятся в кельвины, и р₀ сопротивление при температуре Т₀ (25 ° С = 298,15 К). Решение для р дает

${displaystyle R = R_ {0} e ^ {Bleft ({frac {1} {T}} - {frac {1} {T_ {0}}} ight)}}$

или, альтернативно,

${displaystyle R = r_ {infty} e ^ {B / T},}$

куда ${displaystyle r_ {infty} = R_ {0} e ^ {- B / T_ {0}}}$.

Это можно решить для температуры:

${displaystyle T = {frac {B} {ln (R / r_ {infty})}}.}$

В B-параметрическое уравнение также можно записать как ${displaystyle ln R = B / T + ln r_ {infty}}$. Это можно использовать для преобразования зависимости сопротивления термистора от температуры в линейную функцию ${displaystyle ln R}$ против. ${displaystyle 1 / T}$. Затем средний наклон этой функции даст оценку значения B параметр.

Модель проводимости

NTC (отрицательный температурный коэффициент)

Неисправный (перегоревший) термистор NTC, который работал как ограничитель пускового тока в импульсный источник питания

Многие термисторы NTC изготавливаются из прессованного диска, стержня, пластины, буртика или В ролях чип из полупроводник материал, такой как спеченный металл оксиды. Они работают, потому что повышение температуры полупроводника увеличивает количество активных носители заряда это продвигает их в зона проводимости. Чем больше доступно носителей заряда, тем больше Текущий материал может вести. В некоторых материалах, таких как оксид железа (Fe₂О₃) с легированием титаном (Ti) n-тип полупроводник и носители заряда электроны. В таких материалах, как оксид никеля (NiO) с добавлением лития (Li) р-тип полупроводник, где дыры являются носителями заряда.^[6]

Это описывается формулой

${displaystyle I = ncdot Acdot vcdot e,}$

куда

${displaystyle I}$ = электрический ток (амперы),

${displaystyle n}$ = плотность носителей заряда (кол / м³),

${displaystyle A}$ = площадь поперечного сечения материала (м²),

${displaystyle v}$ = скорость дрейфа электронов (м / с),

${displaystyle e}$ = заряд электрона (${displaystyle e = 1,602 imes 10 ^ {- 19}}$ кулон).

При больших изменениях температуры необходима калибровка. При небольших изменениях температуры, если используется правильный полупроводник, сопротивление материала линейно пропорционально температуре. Существует множество различных полупроводниковых термисторов с диапазоном от 0,01 до 0,01 дюйма.кельвин до 2000 кельвинов (от -273,14 ° C до 1700 ° C).^{[нужна цитата ]}

В IEC Стандартный символ термистора NTC включает «-t °» под прямоугольником.^[7]

PTC (положительный температурный коэффициент)

Большинство термисторов PTC изготовлены из легированного поликристаллического материала. керамика (содержащий титанат бария (BaTiO₃) и другие соединения), которые обладают тем свойством, что их сопротивление внезапно возрастает при определенной критической температуре. Титанат бария сегнетоэлектрик и это диэлектрическая постоянная зависит от температуры. Ниже Точка Кюри температура, высокая диэлектрическая постоянная предотвращает образование потенциальных барьеров между кристаллическими зернами, что приводит к низкому сопротивлению. В этой области устройство имеет небольшой отрицательный температурный коэффициент. При температуре точки Кюри диэлектрическая проницаемость падает в достаточной степени, чтобы обеспечить образование потенциальных барьеров на границах зерен, а сопротивление резко увеличивается с температурой. При еще более высоких температурах материал возвращается к поведению NTC.

Другой тип термистора - это силистор (термочувствительный кремниевый резистор). В силисторах в качестве материала полупроводниковых компонентов используется кремний. В отличие от керамических термисторов с положительным температурным коэффициентом, силисторы имеют практически линейную характеристику сопротивления-температуры.^[8] Кремниевые термисторы PTC имеют гораздо меньший дрейф, чем термисторы NTC. Это стабильные устройства, которые герметично запечатаны в корпусе с осевым витражом. ^[9]

Термисторы из титаната бария можно использовать как саморегулирующиеся нагреватели; при заданном напряжении керамика будет нагреваться до определенной температуры, но используемая мощность будет зависеть от потерь тепла керамикой.

Динамика включенных термисторов PTC позволяет использовать их в широком диапазоне. При первом подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому холодному сопротивлению, но по мере саморазогрева термистора ток уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут предельный ток (и соответствующая пиковая температура устройства). Эффект ограничения тока позволяет заменить предохранители. в размагничивание В схемах многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров правильно подобранный термистор подключается последовательно с катушкой размагничивания. Это приводит к плавному уменьшению тока для улучшения эффекта размагничивания. Некоторые из этих схем размагничивания имеют дополнительные нагревательные элементы для дополнительного нагрева термистора (и уменьшения результирующего тока).

Другой тип термистора PTC - это полимер PTC, который продается под торговыми марками, такими как "Полисвитч «Полупредохранитель» и «Многозонный предохранитель». Он состоит из пластика с углерод зерна, встроенные в него. Когда пластик круто, зерна углерода все контактируют друг с другом, образуя проводящий путь через устройство. Когда пластик нагревается, он расширяется, раздвигая зерна углерода и вызывая повышение сопротивления устройства, что затем вызывает повышенный нагрев и быстрое увеличение сопротивления. Как БаТиО₃ Термистор, это устройство имеет сильно нелинейный отклик сопротивления / температуры, полезный для управления температурой или схемой, но не для измерения температуры. Помимо элементов схемы, используемых для ограничения тока, саморегулирующиеся нагреватели могут быть выполнены в виде проводов или полос, пригодных для тепловое наведение. Термисторы PTC `` защелкиваются '' в горячем состоянии / состоянии с высоким сопротивлением: в горячем состоянии они остаются в этом состоянии с высоким сопротивлением до тех пор, пока не остынут. Эффект можно использовать как примитив защелка / схема памяти Этот эффект усиливается за счет последовательного использования двух термисторов PTC, при этом один термистор холодный, а другой - горячий.^[10]

В IEC Стандартный символ для термистора PTC включает "+ t °" под прямоугольником.^[11]

Эффекты самонагрева

Когда через термистор протекает ток, он выделяет тепло, в результате чего температура термистора становится выше температуры окружающей среды. Если термистор используется для измерения температуры окружающей среды, этот электрический нагрев может привести к значительной погрешности, если не будет сделано исправление. В качестве альтернативы можно использовать сам этот эффект. Это может, например, сделать чувствительное устройство воздушного потока, используемое в планер скороподъёмный прибор электронный вариометр, или служить таймер для реле как это было раньше в телефонные станции.

Электрическая мощность на термисторе просто

${displaystyle P_ {E} = IV,}$

куда я в настоящее время, и V падение напряжения на термисторе. Эта энергия преобразуется в тепло, и эта тепловая энергия передается в окружающую среду. Скорость передачи хорошо описывается Закон охлаждения Ньютона:

${displaystyle P_ {T} = K (T (R) -T_ {0}),}$

куда Т(р) - температура термистора как функция его сопротивления р, ${displaystyle T_ {0}}$ температура окружающей среды, и K это постоянная диссипации, обычно выражается в милливаттах на градус Цельсия. В состоянии равновесия две ставки должны быть равны:

${displaystyle P_ {E} = P_ {T}.}$

Ток и напряжение на термисторе зависят от конкретной конфигурации цепи. В качестве простого примера, если напряжение на термисторе остается фиксированным, то Закон Ома у нас есть ${displaystyle I = V / R}$, а уравнение равновесия может быть решено для температуры окружающей среды как функции измеренного сопротивления термистора:

${displaystyle T_ {0} = T (R) - {frac {V ^ {2}} {KR}}.}$

Константа рассеяния - это мера теплового соединения термистора с окружающей средой. Обычно он применяется для термистора в неподвижном воздухе и в хорошо перемешанном масле. Типичные значения для небольшого термистора со стеклянными шариками составляют 1,5 мВт / ° C в неподвижном воздухе и 6,0 мВт / ° C в перемешиваемом масле. Если температура окружающей среды известна заранее, то можно использовать термистор для измерения значения постоянной рассеяния. Например, термистор можно использовать в качестве датчика расхода, поскольку постоянная рассеяния увеличивается с увеличением скорости потока жидкости мимо термистора.

Мощность, рассеиваемая термистором, обычно поддерживается на очень низком уровне, чтобы гарантировать незначительную ошибку измерения температуры из-за самонагрева. Однако некоторые применения термистора зависят от значительного «самонагрева», чтобы поднять температуру корпуса термистора значительно выше температуры окружающей среды, поэтому датчик затем обнаруживает даже незначительные изменения теплопроводности окружающей среды. Некоторые из этих приложений включают определение уровня жидкости, измерение расхода жидкости и измерение расхода воздуха.^[4]

Приложения

PTC

• В качестве токоограничивающих устройств для защиты цепей, в качестве замены предохранителей. Ток через устройство вызывает небольшое резистивное нагревание. Если сила тока достаточно велика, чтобы произвести больше тепла, чем устройство может потерять своему окружению, устройство нагревается, вызывая повышение его сопротивления. Это создает самоусиливающийся эффект, который увеличивает сопротивление, тем самым ограничивая ток.
• Как таймеры в катушка размагничивания Схема большинства ЭЛТ-дисплеев. При первоначальном включении дисплейного блока ток течет через термистор и катушку размагничивания. Катушка и термистор намеренно подобраны таким образом, чтобы протекающий ток нагревал термистор до точки, при которой катушка размагничивания отключилась менее чем за секунду. Для эффективного размагничивания необходимо, чтобы величина переменного магнитного поля, создаваемого катушкой размагничивания, уменьшалась плавно и непрерывно, а не резко выключалось или уменьшалось ступенчато; термистор PTC выполняет это естественным образом, поскольку он нагревается. Схема размагничивания с использованием термистора PTC проста, надежна (в силу своей простоты) и недорога.
• В качестве обогревателя в автомобильной промышленности для дополнительного обогрева салона с дизельным двигателем или для подогрева дизельного топлива в холодных климатических условиях перед впрыском двигателя.
• С температурной компенсацией синтезатор генераторы, управляемые напряжением.^[12]
• В литиевая батарея схемы защиты.^[13]
• В электрически управляемом воск мотор чтобы обеспечить тепло, необходимое для расширения воска.
• Многие электродвигатели и силовые трансформаторы сухого типа содержат в обмотках термисторы PTC. При использовании в сочетании с реле контроля они обеспечивают защиту от перегрева для предотвращения повреждения изоляции. Производитель оборудования выбирает термистор с сильно нелинейной кривой отклика, когда сопротивление резко возрастает при максимально допустимой температуре обмотки, вызывая срабатывание реле.
• В кварцевых генераторах для температурной компенсации, контроля температуры медицинского оборудования и промышленной автоматизации кремниевые PTC-термисторы имеют почти линейный положительный температурный коэффициент (0,7% / ° C). При необходимости дальнейшей линеаризации можно добавить резистор линеаризации. ^[14]

NTC

• Как термометр сопротивления для низкотемпературных измерений порядка 10 К.
• Как устройство ограничения пускового тока в цепях источника питания, они изначально имеют более высокое сопротивление, что предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагреваются и становятся намного более низкими, чтобы обеспечить протекание более высокого тока во время нормальной работы. Эти термисторы обычно намного больше, чем термисторы измерительного типа, и специально предназначены для этого применения.^[15]
• В качестве датчиков в автомобильных приложениях для контроля температуры жидкости, такой как охлаждающая жидкость двигателя, воздух в салоне, наружного воздуха или температуры моторного масла, и передачи относительных показаний в блоки управления, такие как ЭБУ и на приборную панель.
• Следить за температурой инкубатора.
• Термисторы также широко используются в современных цифровые термостаты а также для контроля температуры аккумуляторных блоков во время зарядки.
• Термисторы часто используются в горячих концах 3D принтеры; они контролируют выделяемое тепло и позволяют схемам управления принтера поддерживать постоянную температуру для плавления пластиковой нити.
• В пищевой и перерабатывающей промышленности, особенно в системах хранения и приготовления пищи. Поддержание правильной температуры имеет решающее значение для предотвращения болезни пищевого происхождения.
• Во всей индустрии бытовой техники для измерения температуры. Тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены и т. Д. - все полагаются на термисторы для надлежащего контроля температуры.
• Термисторы NTC бывают голыми и с выступами, первые предназначены для точечного измерения для достижения высокой точности для определенных точек, таких как матрица лазерного диода и т. Д.^[16]
• Для измерения профиля температуры внутри герметичной полости конвективного (теплового) инерционный датчик.^[17]
• Узлы термисторных зондов ^[18] обеспечивают защиту датчика в суровых условиях. Чувствительный элемент термистора может быть упакован в различные корпуса для использования в таких отраслях, как HVAC / R, автоматизация зданий, бассейны / спа, энергетика и промышленная электроника. Корпуса могут быть изготовлены из нержавеющей стали, алюминия, медной латуни или пластика, а конфигурации включают резьбовые (NPT и т. Д.), Фланцевые (с монтажными отверстиями для простоты установки) и прямые (плоский наконечник, заостренный наконечник, радиусный наконечник и т.д.) . Узлы термисторных зондов очень прочны и легко настраиваются в соответствии с потребностями приложения. Сборки зондов приобрели популярность с годами по мере совершенствования технологий исследований, проектирования и производства.

История

Первый термистор NTC был открыт в 1833 г. Майкл Фарадей, который сообщил о полупроводниковом поведении сульфид серебра. Фарадей заметил, что сопротивление серебро сульфид резко уменьшился при повышении температуры. (Это также было первое задокументированное наблюдение полупроводникового материала.)^[19]

Поскольку первые термисторы было сложно производить, а применение этой технологии было ограниченным, коммерческое производство термисторов началось только в 1930-х годах.^[20] Коммерчески жизнеспособный термистор был изобретен Сэмюэл Рубен в 1930 г.^[21]

Смотрите также

• Железо-водородный резистор
• Датчик растяжения
• Термопара

Рекомендации

внешняя ссылка

• Термистор на сайте bucknell.edu
• Калибровка термистора онлайн
• Калибровка термистора Java
• Расчет коэффициентов Стейнхарта-Харта для термисторов на sourceforge.net
• «Термисторы и термопары: соответствие инструмента задачам в термической проверке» - Журнал технологий валидации