Терморезисторы с отрицательным ткс. Что такое терморезисторы и для чего они нужны Терморезисторы принцип работы

Для измерения температуры применяют металлические и полу­проводниковые резисторы. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0-100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношением R Т =R 0 (1 +A Θ +B Θ 2 ), гдеR 0 - сопротивление при 0° С; Θ - температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления,A = 3,96847∙10 -12 1/К;В = - 5,847∙10 7 1/К 2 . В интервале от 0 до - 200° С зависимость сопротивления платины от температуры имеет видR т =R 0 , гдеС = - 4,22∙10 12 1/К 3 .

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от - 50 до + 180° С можно пользоваться формулой R Т =R 0 (1 + aΘ), где a = 4,26∙10 3 1/К.

Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление R T2 (при температуре Θ 2) по известному сопротивлению R T2 (при температуре Θ 1), то следует пользоваться формулой

или более удобным соотношением

где Θ = 1/a - постоянная, имеющая размерность температуры и равная Θ 0 = 234,7° С (по физическому смыслу Θ 0 - это такое значение температуры, при котором сопротивление меди должно было бы стать равным нулю, если бы ее сопротивление уменьшалось все время по линейному закону, чего нет на самом деле).

В значительной степени сопротивление металлов зависит от их химической чистоты и термообработки. ТКС сплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, и для некоторых сплавов может быть даже отрицательным в определенном температурном диапазоне.

Выбор металла для терморезистора определяется в основном химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 200° С в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен - 50° С хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до - 260° С.

Промышленные платиновые термометры используются в диапазоне температур от -200 до +650° С, однако есть данные, свидетельствующие о возможности применения платиновых термометров для измерения температур от -264 до +1000° С.

Основным преимуществом никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только для температур не выше 100° С. При условии хорошей изоляции от воздействия среды никелевые терморезисторы можно применять до 250-300° С. Для более высоких температур его ТКС неоднозначен. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, вы-сокостабильны, малоинерционны и при малых габаритах могут иметь сопротивления до десятков килоом.

Высокий ТКС имеют вольфрам и тантал, но при температуре свыше 400° С они окисляются и применяться не могут. Для низкотемпературных измерений хорошо зарекомендовали себя некоторые фосфористые бронзы. Кроме того, для измерений низких температур находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.

Некоторые характеристики металлов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.

Таблица 3:

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются отметаллических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = B /Θ 2 . При 20° С величина ТКС составляет 2-8 проц/К.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 7 , кривая2) достаточно хорошо описывается формулой R T =Ae B /Θ , где Θ - абсолютная температура;А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления;В - коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис.рис. 7 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая1 ). Для каждого конкретного ПТР коэффициентыА иВ, как правило, постоянны, за исключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последнихВ может принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемых температур.

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А иВ, но известны сопротивленияR 1 иR 2 при Θ 1 и Θ 2 , то величину сопротивления и коэффициентВ для любой другой температуры можно определить из соотношений

"

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эма­левой краской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.,

Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металли­ческие капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, ие являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5-0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

Рис. 8

В табл. 4 представлены основные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых для большинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов

Таблица 4

КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19, номинальные сопротивления которых нормируются для температуры 150° С. В графе «постоянная В» для некоторых типов ПТР приводятся два диапазона возможных значенийВ, первая строчка при этом относится к низким температурам, а вторая - к высоким. Перелом характеристики для ПТР типа СТЗ-6 происходит при - 28° С, для СТ4-2 и СТ4-15 - при 0° С и Для СТЗ-14- при 5° С.

Точность измерения температуры с помощью ПТР может быть весьма высокой. В настоящее время разработаны также ПТР для измерений низких и высоких температур. В частности, ПТР типа СТ7-1 может измерять температуру в диапазоне от - 110 до - 196° С. Высокотемпературный ПТР типа СТ12-1 предназначен для применения при температурах 600-1000° С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (см. рис. 14-12) и значительный разброс от образца к образцу как номинального значения сопротивления, так и постоянной В. Согласно ГОСТ 10688-63 допуск на величину номинального сопротивления может составлять ±20%. Допуск на величину постояннойВ не нормируется. Практически он достигает± 17% от номинального.

Нелинейность характеристики и технологический разброс параметров терморезисторов затрудняет получение линейных шкал термометров, построение многоканальных приборов, обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовом производстве термометров с терморезисторами. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость терморезисторов, приходится применять специальные унифицирующие и линеаризующие цепи, как пассивные, так и активные.

Позисторы изготавливаются также из полупроводниковых материалов, но имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для температурных зависимостей сопротивления позисторов характерно увеличение сопротивления при повышении температуры в определенном интервале температур. Ниже и выше этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается. Положительные ТКС позисторов могут достигать величины порядка 30-50 проц/К, графики изменения их сопротивления в зависимости от температуры приведены нарис. 9 .

Возможно также создание других видов полупроводниковых Датчиков температуры. В частности, для измерения температуры Можно применять датчики из органических полупроводников и Датчики на основе открытых или запертыхр -n -переходов. Например, при заданном токе напряжение на открытомр - п- переходе или на стабилитроне линейно изменяется с температурой, чричем ТКС для открытогор -n -перехода отрицателен и составляет 2-3 мВ/К, а для стабилитрона положителен и достигает 8 мВ/К.

Измерительные цепи. Отличия измерительных цепей для терморезисторов от обычных цепей омметров заключаются в более узком диапазоне изменения измеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с измерительной цепью. Если используется простейшая двухпроводная соединительная линия, то может возникнуть погрешность от температурного изменения сопротивления этой линии. При применении высокоомных термометров (например, полупроводниковых) эта погрешность может быть пренебрежимо мала, однако в большинстве практических случаев, когда используются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать во вни­мание.

Е
сли, например, сопротивление медной линии равно 5 Ом и используется термометр сRo = 53 Ом, то изменение температуры линии на 10° С приведет к изменению показаний прибора примерно на ГС. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соедини­тельной линии часто применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключают к мостовой цепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказался подключен­ным последовательно с источником питания или указателем. На рис. 10, а показана схема моста, содержащего термометр сопротивления, присоединенный трехпроводной линией.

Исключить влияние сопротивлений соединительной линии можно, используя четырехпроводное включение терморезистора, как это показано на рис. 10 а , б , и вольтметр с большим входным сопротивлением для измерения падения напряженияU Θ = IR на терморезисторе. Ток через терморезистор должен быть задан, поэтому "и такой схеме включения терморезистор питают от стабилизатора тока. Возможно также построение мостовых цепей с четырехпроводным подключением термометра.

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

Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры.

Главный параметр терморезистора это большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов)- то есть его сопротивление очень сильно зависит от температуры и может изменяться в десятки а то и сотни раз.

Достоинства терморезисторов - простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, относительно невысокая долговременная стабильность характеристик.

Основная область применения терморезисторов это температурные датчики в различных устройствах или защитные функции (при большом токе через него происходит разогрев и изменение сопротивления)

Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Терморезисторы по своим рабочим параметрам делятся на две категории:

1. При нагреве сопротивление уменьшается. Такие терморезисторы называют термистор или NTC-термисторы (Negative temperature coefficient).
2. При нагреве сопротивление увеличивается. Такие терморезисторы называют позистор или PTC-термисторы (Positive temperature coefficient). Они применяются в системе размагничивания кинескоп телевизоров

Обозначение терморезисторов на схеме

На схеме терморезисторы (не важно термистор это или позистор) обозначается так:

Терморезисторы бывают низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–10 6 Ом.

Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции - с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Здесь приведены характеристики малогабаритных терморезисторов которые могут применяться в устройствах контроля температуры ПК и разрабатываемых Вами конструкциях.

Терморезисторы или термисторы (ТР) - полупроводниковые резисторы с нелинейной Вольт Амперной Характеристикой (ВАХ), которые имеют явно выраженную зависимость электро сопротивления от температуры. Производятся терморезисторы с отрицательным и положительным Температурным Коэффициентом Сопротивления (ТКС).

Номинальное сопротивление R н - электрическое сопротивление, значение которого обозначено на корпусе или указано в нормативной документации, измеренное при определенной температуре окружающей среды (обычно 20º С). Значения устанавливаются по ряду Е6 либо Е12.

Температурный коэффициент сопротивления ТКС - характеризует, как и обычно, изменение (обратимое) сопротивления на один градус Кельвина или Цельсия.

Максимально допустимая мощность рассеяния P max - наибольшая мощность, которую длительное время может рассеивать ТР, не вызывая необратимых изменений характеристик. При этом его температура не должна превышать максимальную рабочую температуру.

Коэффициент температурной чувствительности В - определяет характер температурной зависимости данного типа ТР. Известен как постоянная В, зависящая от физических свойств полупроводникового материала, из которого выполнен термочувствительный элемент.

Постоянная времени t - характеризует тепловую инерционность.

Она равна времени, в течении которого сопротивление ТР изменяется на 63% при перенесении его из воздушной среды температурой 0º С в воздушную среду с температурой 100º С.

Терморезисторы с отрицательным ТКС

ТР имеют разную конструкцию:

Конструкция	Обозначение	Внешний вид
стержневые	С
дисковые	Д
бусинковые	Б

New!
Терморезисторы на основе монокристаллов полупроводникового алмаза
типа ТРА-1, ТРА-2.

Это новые полупроводниковые приборы имеющие существенные преимущества по сравнению с ранее выпускавшимися терморезисторами.

Использование полупроводниковых монокристаллов алмаза в качестве термо чувствительных элементов (ТЧЭ) имеет существенные преимущества, которые определяются следующими его уникальными свойствами:

• полное отсутствие диффузионных эффектов (работоспособность) до температуры около 1000°С;
• исключительная стойкость к агрессивным средам и радиации;
• абсолютная твердость,
• малая инерционность.

Терморезисторы типа ТРА-1 и ТРА-2 могут применяться в следующих электронных устройствах:

1. аналоговые и цифровые термометры с пределом измерения от - 60°С до 300°С (причем эксплуатация при максимальных значениях температуры в течение 500 часов не приводила к заметному изменению градуировки);
2. термокомпенсированные генераторы частоты;
3. терморегуляторы с различной мощностью нагревателей;
4. расходомеры жидкости и газа термоанемометрического типа;
5. сигнализаторы минимального уровня жидкостей,
6. и другие где применяются ТР с отрицательным ТКС.

Стеклянный корпус и массивные по сравнению с алмазным кристаллом (~0,2…0,3 мм) существенно ограничивают максимальную рабочую температуру ТРА (< 400°С) и тепловую инерционность (> 1 с). При этом использование в качестве выводов медной проволоки диаметром 0,1 мм позволяет уменьшить постоянную времени примерно в 2 раза.

Разрабатываются опытные конструкции алмазных терморезисторов в бескорпусном исполнении, в которых размер кристалла составляет 0,5…0,6 мм, а диаметр серебряных выводов 0,05 - 0,1 мм. Для таких терморезисторов максимальная рабочая температура повышается до 600°С, и одновременно на порядок снижается тепловая инерционность.

Производитель:

ООО «Диамант», 601655, Владимирская обл., г. Александров, ул. Институтская 24, Полянский Е. В.

Терморезисторы прямого подогрева - стабилизаторы напряжения.

Терморезисторы с положительным ТКС, позисторы.

Если Вам нужны параметры терморезисторы специального назначения - пишите .

Справочную таблицу в полном виде (формат pdf ) из приведенного ниже справочника можно скачать .

Справочную таблицу "Терморезисторы на основе монокристаллов полупроводникового алмаза" в формате pdf можно скачать отсюда.

Литература:

1. Справочник разработчика и конструктора РЭА, Элементная база, Книга II , Москва, изд ТОО"Прибор", 2000?

По материалам справочника и др. источникам
подготовил А. Сорокин
2008 г.

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 = }