Термисторы: принцип работы, виды и применение
Введение
Термисторы — это устройства, которые измеряют и контролируют температуру. Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых сильно зависит от температуры, называются термистами.
Определение
Термистор, также известный как терморезистор или термосопротивление — это полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.
Схематическое обозначение
Общее обозначение
Обозначение по типу (NTC, PTC)
История развития термисторов
Термисторы были изобретены в 1930 году американским инженером Самюэлем Рубеном в лаборатории Westinghouse Electric. Он обнаружил, что сопротивление некоторых полупроводниковых материалов сильно зависит от температуры. Первые термисторы использовались для компенсации температурного дрейфа характеристик электронных схем в телефонных станциях.
С течением времени термисторы стали применяться в различных областях техники, таких как измерение и регулирование температуры, ограничение бросков тока, защита от перегрузок и перегрева, системы пожарной и охранной сигнализации.
Типы термисторов
Сопротивление термистора определяется его материалом и геометрией. Материал термистора влияет на то, как электроны перемещаются в нем при изменении температуры. Геометрия термистора влияет на то, как электрический ток распределяется по его поверхности.
Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивают свое сопротивление при повышении температуры. Это происходит потому, что при нагревании полупроводникового материала, из которого они сделаны, электроны становятся менее подвижными и труднее проходят через него. Такие термисторы имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры, которая может быть описана формулой:
R_T = R_0 (1 + \alpha T)^\beta
где RT — сопротивление термистора при температуре T, R0 — сопротивление термистора при некоторой базовой температуре, α и β — константы, характеризующие материал термистора.
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшают свое сопротивление при повышении температуры. Это происходит потому, что при нагревании керамического или полимерного материала, содержащего металлические частицы, электроны становятся более подвижными и легче проходят через него. Такие термисторы имеют экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, которая может быть описана формулой:
R_T = R_0 e^{-B(T - T_0)}где RT — сопротивление термистора при температуре T, R0 — сопротивление термистора при некоторой базовой температуре T0, B — константа, характеризующая материал термистора.
Основные характеристики термисторов
Основные характеристики термисторов зависят от их типа, материала и конструкции. Вот некоторые общие значения для PTC и NTC термисторов:
| Характеристика | PTC термисторы | NTC термисторы |
|---|---|---|
| Сопротивление | От 0,1 до 1000 Ом | От 0,5 до 100 МОм |
| Температурный коэффициент | От 0,01 до 0,1 1/°C | От -0,01 до -0,1 1/°C |
| Диапазон рабочих температур | От -50 до 200 °C | От -100 до 300 °C |
| Точность | От 1 до 10 % | От 0,1 до 5 % |
| Стабильность | От 0,1 до 1 % за год | От 0,5 до 5 % за год |
Эти значения могут варьироваться в зависимости от конкретной модели и производителя термистора. Для более точной информации вы можете обратиться к техническим характеристикам термистора, которым вы интересуетесь.
Сопротивление термистора — это величина, измеряемая в омах, которая определяет его электрическое поведение. Оно играет ключевую роль в работе термистора, так как значительно изменяется в зависимости от температуры. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) показывает, насколько изменяется сопротивление термистора при изменении температуры на один градус Цельсия. Для отрицательных термисторов ТКС является отрицательным, то есть их сопротивление уменьшается с увеличением температуры, а для положительных — положительным, что означает увеличение сопротивления с ростом температуры.
Диапазон рабочих температур — это область, в которой термистор способен надежно работать, не теряя своих характеристик. Разные типы термисторов могут иметь разные температурные диапазоны, что определяет их пригодность для использования в конкретных условиях эксплуатации. Важным аспектом термисторов также является их точность, которая определяет, насколько точно измерение температуры с их помощью соответствует фактической температуре. Высокая точность особенно важна для приложений, требующих прецизионных измерений, таких как лабораторные исследования.
Стабильность термистора — это его способность сохранять неизменные характеристики в течение длительного времени. Высокая стабильность критически важна в случаях, когда термистор используется в долгосрочных приложениях, где надежность и точность измерений должны оставаться постоянными на протяжении многих лет.
Принцип работы термисторов
Принцип работы термисторов основан на изменении их сопротивления в зависимости от температуры. Термисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или оксиды металлов. Проводимость полупроводников зависит от концентрации свободных носителей заряда. При повышении температуры концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике увеличивается, что приводит к увеличению его проводимости и, соответственно, снижению сопротивления.
Таким образом, термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC) имеют сопротивление, которое уменьшается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при повышении температуры в полупроводнике уменьшается концентрация свободных носителей заряда, что приводит к уменьшению его проводимости и, соответственно, сопротивления.
Термистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) имеет сопротивление, которое увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при повышении температуры в полупроводнике увеличивается концентрация свободных носителей заряда, что приводит к увеличению его проводимости и, соответственно, сопротивления.
Температурные изменения влияют на электрические свойства термисторов, такие как напряжение, ток, мощность и коэффициент температурной зависимости. Например, если термистор подключен к постоянному источнику напряжения, то при повышении температуры ток через NTC-термистор увеличится, а через PTC-термистор уменьшится. Мощность, выделяемая на термисторе, также будет зависеть от его сопротивления и температуры. Коэффициент температурной зависимости — это параметр, который характеризует скорость изменения сопротивления термистора с температурой. Он может быть выражен как:
\alpha = \frac{1}{R} \frac{dR}{dT}где R — сопротивление, а T — температура. Для NTC-термисторов α отрицательный, а для PTC-термисторов положительный.
Математическая составляющая
Сопротивление термистора зависит от температуры по нелинейному закону, который может быть выражен как
R = R_0 e^{\beta (1/T - 1/T_0)}где R — сопротивление при температуре T, R0 — сопротивление при стандартной температуре T0, β — постоянная материала термистора.
Температура термистора может быть вычислена из сопротивления по формуле
T = \frac{\beta T_0}{\beta + T_0 \ln (R/R_0)}где R — сопротивление при температуре T, R0 — сопротивление при стандартной температуре T0, β — постоянная материала термистора.
Ток через термистор может быть определен по закону Ома как
I = \frac{V}{R}где I — ток, V — напряжение, R — сопротивление термистора.
Напряжение на термисторе может быть определено по закону Ома как
V = IR
где V — напряжение, I — ток, R — сопротивление термистора.
Мощность, выделяемая на термисторе, может быть определена по формуле
P = VI = I^2 R = \frac{V^2}{R}где P — мощность, V — напряжение, I — ток, R — сопротивление термистора.
Применение термисторов
Использование термисторов для температурной компенсации
Термисторы можно использовать для температурной компенсации различных электрических параметров. Например, термисторы можно использовать для компенсации изменения сопротивления резистора в зависимости от температуры. Это может быть полезно в устройствах, где необходимо поддерживать стабильное сопротивление резистора в широком диапазоне температур.
Для температурной компенсации термистор обычно соединяется последовательно с резистором, который необходимо компенсировать. При изменении температуры сопротивление термистора изменяется в противоположном направлении по отношению к изменению сопротивления резистора. Это приводит к тому, что общее сопротивление цепи остается практически неизменным.
Регулирование тока и напряжения с использованием термисторов
Термисторы можно использовать для регулирования тока и напряжения в различных устройствах. Например, термисторы можно использовать для ограничения тока в цепи. Для этого термистор подключается последовательно с нагрузкой. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению тока в цепи.
Термисторы также можно использовать для регулирования напряжения. Для этого термистор подключается параллельно с нагрузкой. При увеличении напряжения сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке.
Защита от перегрева и перегрузок
Термисторы можно использовать для защиты электрических устройств от перегрева и перегрузок. Например, термисторы можно использовать для защиты электродвигателей от перегрева. Для этого термистор подключается последовательно с двигателем. При повышении температуры сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению тока в цепи. Это снижает мощность, потребляемую двигателем, и предотвращает его перегрев.
Термисторы также можно использовать для защиты электрических устройств от перегрузок. Для этого термистор подключается параллельно с нагрузкой. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Это может привести к отключению питания устройства, что предотвратит его повреждение.
Примеры использования термисторов для температурной компенсации, регулирования тока и напряжения, защиты от перегрева и перегрузок
Вот несколько конкретных примеров использования термисторов для температурной компенсации, регулирования тока и напряжения, защиты от перегрева и перегрузок:
- В цифровых термометрах термисторы используются в качестве датчиков температуры. При изменении температуры сопротивление термистора изменяется, что приводит к изменению напряжения на нем. Это изменение напряжения измеряется электронным блоком термометра и используется для определения температуры.
- В схемах защиты от перегрева электродвигателей термисторы используются для предотвращения перегрева электродвигателей. При повышении температуры сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению тока в цепи. Это снижает мощность, потребляемую двигателем, и предотвращает его перегрев.
- В регуляторах напряжения термисторы используются для регулирования напряжения на нагрузке. При увеличении напряжения сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке.
- В схемах защиты от перегрузок термисторы используются для защиты электрических устройств от перегрузок. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Это может привести к отключению питания устройства, что предотвратит его повреждение.
Заключение
Термисторы — это электронные компоненты, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры. Они имеют широкое применение в разных сферах, таких как электроника, энергетика, медицина, автоматизация и другие. Термисторы могут использоваться для температурной компенсации, регулирования тока и напряжения, защиты от перегрева и перегрузок, а также для создания интеллектуальных и адаптивных систем. Термисторы классифицируются по типу температурного коэффициента (NTC или PTC), материалу, форме и характеристикам. Механизм изменения сопротивления термисторов связан с их полупроводниковой природой и энергетическим зазором между валентной и проводящей зонами.
