Princip činnosti, vlastnosti a hlavní parametry termistoru

Termistory (termistory) jsou odpory, jejichž odpor se velmi mění v závislosti na teplotě. Termistory jsou vyrobeny na bázi polovodičového materiálu a mají nelineární proudově-napěťovou charakteristiku. Termistory s kladnými teplotními koeficienty odporu (TCR) se nazývají posistory. Vzhledem ke své citlivosti na teplotu se termistory používají k měření teploty a budování systémů řízení teploty v procesních a laboratorních zařízeních.

Termistory jsou vyrobeny z polovodičového oxidu kovu, lisovaného do daného tvaru. Mechanickou pevnost a ochranu před vlivy prostředí zajišťuje kovový plášť nebo ochranná izolační vrstva. Termistory mají nelineární proudově napěťovou charakteristiku a velmi vysokou teplotní citlivost ve srovnání s jinými typy teplotních senzorů. Typická hodnota TCR pro termistory je -5 % na stupeň, zatímco pro platinový tepelný konvertor (RTD) je to 0,4 % na stupeň.

Typický teplotní rozsah termistorů je poměrně úzký (-60. +150 C), u některých vzorků je rozšířen až na (-60. +300 C).

Důležitou výhodou termistorů je jejich vysoká odolnost, která odstraňuje problém s úbytkem napětí na přívodních vodičích jako u RTD nebo problém s nutností velkého zesílení signálu (až 2000) u termočlánků.

Teplotní závislost

Závislost odporu termistoru na teplotě v rozsahu několika desítek stupňů uspokojivě popisuje exponenciální funkce (obr. 1).

kde A je odpor při nekonečně vysoké teplotě, B je koeficient teplotní citlivosti (jeho hodnoty se obvykle pohybují v rozmezí 1200-16000).

Z výrazu (1) můžeme získat vztah mezi termistorem TCR ( ) a koeficientem teplotní citlivosti ve tvaru

Hodnota TCS je obvykle uváděna v referenčních knihách pro teplotu 20 C (293 K).

Obr.1. Závislost odporu na teplotě pro termistor MMT-1 22Kom.

Při protékání proudu termistorem dochází k jeho zahřívání, což zvyšuje chybu měření. Při výběru termistoru je proto nutné vzít v úvahu jeho rozptylový koeficient, který je definován jako výkon, který vede k zahřátí termistoru o 1 stupeň vzhledem k okolní teplotě. Pro snížení chyby způsobené vlastním ohřevem termistoru je nutné zvětšit jeho povrch, což však vede ke zvýšení tepelné setrvačnosti, která je charakterizována časovou konstantou. Časová konstanta termistoru je rovna době, za kterou se změní jeho teplota e krát (o 63 %) při přenosu termistoru z prostředí vzduchu o teplotě 0 stupňů. Celsia do vzdušného prostředí o teplotě 100 stupňů. Typické časové konstanty se pohybují od desetin sekundy do několika minut.

Linearizace charakteristik

Vzhledem k silné nelinearitě teplotní závislosti nelze termistory použít bez kompenzace nelinearity (linearizace) jejich charakteristik. K tomuto účelu se používají nelineární aproximační funkce, jejichž koeficienty jsou vybírány metodou nejmenších čtverců nebo jinými metodami parametrické identifikace. Tato nevýhoda termistorů značně omezovala jejich použití až do příchodu počítačových nástrojů pro měření teploty. Použití počítače usnadňuje programově kompenzovat nelinearitu. Tato vlastnost v posledních letech zvýšila zájem o použití termistorů a iniciovala další výzkum zaměřený na zlepšení jejich stability, přesnosti a zaměnitelnosti.

Pro kompenzaci nelinearity termistorů použijte Steinhardt-Hartův vzorec:

kde teplota je uvedena ve stupních Kelvina, (K = C + 273,15); – odpor termistoru. Koeficienty rovnice jsou voleny z podmínky nejlepšího přiblížení k experimentálně získané závislosti nebo jsou dodány výrobcem termistoru.

Měřicí řetěz

Obvod pro měření teploty využívající termistor se skládá ze zdroje proudu a samotného termistoru. Úbytek napětí na termistoru je přímo úměrný jeho odporu a je snímán diferenciálním zesilovačem. Pro eliminaci parazitního vlivu rušení musí mít zesilovač dostatečně velký koeficient útlumu signálu v běžném režimu.

Poněkud horší výsledek v teplotní citlivosti dávají měřicí obvody, ve kterých se proud termistoru nastavuje nikoli z ideálního zdroje proudu, ale ze zdroje napětí přes sériově zapojený odpor.

Citlivost obvodu měření teploty je úměrná velikosti proudu procházejícího termistorem. Proto by měl být tento proud zvolen co největší, ale tak, aby došlo k chybě. přispěl termistorový samozahřívací efekt byl v přijatelných mezích. Přehřátí termistoru o 1 stupeň je způsobeno výkonem rovným jeho disipačnímu koeficientu.

Koeficient rozptylu výrazně závisí na tepelné vodivosti prostředí, ve kterém je termistor umístěn (voda, vzduch, styk s kovem), proto je nutné vzít v úvahu podmínky, za kterých jej výrobce měří. Při použití termistoru v jiném prostředí je nutné nejprve změřit rozptylový koeficient. Pokud například termistor ztratí 2 mW energie a jeho koeficient ztráty je 10 mW/stupeň, pak samozahřívání termistoru bude 0,2 stupně. Má-li být požadovaná chyba měření nižší, měl by se snížit proud procházející termistorem a zlepšit stínění vodičů s proudem, protože se snižujícím se proudem se zhoršuje poměr signálu k šumu.

Pro zlepšení odstupu signálu od šumu při výrazném odstranění teplotního senzoru ze systému sběru dat se používá dolnopropustný filtr s pásmem, který závisí na požadované rychlosti měření a tepelné setrvačnosti teplotního senzoru. Typické aplikace uspokojí filtr třetího řádu s šířkou pásma 5 Hz, například filtr RL-8F3 z řady RealLab!

Nachází se na ploše 8900 m², je vybaven nejmodernějším technologickým zařízením, disponuje výzkumným a vývojovým oddělením využívajícím pokročilé nástroje pro automatizaci návrhu.

telefon:

Provozní režim:
adresa:

E-mail:

Zanechte své číslo a my vám zavoláme zpět

© NIL AP, LLC, 1989-2024

Rozvoj a podpora
cCube.ru

function setCookie(název, hodnota, možnosti = <>) < možnosti = < cesta: '/', // v případě potřeby přidejte další výchozí hodnoty. možnosti >; if (options.expires instanceof Date) < options.expires = options.expires.toUTCString(); >let updatedCookie = encodeURIComponent(název) + “=” + encodeURIComponent(value); for (nechte optionKey v možnostech) < updatedCookie += "; " + optionKey; let optionValue = options[optionKey]; if (optionValue !== true) < updatedCookie += " c3-cookie-button">Pokračováním v používání našich stránek souhlasíte se zpracováním cookies a osobních údajů v souladu se zásadami. Dobře, nevadí mi to

Začátečníci radioamatéři se ptají – termistor: co to je? Stručně řečeno, termistor (termistor) je rádiová součástka, což je v podstatě typ rezistoru, jehož konstrukce je založena na polovodičích. Jeho odpor závisí na teplotě, jak naznačuje kořen slova „therm“. Jsou vyrobeny na bázi směsných oxidů kovů. Existují termistory, které pracují při záporných i kladných teplotách.

Termistory pracující při teplotách pod nulou jsou nejběžnější v radiotechnice. Ty, které jsou provozovány při vysokých teplotách, se používají omezeně. Používají se v zařízeních s přísným kontrolním a poplašným systémem. Termistory mají širokou škálu tvarů a navíc mají tyto odpory velmi miniaturní velikosti. Díky tomu našly své využití dokonce i v medicíně – měří teplotu uvnitř cév.

Článek podrobně pojednává o struktuře, vlastnostech a rozsahu použití termistorů. Na konci článku je také soubor s podrobnými informacemi o tomto tématu a videem.

Jak to funguje?

Termistor je polovodičový prvek s proměnlivou charakteristikou (odpor) v závislosti na teplotě. Produkt byl vynalezen v roce 1930 a za jeho tvůrce je považován slavný vědec Samuel Ruben. Od svého vzniku se termistor rozšířil v rádiové elektronice a úspěšně se používá v mnoha příbuzných oborech.

Díl je vyroben z materiálů s vysokým teplotním koeficientem (TC). Jsou založeny na speciálních polovodičích, jejichž vlastnosti jsou lepší než u nejčistších kovů a jejich slitin.

Při přípravě hlavního odporového prvku se používají oxidy určitých kovů, halogenidy a chalkogenidy. K výrobě se používá měď, nikl, mangan, kobalt, germanium, křemík a další látky. Během výrobního procesu bude muset být polovodič jinak tvarován. V prodeji najdete termistory ve formě tenkých trubek, velkých podložek, tenkých desek nebo malých kulatých prvků. Některé části mají rozměry několik mikronů.

Termistor je rezistor s vysokým teplotním koeficientem odporu (TCR). Při změně teploty vodivého materiálu termistoru se výrazně změní jeho elektrický odpor. Termistory mohou být kladné nebo záporné TCS. Termistory s kladným TCS se nazývají PTC termistory nebo pozistory a ty se záporným TCS se nazývají NTC termistory. Když se PTC termistor (posistor) zahřeje, zvýší se jeho odpor. Když se termistor NTC zahřeje, jeho odpor se sníží.

[stextbox pozistoru odpovídá jmenovitému Rn uvedenému v referenční dokumentaci, obvykle při teplotě 25 stupňů. Celsia, méně často na 20. Na začátku ohřevu PTC termistoru se jeho odpor mírně sníží na určitou minimální hodnotu Rmin. Při dalším zahřívání na určitou teplotu Tref se odpor pozistoru mírně zvýší.[/stextbox]

Další zahřívání v teplotním rozsahu od Tref do maximální přípustné hodnoty znamená rychlý nárůst odporu. V tomto případě může rozdíl v odporu dosáhnout několika řádů.

Závislost odporu a teploty

Odpor ideálních polovodičů (počet děr a nosičů náboje je stejný) v závislosti na teplotě lze vyjádřit následujícím vzorcem

kde A, b jsou konstanty závislé na vlastnostech materiálu a geometrických rozměrech.

Složité složení a neideální rozložení náboje v termistorovém polovodiči však neumožňuje přímé využití teoretické závislosti a vyžaduje empirický přístup. Pro NTC termistory se používá Steinhartův a Hartův aproximační vztah

Bude zajímavé➡ Jak číst označení (označení) rezistorů

1/T = a+b(lnR)+c(lnR) 3

kde T je teplota v K;

R – odpor v Ohmech;

a,b,c – termistorové konstanty určené při kalibraci ve třech teplotních bodech vzdálených od sebe minimálně 10 C.

Typický 10 kOhm termistor má koeficienty v rozsahu 0-100 C blízké následujícím hodnotám:

• a = 1,03-10
• b = 2,93 10-4
• c = 1,57-10

Kotoučové termistory mohou být zaměnitelné, tzn. všechny snímače určitého typu budou mít stejnou charakteristiku v rámci tolerance stanovené výrobcem. Nejlepší možná tolerance je obecně ±0,05 C v rozsahu 0 až 70 C. Korálkové termistory nejsou zaměnitelné a vyžadují individuální kalibraci.

Termistory lze kalibrovat v kapalinových termostatech. Termistory je nutné utěsnit ponořením do skleněných zkumavek. Obvykle se pro kalibraci a výpočet konstant termistor porovnává se standardním platinovým teploměrem.

V rozsahu od 0 do 100 C se srovnání provádí v bodech s intervalem 20 C. Chyba interpolace obvykle nepřesahuje 1–5 mK při použití upravené Steinhartovy a Hartovy rovnice:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Lze použít i referenční body: trojný bod vody (0,01 C), bod tání gallia (29,7646 C), body fázového přechodu eutektik a organických materiálů.

Pro kalibraci několika termistorů je možné je zapojit do série tak, aby jimi procházel stejný proud. Při kalibraci a použití termistorů je důležité vzít v úvahu zahřívací účinek měřicího proudu. Pro termistor 10 kOhm se doporučuje volit proudy od 10 μA (chyba 0,1 mK) do 100 μA (chyba 10 mK).

Pro začátek definujme tento typ rádiových součástek jako termistory (nebo, jak se jim také říká, termistory). Jsou polovodičovým prvkem, jehož odpor se mění v závislosti na teplotě. Tato závislost může být:

1. Přímý (čím vyšší teplota, tím vyšší odpor) je typ PTC (z anglického Positive Temperature Coefficient, tedy kladný/kladný teplotní koeficient). Alternativní název je „posistory“.
2. Reverzní (odpor se zvyšuje s poklesem teploty a naopak) je typ NTC (z anglického Negative Temperature Coefficient, tedy záporný/negativní teplotní koeficient).

Termistory se často dělí podle rozsahů provozních teplot:

• Nízká teplota (pod 170 K);
• Střední teplota (170-510 K);
• Vysoká teplota (přes 510 K).

Označení termistoru je uvedeno na obrázku níže.

Hlavní parametry

Při výběru dílu je důležité zaměřit se na jeho ukazatele a vlastnosti, které se liší v závislosti na typu, výrobci, zdrojovém materiálu a dalších ukazatelích. Při výběru produktu je třeba zjistit hlavní parametry a určit, zda jsou vhodné pro řešení úkolu nebo ne.

Při nákupu si musíte být jisti, že díl má správnou velikost a bude pasovat na desku (do obvodu). Parametry jsou měřeny v Ohmech a jsou uvedeny ve vztahu k aktuální teplotě ve stupních Celsia nebo Kelvina. Pokud je díl navržen pro provoz při teplotách od -100 do +200 stupňů Celsia, předpokládá se teplotní režim pro prostředí 20-25 stupňů Celsia.

Parametr odráží tepelnou setrvačnost. Výpočet zohledňuje čas potřebný ke změně teploty tepelného odporu o 63 % rozdílu t dílu a okolního vzduchu. Ve většině případů se tento parametr bere jako rovný 100 stupňům Celsia. TCS (% na stupeň Celsia).

Bude zajímavé➡ Co je to dělič napětí a jak se používá na rezistorech?

Zpravidla je tento indikátor předepsán pro stejnou teplotu t jako odpor za studena. V takové situaci se v označení používají jiná čísla – zavináč. Ztrátový výkon Pmax (maximální přípustný parametr), W. Na základě tohoto ukazatele lze posoudit hranici, před kterou nedochází v polovodiči k nevratným změnám (parametry zůstávají stejné). V tomto případě nemůže být při dosažení Pmax překročena teplota tmax.

Teplota tmax je maximální přípustný parametr, při kterém zůstane charakteristika termistoru po dlouhou dobu nezměněna (na úrovni nastavené výrobcem). Koeficient energetické citlivosti (měřeno ve W/procenta*R). Označení – G. Indikátor odráží výkon, který musí být rozptýlen na součásti, aby se snížil parametr R o jedno procento.

[rozptyl textového pole (měřeno ve wattech na stupeň Celsia). Symbol – H. Parametr odráží výkon, který je rozptylován tepelným odporem, když se teplotní podmínky součásti a okolního vzduchu liší o jeden stupeň. Výše diskutované koeficienty (G a H) závisí na vlastnostech použitého polovodiče a charakteristikách výměny tepla mezi produktem a jeho okolím. Parametry spolu souvisí prostřednictvím speciálního vzorce – G=H/100a.[/stextbox]

Konstrukce a materiály

Velkou výhodou termistorů je jejich tvarová rozmanitost a miniaturní velikost. Hlavní konstrukční typy: perlička (0,1-1 mm), kotouč (2,5-18 mm), válcový (3-40 mm), filmový povlak (tloušťka 0,2-1 mm). Korálkové termistory jsou k dispozici s průměrem do 0,07 mm s vývody o tloušťce 0,01 mm. Tyto miniaturní senzory mohou měřit teplotu uvnitř krevních cév nebo rostlinných buněk. Většina termistorů jsou keramické polovodiče vyrobené z granulovaných oxidů kovů a nitridů vytvořením komplexní vícefázové struktury s následným slinováním (slinováním) na vzduchu při 1100-1300 C.

Komplexní binární a ternární struktury oxidů přechodných kovů, jako je (AB)₃O₄, (ABC)₃O₄ tvoří základ termistorů. Běžný vzorec je (Ni_0.2Mn_0.8)₃O₄. Nejstabilnější termistory při teplotách pod 250 C jsou termistory na bázi směsných oxidů mania a niklu nebo hořčíku, niklu a kobaltu, mající negativní TCR. Vodivost termistoru r (25 C) závisí na chemickém složení a stupni oxidace. Další kontroly vodivosti je dosaženo přidáním velmi malých koncentrací kovů, jako je Li a Na.

Při výrobě perličkových termistorů jsou perličky naneseny na dva paralelní platinové dráty při teplotě 1100 C a dráty jsou rozřezány na kusy, aby se získala požadovaná konfigurace svorek. Kuličky jsou potaženy skleněným povlakem, sintrovány při 300 C, nebo jsou kuličky uzavřeny uvnitř miniaturních skleněných trubiček.

K získání kovových kontaktů v kotoučových termistorech je na kotouč nanesen kovový povlak Pt-Pd-Ag a přívodní vodiče jsou spojeny s povlakem pájením nebo lisováním. Jmenovité hodnoty termistoru jsou výrazně vyšší než u kovových odporových teploměrů, typicky 1, 2, 5, 10, 15 a 30 kΩ. Proto lze použít dvouvodičový spínací obvod.

Stabilita

Důvody nestability termistoru jsou následující:

• napětí vznikající v materiálu při tepelném cyklování a vytváření mikrotrhlin;
• strukturální změny v polovodiči;
• vnější kontaminace (voda a další látky) a následné chemické reakce v pórech a na povrchu polovodiče;
• selhání přilnavosti kovového filmu;
• migrace nečistot z kovových kontaktů do materiálu termistoru.

Pro získání stabilního stavu jsou termistory vystaveny stárnutí (až 500-700 dní). Zpravidla se odolnost zvyšuje během stárnutí. Při delším používání termistorů jdou ve většině případů za toleranční limity, termistorový teploměr ukazuje teplotu o něco nižší, než je hodnota určená jmenovitou charakteristikou. Výzkum ukazuje, že perličkové termistory mohou vykazovat velmi vysokou stabilitu (drift až 3 mK za 100 dní při 60 C).

Bude to zajímavé➡ Variabilní rezistor

Diskové termistory jsou méně stabilní (drift až 50 mK za 100 dní při 60 C). Termistory jsou zvláště zajímavé pro měření nízkých teplot kvůli jejich relativní necitlivosti na magnetická pole. Některé typy termistorů lze použít až do teplot mínus 100 C. Rozsah nejlepší stability termistorů je od 0 do 100 C. Hlavními výhodami termistorů jsou odolnost proti vibracím, malé rozměry, malá setrvačnost a nízká cena.

Kde jsou použity

Termistory se aktivně používají v různých oblastech úzce souvisejících s elektronikou. Jsou zvláště důležité při realizaci procesů, které závisí na správném nastavení teploty. Tento přístup je relevantní pro počítačové technologie, zařízení pro přenos informací, vysoce přesná průmyslová zařízení atd.

Běžným způsobem použití termistorů je omezení proudů, které vznikají při spouštění zařízení. Když je na napájecí zdroj přivedeno napětí, kondenzátor rychle získá kapacitu, což vede ke zvýšenému toku proudu. Pokud tento parametr neomezíte, hrozí vysoké riziko poškození (průrazu) diodového můstku.

K ochraně drahé součástky se používá termistor – prvek omezující proud při náhlém zahřátí. Po normalizaci režimu klesne teplota na bezpečnou úroveň a odpor termistoru se vrátí na původní úroveň.