Термисторы их устройство, виды, принцип работы

Основная информация

Терморезисторы (термисторы) – это полупроводниковые резисторы, устойчиво изменяющие своё сопротивление при изменении температуры.

Существует две основные категории: NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом) термисторы. У NTC при нагревании сопротивление заметно падает, у PTC – наоборот резко растёт, особенно при прохождении критической (точки Кюри) температуры. Эти свойства используются в качестве точных датчиков температуры и защитных элементов цепей. NTC-термисторы изготовлены из керамики на основе смешанных оксидов металлов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu и др.), PTC-термисторы (позисторы) – обычно из ионно-допированного бария титаната или полимеров.

Устройство и материалы термисторов

NTC-термисторы изготавливаются методом прессования и обжига порошков керамических полупроводников — оксидов металлов. Как правило, в состав входят смешанные оксиды марганца, никеля, кобальта, железа, меди и др. После формовки и спекания керамический элемент (диск, бусина или чип) припаивается к проводникам. В ряде конструкций чувствительный элемент герметично заключён в стеклянную капсулу для защиты от влаги.

PTC-термисторы (позисторы) производят из поликристаллической керамики на основе титаната бария с добавлением легирующих примесей (редкоземельные элементы, ионы тантала и др.). Это позволяет снизить удельное сопротивление керамики с $10^{10}$ Ом·см до полупроводниковых значений $10 \dots 10^6$ Ом·см. При нагревании до температуры точки Кюри изменяется кристаллическая структура $BaTiO_3$, что вызывает резкий рост потенциальных барьеров на границах зерен — в результате сопротивление возрастает на несколько порядков. Позисторы обычно формуются в виде дисков, слоёв или «бобышек» с контактными выводами.

Платиновые терморезисторы (RTD) не относятся к полупроводниковым термисторам, но часто упоминаются в одном ряду с ними. В них чувствительным элементом служит проволока или напыление из высокочистой платины (реже никеля). Такие датчики обладают высокой линейностью и имеют положительный температурный коэффициент (для Pt100 $\alpha \approx 0,00385$ °C⁻¹).

В таблице ниже суммированы материалы основных типов термисторов.

Основные характеристики термисторов

Принцип работы NTC- и PTC-термисторов

NTC-термисторы

NTC-термисторы работают на основе полупроводниковых свойств керамики. При повышении температуры в материале генерируется больше носителей заряда (электронов и дырок), за счёт чего сопротивление резко падает.

Тепловая энергия способствует переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости. Эту зависимость чаще всего описывают экспоненциальным уравнением с $\beta$-параметром:

$R(T) = R_{25^\circ\text{C}} \cdot e \left[\beta \left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_0}\right)\right]$

Для задач, требующих повышенной точности в широком диапазоне температур, используют более сложное уравнение Штейнхарта — Гарта, которое учитывает нелинейность характеристики более детально. На рисунке ниже приведён характерный график зависимости R(T) для NTC-термистора (видно быстрое падение R при увеличении T):

PTC-термисторы

PTC-термисторы (позисторы) основаны на эффекте сегнетоэлектрического (ферроэлектрического) перехода в легированном титанате бария ($BaTiO_3$). При достижении температуры Кюри структура материала меняется (из тетрагональной в кубическую), внутренние электрические диполи исчезают, а потенциальные барьеры на границах зерен керамики резко возрастают.

До точки Кюри PTC-термистор может проявлять небольшой отрицательный ТКС (его сопротивление даже слегка падает), но при переходе через критическую температуру его сопротивление возрастает лавинообразно (на несколько порядков). Это свойство делает их идеальными для защиты. При перегрузке позистор разогревается, «запирает» цепь, а после устранения неисправности и остывания возвращается в исходное состояние. Из-за крайне нелинейной характеристики (почти релейного типа) их практически не используют для непрерывного измерения температуры.

Платиновые RTD-датчики

Платиновые RTD-датчики (термометры сопротивления) работают на принципе зависимости электрического сопротивления чистых металлов от температуры. В отличие от полупроводниковых термисторов, сопротивление платины растет вместе с температурой.

На графике представлена характеристика наиболее распространенного датчика — Pt100. Его базовое сопротивление составляет ровно $100$ Ом при $0$ °C. В узком диапазоне зависимость кажется линейной с положительным температурным коэффициентом $\alpha \approx 0{,}00385$ $^\circ\text{C}^{-1}$. Однако при расширении диапазона до нескольких сотен градусов проявляется нелинейность второго порядка (небольшая кривизна, отмеченная на графике стрелкой). Для математического описания этой кривой и достижения эталонной точности используют уравнение Каллендара — Ван Дюзена:

$R_t = R_0 (1 + At + Bt^2)$

Хотя RTD обладают гораздо меньшей чувствительностью по сравнению с термисторами (сопротивление меняется всего на ~ $0{,}385$ Ом на градус), они обеспечивают непревзойденную стабильность и повторяемость результатов в широчайшем диапазоне от $-200$ до $+850$ °C. Это позволяет использовать их в качестве промышленных стандартов, где важна взаимозаменяемость датчиков без дополнительной калибровки приборов.

Включение термистора в цепь и расчёты

Терморезисторы обычно включают в измерительную цепь как часть моста или делителя напряжения. Например, в простом делителе напряжения постоянный резистор $R$ и NTC-термистор образуют плечи делителя, к которым прикладывается опорное напряжение $V_{cc}$. Измеряя напряжение $V_{out}$ в точке соединения резисторов, можно вычислить сопротивление термистора по закону Ома, а затем пересчитать его в температуру, используя зависимость $R(T)$.

Диаграмма цепи:

graph LR
Vcc[Vcc] --> R[Постоянный резистор R]
R --> Out{V out}
Out --> T[NTC-термистор]
T --> GND(Земля)

Пример расчёта:

Допустим, у нас есть NTC-термистор с номиналом $R_0 = 10$ кОм при $25$ °C и коэффициентом чувствительности $\beta = 3950$ К. Определим его сопротивление при температуре $100$ °C. Воспользуемся формулой:

$R(T) = R_{25^\circ\text{C}} \cdot e \left[\beta \left(\frac{1}{T} - \frac{1}{T_0}\right)\right]$

Где температуры $T$ и $T_0$ выражены в Кельвинах ($0$ °C $= 273.15$ K).

Подставляем значения:

1. $T_0 = 25 + 273 = 298$ К.
2. $T = 100 + 273 = 373$ К.
3. $R(100^\circ\text{C}) = 10000 \cdot e \left[3950 \cdot \left(\frac{1}{373} - \frac{1}{298}\right)\right] \approx 674 \Omega$.

Результат в ~700 Ом — это корректная грубая оценка. Сопротивление падает почти в 14-15 раз, что демонстрирует высокую чувствительность NTC-сенсоров.

Применение

NTC-термисторы, благодаря своей высокой чувствительности (3–5%/°C) и быстрому отклику, часто применяются в прецизионных измерителях температуры и системах компенсации. Их успешно используют в датчиках температуры воздуха и жидкостей, при контроле температур кристаллизации и т.д. Компактные бусинки или диски с отрицательным ТКС находят применение в цифровых термометрах, бытовой технике (мультиварках, утюгах, кондиционерах) и схемах защиты электроники от перегрева.

В качестве ограничителей пускового тока NTC-термисторы включают последовательно в цепь. При включении холодный термистор имеет высокое сопротивление, сдерживая резкий скачок тока. Затем он быстро прогревается под действием тока, его сопротивление резко падает, что минимизирует потери мощности в установившемся режиме.

При выборе NTC-термистора важно учитывать его точность и стабильность. Термисторы с эпоксидным покрытием дешевы, но подвержены дрейфу, они могут накапливать погрешность ~0,2 °C/год при эксплуатации на 100 °C. Герметичные стеклянные модели стабильнее — их дрейф составляет менее 0,02 °C/год, поэтому для критических задач следует выбирать именно их. Также обращают внимание на допуск по $R_0$ и $B$-параметру, узкий допуск обеспечивает лучшую взаимозаменяемость датчиков без перекалибровки системы. При проектировании измерительных цепей необходимо учитывать самонагрев, протекающий ток выделяет тепло, которое может внести погрешность в измерения.

PTC-термисторы (позисторы) незаменимы там, где нужна надежная защита от перегрузок или саморегулируемый нагрев. Для точных измерений их не применяют, но ценят за эффект резкого срабатывания. При выборе PTC определяют температуру Кюри (точку перескока сопротивления) и номинальный ток (параметры ток удержания и ток срабатывания). Поскольку у них низкое сопротивление в нормальном состоянии и высокое при перегреве, их подбирают под токовые характеристики схемы. Например, для защиты моторов используют встроенные позисторы, а в системах подогрева — саморегулирующиеся нагревательные элементы.

Платиновые датчики (RTD) идеальны, если требуется линейное и сверхточное измерение температуры в широком диапазоне. При выборе важно помнить, что их базовое сопротивление невелико (например, Pt100 имеет $100$ Ом при $0$ °C), поэтому сопротивление соединительных проводов существенно влияет на результат. Для компенсации этой ошибки часто применяют трех- или четырехпроводную схему подключения. RTD дороже термисторов, но они практически не подвержены дрейфу и соответствуют международным стандартам взаимозаменяемости (например, IEC 60751).