Термистор - это... Определение, принцип работы и обозначения

Термистор - это прибор, предназначенный для измерения температуры, и состоящий из полупроводникового материала, который при небольшом изменении температуры сильно изменяет свое сопротивление. Как правило, термисторы имеют отрицательные температурные коэффициенты, то есть их сопротивление падает с увеличением температуры.

Общая характеристика термистора

Слово "термистор" - это сокращение от его полного термина: термически чувствительный резистор. Этот прибор является точным и удобным в использовании сенсором любых температурных изменений. В общем случае существует два типа термисторов: с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным. Чаще всего для измерения температуры используют именно первый тип.

Обозначение термистора в электрической цепи приведено на фото.

Материалом термисторов являются оксиды металлов, обладающие полупроводниковыми свойствами. При производстве этим приборам придают следующую форму:

1. дискообразную;
2. стержневую;
3. сферическую подобно жемчужине.

В основу работы термистора принцип сильного изменения сопротивления при небольшом изменении температуры положен. При этом при данной силе тока в цепи и постоянной температуре сохраняется постоянное напряжение.

Чтобы воспользоваться прибором, его подсоединяют в электрическую цепь, например, к мосту Уитстона, и измеряют силу тока и напряжение на приборе. По простому закону Ома R=U/I определяют сопротивление. Далее смотрят на кривую зависимости сопротивления от температуры, по которой точно можно сказать, какой температуре соответствует полученное сопротивление. При изменении температуры величина сопротивления резко изменяется, что обуславливает возможность определения температуры с высокой точностью.

Материал термисторов

Материал подавляющего большинства термисторов - это полупроводниковая керамика. Процесс ее изготовления заключается в спекании порошков нитридов и оксидов металлов при высоких температурах. В итоге получается материал, состав оксидов которого имеет общую формулу (AB)₃O₄ или (ABC)₃O₄, где A, B, C - металлические химические элементы. Чаще всего используют марганец и никель.

Если предполагается, что термистор будет работать при температурах меньших, чем 250 °С, тогда в состав керамики включают магний, кобальт и никель. Керамика такого состава показывает стабильность физических свойств в указанном температурном диапазоне.

Важной характеристикой термисторов является их удельная проводимость (обратная сопротивлению величина). Проводимость регулируется добавлением в состав полупроводниковой керамики небольших концентраций лития и натрия.

Процесс изготовления приборов

Сферические термисторы изготавливаются путем нанесения их на две проволоки из платины при высокой температуре (1100 °С). После этого проволока режется для придания необходимой формы контактам термистора. Для герметизации на сферический прибор наносится стеклянное покрытие.

В случае же дисковых термисторов, процесс изготовления контактов заключается в нанесении на них металлического сплава из платины, палладия и серебра, и его последующая припайка к покрытию термистора.

Отличие от платиновых детекторов

Помимо полупроводниковых термисторов, существует другой тип детекторов температуры, рабочим материалом которых является платина. Эти детекторы изменяют свое сопротивление при изменении температуры по линейному закону. Для термисторов же эта зависимость физических величин носит совершенно иной характер.

Преимуществами термисторов в сравнении с платиновыми аналогами являются следующие:

• Более высокая чувствительность сопротивления при изменении температуры во всем рабочем диапазоне величин.
• Высокий уровень стабильности прибора и повторяемости полученных показаний.
• Маленький размер, который позволяет быстро реагировать на температурные изменения.

Сопротивление термисторов

Эта физическая величина уменьшает свое значение при увеличении температуры, при этом важно учитывать рабочий температурный диапазон. Для температурных пределов от -55 °C до +70 °C применяют термисторы с сопротивлением 2200 - 10000 Ом. Для более высоких температур используют приборы с сопротивлением, превышающим 10 кОм.

В отличие от платиновых детекторов и термопар, термисторы не имеют определенных стандартов кривых сопротивления в зависимости от температуры, и существует широкое разнообразие выбора этих кривых. Это связано с тем, что каждый материал термистора, как датчика температуры, обладает собственным ходом кривой сопротивления.

Стабильность и точность

Эти приборы являются химически стабильными и не ухудшают свои рабочие характеристики со временем. Термисторы-датчики являются одними из самых точных приборов по измерению температуры. Точность их измерений во всем рабочем диапазоне составляет 0,1 - 0,2 °C. Следует иметь в виду, что большинство приборов работает в температурном диапазоне от 0 °C до 100 °C.

Основные параметры термисторов

Следующие физические параметры являются основными для каждого типа термисторов (приводится расшифровка наименований на английском языке):

• R₂₅ - сопротивление прибора в Омах при комнатной температуре (25 °С ). Проверить эту характеристику термистора просто с использованием мультиметра.
• Tolerance of R₂₅ - величина допуска отклонения сопротивления на приборе от его установленного значения при температуре 25 °С. Как правило, эта величина не превышает 20% от R₂₅.
• Max. Steady State Current - максимальное значение силы тока в Амперах, которое в течение продолжительного времени может протекать через прибор. Превышение этого значения грозит быстрым падением сопротивления и, как следствие, выходом термистора из строя.
• Approx. R of Max. Current - эта величина показывает значение сопротивления в Омах, которое приобретает прибор при прохождении через него тока максимальной величины. Это значение должно быть на 1-2 порядка меньше, чем сопротивление термистора при комнатной температуре.
• Dissip. Coef. - коэффициент, который показывает температурную чувствительность прибора к поглощаемой им мощности. Этот коэффициент показывает величину мощности в мВт, которую необходимо поглотить термистору, чтобы его температура увеличилась на 1 °C. Эта величина имеет важное значение, поскольку показывает, какую мощность нужно затратить, чтобы разогреть прибор до его рабочих температур.
• Thermal Time Constant. Если термистор используется в качестве ограничителя пускового тока, то важно знать, за какое время он сможет остыть после выключения питания, чтобы быть готовым к новому его включению. Так как температура термистора после его выключения спадает согласно экспоненциальному закону, то вводят понятие "Thermal Time Constant" - время, за которое температура прибора уменьшится на 63,2% от величины разности рабочей температуры прибора и температуры окружающей среды.
• Max. Load Capacitance in μF - величина емкости в микрофарадах, которую можно разряжать через данный прибор без его повреждения. Данная величина указывается для конкретного напряжения, например, 220 В.

Как проверить термистор на работоспособность?

Для грубой проверки термистора на его исправность можно воспользоваться мультиметром и обычным паяльником.

Первым делом следует включить на мультиметре режим измерения сопротивления и подключить выходные контакты термистора к клеммам мультиметра. При этом полярность не имеет никакого значения. Мультиметр покажет определенное сопротивление в Омах, его следует записать.

Затем нужно включить в сеть паяльник и поднести его к одному из выходов термистора. Следует быть осторожным, чтобы не сжечь прибор. Во время этого процесса следует наблюдать за показаниями мультиметра, он должен показывать плавно спадающее сопротивление, которое быстро установится на каком-то минимальном значении. Минимальное значение зависит от типа термистора и температуры паяльника, обычно, оно в несколько раз меньше измеренной в начале величины. В этом случае можно быть уверенным в исправности термистора.

Если сопротивление на мультиметре не изменилось или, наоборот, резко упало, тогда прибор является непригодным для его использования.

Заметим, что данная проверка является грубой. Для точного тестирования прибора необходимо измерять два показателя: его температуру и соответствующее сопротивление, а потом сравнивать эти величины с теми, что заявил производитель.

Области применения

Во всех областях электроники, в которых важно следить за температурными режимами, применяются термисторы. К таким областям относятся компьютеры, высокоточное оборудование промышленных установок и приборы для передачи различных данных. Так, термистор принтера 3D используется в качестве датчика, который контролирует температуру нагревательного стола либо головки для печати.

Одним из широко распространенных применений термистора является ограничение пускового тока, например, при включении компьютера. Дело в том, что в момент включения питания пусковой конденсатор, имеющий большую емкость, разряжается, создавая огромную силу тока во всей цепи. Этот ток способен сжечь всю микросхему, поэтому в цепь включают термистор.

Этот прибор на момент включения имел комнатную температуру и огромное сопротивление. Такое сопротивление позволяет эффективно снизить скачок силы тока в момент пуска. Далее прибор нагревается из-за проходящего по нему тока и выделения тепла, и его сопротивление резко уменьшается. Калибровка термистора такова, что рабочая температура компьютерной микросхемы приводит к практическому занулению сопротивления термистора, и падения напряжения на нем не происходит. После выключения компьютера, термистор быстро остывает и восстанавливает свое сопротивление.

Таким образом, использование термистора для ограничения пускового тока является рентабельным и достаточно простым.

Примеры термисторов

В настоящее время в продаже имеется широкий ассортимент товаров, приведем характеристики и области использования некоторых из них:

• Термистор B57045-K с гаечным креплением, имеет номинальное сопротивление 1 кОм с допуском 10%. Используется в качестве датчика измерения температуры в бытовой и автомобильной электроники.
• Дисковый прибор B57153-S, обладает максимально допустимым током 1,8 А при сопротивлении 15 Ом при комнатной температуре. Используется в качестве ограничителя пускового тока.