Термистор - что это такое? Характеристики и их применение
Термисторы являются неотъемлемой частью современной электроники. Эти полупроводниковые приборы позволяют точно контролировать температурные режимы в электронных устройствах. Но что же представляют собой термисторы? Давайте разберемся!
Определение термистора и история изобретения
Термистор (от англ. thermistor — temperature-sensitive resistor) — это полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно зависит от температуры. Термисторы также называют терморезисторами или термосопротивлениями.
Термистор был изобретен в 1930 году американским инженером Самюэлем Рубеном в лаборатории Westinghouse Electric. Первые термисторы использовались в телефонных станциях для компенсации температурного дрейфа характеристик электронных схем.
Принцип действия термисторов
В основе работы термисторов лежит температурная зависимость электрического сопротивления используемых полупроводниковых материалов. Как правило, это оксиды или сульфиды переходных металлов, легированные полупроводники на основе германия, кремния и пр.
В отличие от металлических термометров сопротивления, где сопротивление растет с повышением температуры, в термисторах наблюдается обратная картина. По мере нагрева термистора его электрическое сопротивление уменьшается, а при охлаждении - возрастает. Таким образом, зная величину сопротивления, можно определить температуру термистора.
Типы термисторов и их свойства
Различают два основных типа термисторов:
- NTC (отрицательный температурный коэффициент) - сопротивление уменьшается с ростом температуры
- PTC (положительный температурный коэффициент) - сопротивление увеличивается при нагреве
NTC-термисторы изготавливают на основе оксидов переходных металлов, полупроводниковых стекол, кремния и германия. Они применяются для измерения температуры, компенсации температурных изменений параметров электронных цепей, защиты от больших пусковых токов.
PTC-термисторы (позисторы) делаются на основе титаната бария. Их используют для саморегулирующегося электрического нагрева, термозащиты электрооборудования.
Области применения термисторов
Термистор - что это такое? Это полезная штука, находящая множество применений в технике.
- Измерение температуры (датчики)
- Компенсация температурного дрейфа характеристик радиоэлектронной аппаратуры
- Ограничение бросков тока в импульсных источниках питания
- Защита от перегрузок и контроль предельных температур в электрооборудовании
- Системы пожарной и охранной сигнализации
NTC-термисторы часто используются для измерения температуры жидкости в двигателе автомобиля, в холодильниках и стиральных машинах. Термистор стиральной машины контролирует температуру воды для эффективной стирки. PTC-термисторы применяются в саморегулирующихся нагревательных элементах, например в паяльниках или электрочайниках.
Параметры и характеристики термисторов
Основными параметрами термисторов являются:
- термистор сопротивление при заданной температуре (как правило, 25°С)
- ТКС - температурный коэффициент сопротивления, показывает, на сколько процентов изменится сопротивление при изменении температуры на 1°С
- Допустимая мощность рассеяния
- Рабочий температурный диапазон
Эти параметры термистора определяют область применения термистора и режимы его эксплуатации.
| Параметр | Значение |
| Сопротивление при 25°C | 10 кОм ±5% |
| ТКС | -4%/°C |
На примере таблицы видно, что сопротивление данного термистора при нагреве на 1°C уменьшается на 4%.
Маркировка и схемные обозначения
Для обозначения термисторов на принципиальных электрических схемах используется условное графическое изображение резистора с добавлением буквы Т или термосимвола.
Буквенно-цифровая маркировка термисторов может нести информацию о их параметрах. Например:
- 2D - термистор с рабочей температурой до 45°С
- 103AT - значение сопротивления 10 кОм
По маркировке нужно выбирать подходящий термистор для конкретного применения.
Выбор термистора
Термистор - что это такое - часто задаваемый вопрос при подборе электронных компонентов. Необходимо выбирать термистор с соответствующим диапазоном рабочих температур и значением сопротивления.
Если термистор используется как датчик температуры, то он должен иметь нужный температурный диапазон измерений и достаточно большой отрицательный ТКС.
Для ограничения пусковых токов подойдет дешевый угольный термистор с номиналом порядка 5-20 Ом.
Проверка термистора
Чтобы удостовериться в исправности термистора можно выполнить простую проверку с помощью омметра:
- Измерить сопротивление термистора при комнатной температуре
- Поднести к термистору источник тепла (например, зажигалку)
- Снова измерить сопротивление
Если при нагреве сопротивление NTC термистора уменьшилось, а PTC - выросло, значит термистор исправен.
Применение термисторов в автомобилях
В автомобилях термисторы применяются как датчики температуры жидкости в системе охлаждения двигателя. Они позволяют контролировать перегрев и вовремя включать вентилятор радиатора.
Также термистор может входить в состав датчика расхода воздуха, поступающего в двигатель для определения оптимального соотношения топлива и воздуха.
Перспективы развития термисторов
Создание наноразмерных термисторов позволит значительно расширить области их применения. Такие миниатюрные термисторы смогут использоваться для бесконтактного измерения температуры микрообъектов, например клеток и наночастиц.
Улучшение технологий производства термисторов приведет к появлению более дешевых и надежных термисторов для массового применения в бытовой технике и электронных устройствах.
Влияние температуры на параметры термистора
Температура оказывает существенное влияние на сопротивление и другие электрические характеристики термисторов. По мере нагревания NTC термистора его сопротивление падает, а для PTC термистора - наоборот, увеличивается.
Кроме сопротивления от температуры зависят такие параметры как:
- Напряжение питания и рабочий ток
- Быстродействие и время отклика
- Точность измерений и стабильность параметров
- Максимальная мощность рассеяния
Поэтому для корректной работы термистора необходимо обеспечить температурный режим, указанный в спецификации производителя.
Недостатки и ограничения термисторов
Несмотря на широкое применение, у термисторов есть некоторые недостатки:
- Высокий температурный гистерезис и нелинейность
- Зависимость параметров от старения материала
- Невзаимозаменяемость "бусинковых" термисторов
- Большие погрешности измерений по сравнению с термопарами
Эти ограничения нужно учитывать при выборе термистора для конкретных применений, особенно в ответственных измерительных системах.
Защита и усиление сигнала термистора
Для защиты от электромагнитных помех и усиления слабых сигналов от термисторных датчиков температуры используются специальные схемы.
Для усиления часто применяют операционные усилители. Они позволяют получить выходной сигнал нужного уровня для дальнейшей обработки.
Для подавления помех используют RC-фильтры нижних частот, а также экранирование соединительных проводов.
Моделирование характеристики термистора
Характеристику "сопротивление-температура" термисторов часто описывают при помощи математических моделей. Например, уравнение Стейнхарта-Харта:
R = R0 * exp(B * (1/T - 1/T0))
где R - сопротивление при температуре Т, R0 - сопротивление при T0, B - постоянная термистора.
Используя такую модель и зная параметры конкретного термистора, можно рассчитать его характеристику для заданного температурного диапазона.