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. В этой статье рассмотрим основные принципы работы термисторов, а также их классификацию, особенности и области применения. Кроме того, мы рассмотрим эволюцию термисторов и современные тенденции в этой области. Мы надеемся, что эта статья будет интересна и полезна для тех, кто занимается электроникой и термисторами.

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.

Классификация термисторов

Термисторы можно классифицировать по разным критериям, таким как:

• По типу зависимости сопротивления от температуры:
  • Термисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) — сопротивление увеличивается с увеличением температуры.
  • Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC) — сопротивление уменьшается с увеличением температуры.
• По материалу изготовления:
  • Оксидные термисторы — изготавливаются из оксидов металлов, таких как оксид никеля, оксид кобальта, оксид марганца.
  • Полупроводниковые термисторы — изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий, селен.
• По форме:
  • Шарообразные термисторы — имеют форму шара.
  • Проволочные термисторы — имеют форму цилиндра или стержня.
  • Пластинчатые термисторы — имеют форму пластины.
• По способу монтажа:
  • Напаянные термисторы — монтируются на поверхность печатной платы с помощью пайки.
  • Вклеенные термисторы — монтируются на поверхность печатной платы с помощью клея.
  • Запрессованные термисторы — монтируются в корпус с помощью запрессовки.
• По диапазону температур:
  • Низкотемпературные термисторы — предназначены для работы при температурах ниже 170 К.
  • Среднетемпературные термисторы — предназначены для работы при температурах от 170 до 510 К.
  • Высокотемпературные термисторы — предназначены для работы при температурах выше 570 К.
• По точности:
  • Обычные термисторы — имеют точность ±10%.
  • Высокоточные термисторы — имеют точность ±1%.
• По стабильности:
  • Термисторы обычной стабильности — имеют стабильность сопротивления ±1% в течение одного года.
  • Термисторы повышенной стабильности — имеют стабильность сопротивления ±0,5% в течение одного года.
• По другим параметрам:
  • Термисторы с малым временем отклика — имеют время отклика менее 1 мс.
  • Термисторы с большим временем отклика — имеют время отклика более 100 мс.
  • Термисторы с высокой мощностью — способны рассеивать большое количество тепловой энергии.
  • Термисторы с низкой мощностью — способны рассеивать небольшое количество тепловой энергии.

Основные характеристики термисторов

Основные характеристики термисторов зависят от их типа, материала и конструкции. Вот некоторые общие значения для PTC и NTC термисторов:

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.

1. Сопротивление:
   • Определение: Сопротивление термистора измеряется в омах и является ключевой характеристикой, определяющей его электрическое поведение.
   • Значение: Сопротивление термистора может значительно изменяться в зависимости от температуры.
2. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС):
   • Определение: ТКС выражает, насколько процентное изменение сопротивления термистора происходит при изменении температуры на один градус Цельсия.
   • Значение: Отрицательный ТКС для отрицательных термисторов и положительный ТКС для положительных термисторов.
3. Диапазон рабочих температур:
   • Определение: Диапазон температур, в пределах которого термистор может надежно функционировать.
   • Значение: Различные типы термисторов имеют разные диапазоны рабочих температур, что определяет их применимость в конкретных условиях.
4. Точность:
   • Определение: Мера того, насколько измеренное значение температуры термистора соответствует реальной температуре.
   • Значение: Точность важна для приложений, где высокая степень точности требуется, например, в лабораторных измерениях.
5. Стабильность:
   • Определение: Способность термистора сохранять стабильные характеристики с течением времени.
   • Значение: Высокая стабильность важна для долгосрочных применений, где долговременная надежность и точность необходимы.

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.

Будущее технологии термисторов

Будущее технологии термисторов выглядит многообещающим. Термисторы уже находят широкое применение в различных устройствах, и их использование будет продолжать расти в будущем.

Одним из основных направлений развития технологии термисторов является повышение их точности и стабильности. Это позволит использовать термисторы в более чувствительных устройствах, таких как медицинские приборы и системы контроля окружающей среды.

Другим направлением развития технологии термисторов является расширение их диапазона температур. Это позволит использовать термисторы в более экстремальных условиях, таких как высокие или низкие температуры.

Третьим направлением развития технологии термисторов является снижение их стоимости. Это сделает термисторы более доступными для широкого круга пользователей.

Вот некоторые конкретные примеры того, как термисторы могут использоваться в будущем:

• Термисторы могут использоваться в медицинских приборах для измерения температуры тела, мониторинга состояния пациентов и диагностики заболеваний.
• Термисторы могут использоваться в системах контроля окружающей среды для мониторинга температуры, влажности и других параметров окружающей среды.
• Термисторы могут использоваться в системах безопасности для обнаружения пожара, утечки газа и других опасных ситуаций.

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.

Термисторная технология имеет большой потенциал для развития и инноваций в будущем. Возможны направления исследований и применений, связанные с разработкой новых материалов и структур для термисторов, которые обеспечивают высокую чувствительность, точность, стабильность, надежность и долговечность при разных температурных режимах и условиях эксплуатации. Также перспективны интеграция термисторов в новые технологические решения, которые повышают эффективность, безопасность, комфорт и качество жизни людей.