Терморезистор — полупроводниковый элемент с меняющимися характеристиками (по сопротивлению) в зависимости от температуры. Изделие изобрели в 1930 году, а его создателем считается известный ученый Самуэль Рубен. При получении главного резистивного элемента применяются оксиды некоторых металлов, галогениды и халькогениды. Для изготовления используется медь, никель, марганец, кобальт, германий, кремний и другие вещества.
В процессе производства полупроводнику придется разная форма. Есть терморезисторы в виде тонких трубок, крупных шайб, тонких пластинок или небольших круглых элементов. Некоторые детали имеют габариты, исчисляемые несколькими микронами. Основные виды терморезисторов — термисторы и позисторы (с отрицательным и положительным ТКС (температурный коэффициент сопротивления) соответственно. В термисторах с ростом температуры сопротивление падает, а позисторах, наоборот, увеличивается.
Где используется (сфера применения)
Терморезисторы активно применяются в разных сферах, тесно связанных с электроникой. Они особенно важных при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима. Такой подход актуален для компьютерных технологий, устройств передачи информации, высокоточного промышленного оборудования и т. д. Распространенный способ применения терморезисторов — ограничение токов, возникающих в процессе пуска аппаратов.
Типы по принципу действия
Терморезисторы различаются по принципу действия. Выделяется два типа:
- КОНТАКТНЫЕ. К этой категории относятся термопары, термодатчики, заполненные термометры и термометры биметаллического типа.
- БЕСКОНТАКТНЫЕ. В эту группу входят терморезисторы, построенные на инфракрасном принципе действия. Они активно применяются в оборонной сфере, благодаря способности выявлять тепловое излучение ИК и оптических лучей (выделяются газами и жидкостями).
Базовые характеристики терморезисторов
При оценке терморезисторов нужно учесть и проанализировать их характеристики:
- Вольтамперная характеристика — кривая на графике, показывающая зависимость напряжения на образце от проходящего через терморезистор тока. График рисуется с учетом теплового равновесия с окружающей природой. Для позисторов и термисторов графики различаются.
- Температурная характеристика. При построении графика снимается зависимость сопротивления от температуры в определенном режиме. По оси R выставляется параметр по принципу десятикратного увеличения (10Х), а по оси времени пропускается участок в диапазоне от нуля до 223 Кельвинов.
- Подогревная характеристика. С помощью графика можно увидеть параметры термических резисторов, работающих на косвенном принципе. Иными словами, кривая отражает зависимость сопротивления детали от подаваемой к нему мощности. При указании графика масштаб по сопротивлению берется с учетом 10Х.
Общий принцип действия
Терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды.
В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала.
При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов.
Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали.
Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре.
Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.
При росте температуры атомы двигаются активнее. При таких обстоятельствах исходный актом быстрее столкнется с другим элементом. В результате возникает дополнительное сопротивление.
После снижения рабочей температуры электроны «падают» в нижние валентные уровни и переходят в невозбужденное состояние. Иными словами, они меньше перемещаются и не создают такого сопротивления.
В случае повышения температуры растет и показатель R. Но здесь нужно учесть тип терморезистора, от которого зависит принцип повышения и роста сопротивления при изменении температурного режима.
NTC
Терморезисторы NTC — изделия, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Их особенность — повышенная чувствительность, высокий температурный коэффициент (на один или два порядка выше, чем у металла), небольшие габариты и широкий температурный диапазон.
Полупроводники NTC удобны в применении, стабильны в работе и способны выдерживать большую перегрузку.
Особенность NTC в том, что их сопротивление увеличивается при снижении температуры. И наоборот, если t снижается, параметр R растет. При изготовлении таких деталей применяются полупроводники.
Принцип действия прост. При повышении температуры число носителей заряда резко растет, и электроны направляются в зону проводимости. При изготовлении детали, кроме полупроводников, могут применяться и переходные металлы.
При анализе NTC нужно учесть бета-коэффициент. Он важен в случае, если изделие применяется при измерении температуры, для усреднения графика и вычислений с помощью микроконтроллеров.
Как правило, термисторы NTC применяются в температурном диапазоне от 25 до 200 градусов. Следовательно, их можно использовать для измерений в указанном пределе.
Отдельного нужно рассмотреть сфера их использования. Такие детали имеют небольшую цену и полезны для ограничения пусковых токов при старте электрических двигателей, для защиты Li аккумуляторов, снижения зарядных токов блока питания.
Терморезистор NTC также используется в автомобиле — датчик, применяемый для определения точки отключения и включения климат-контроля в машине.
Еще один способ применения — контроль температуры двигателя. В случае превышения безопасного предела, подается команда на реле, а дальше двигатель глушится.
Не менее важный элемент — датчик пожара, определяющий рост температуры и запускающий сигнализацию.
Терморезисторы NTC обозначаются буквами или имеют цветную маркировку в виде полос, колец или других обозначений. Варианты маркировки зависят от производителя, типа изделия и других параметров.
Пример обозначения 5D-20, где первая цифра показывает сопротивление терморезистора при 25 градусах Цельсия, а расположенная рядом с ней цифра (20) — диаметр.
Чем выше этот параметр, тем большую мощность рассеивания имеет изделие. Чтобы не ошибиться в маркировке, рекомендуется использовать официальную документацию.
PTC
В отличие от рассмотренных выше терморезисторов, PTC — термисторы, имеющие положительный коэффициент сопротивления. Это означает, что в случае нагрева детали увеличивается и ее сопротивление. Такие изделия активно применялись в старых телевизорах, оборудованных цветными телескопами.
Сегодня выделяется два типа PTC-терморезисторов (от числа выводов) — с двумя и тремя отпайками. Отличие трехвыводных изделий заключается в том, что в их состав входит два позитрона, имеющих вид «таблеток», устанавливаемых в одном корпусе.
Внешне может показаться, что эти элементы идентичны, но на практике это не так. Одна из «таблеток» имеет меньший размер. Отличается и сопротивление — от 1,3 до 3,6 кОм в первом случае, и от 18 до 24 Ом для второй такой таблетки.
Двухвыводные терморезисторы производятся с применением полупроводникового материала (чаще всего Si — кремний). Внешне изделие имеет вид небольшой пластинки с двумя выводами на разных концах.
Терморезисторы PTC применяются в разных сферах. Чаще всего их используют для защиты силового оборудования от перегруза или перегрева, а также поддержания температуры в безопасном режиме.
Главные направления применения:
- Защита электрических двигателей. Задача изделия состоит в защите обмотки от перегорания при клине ротора или в случае поломки системы охлаждения. Позистор играет роль датчика, подключаемого к управляющему прибору с исполняющим реле, контакторами и пускателями. При появлении форс-мажорной ситуации сопротивление растет, а сигнал направляется к управляющему элементу, дающему команду на отключение мотора.
- Защита трансформаторных обмоток от перегрева или перегруза. В такой схеме позистор устанавливается в цепи первичной обмотки.
- Нагревательный узел в пистолетах для приклеивания.
- В машинах для нагрева тракта впуска.
- Размагничивание ЭЛТ-кинескопов и т. д.
Где находится на схеме
Отображение терморезистора на схеме может различаться. Изделие легко найти по обозначениям t и t0. Внешне оно отражается как сопротивление, через которое проходит полоска по диагонали с «подставкой» под t0 снизу. Главные обозначения — R1, TH1 или RK1.
Если возникают сомнения в сфере применения, терморезистор можно нагреть и посмотреть на его поведение. Если сопротивление будет меняться, это нужный элемент.
Терморезисторы используются почти везде — в плате зарядного устройства, в автомобильных усилителях, блоках питания ПК, в Li-Ion аккумуляторах и других устройства. Найти их на схеме не трудно.
SMD и встроенные терморезисторы
Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:
- SMD — детали с особым типом монтажа (для внешнего крепления). Внешне они не сильно отличаются от конденсаторов SMD, изготовленных из керамики. Габариты соответствуют стандартному ряду — 1206, 0805, 0603 и т. д. По виду отличить такие изделия от терморезисторов SMD почти невозможно.
- Встроенные. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.
Принцип работы терморезисторов
Терморезисторы (термисторы) представляют собой полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой, отличительной особенностью которых является резко выраженная температурная зависимость электрического сопротивления в диапазоне от -100 до 200 °С.
Наибольшее распространение получили терморезисторы, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры, т. е. терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Вместе с тем, существуют резисторы, сопротивление которых возрастает с ростом температуры. Их обычно называют позисторами. Позисторы изготавливают на основе титанато-бариевой керамики.
Рассмотрим терморезисторы с отрицательным ТКС, изготовляемые из полупроводниковых материалов. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами –– увеличением концентрации носителей заряда или увеличением их подвижности, а также фазовыми превращениями.
Первое явление характерно для терморезисторов, изготовленных из германия, кремния, карбида кремния, соединений типа АΙΙΙВV и др. Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как относительно слабым изменением их подвижности в большинстве случаев можно пренебречь.
При абсолютном нуле температуры все энергетические уровни валентной зоны невырожденного полупроводника заняты электронами. В этом случае валентные электроны не могут участвовать в электрическом токе, так как любое их движение связано с увеличением энергии и, следовательно, с переходом на более высокий энергетический уровень, что невозможно в пределах валентной зоны. Поэтому при Т = 0 К полупроводник подобен изолятору, и его проводимость равна нулю. Для перехода электрона в зону проводимости беспримесного полупроводника необходимо передать ему энергию, равную ширине запрещенной зоны ∆Еg. Такую энергию валентные электроны могут получить, если кристалл нагреть до некоторой температуры. Благодаря наличию свободных уровней в зоне проводимости, перешедшие туда электроны смогут двигаться под действием электрического поля. Заметим, что проводимость полупроводника в данном случае будет обусловлена не только наличием электронов в зоне проводимости, но и появлением дырок в валентной зоне.
Вероятность переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости, а, следовательно, и число образовавшихся свободных электронов и дырок значительно (по экспоненциальному закону) возрастают с увеличением температуры:
где ni – концентрация свободных электронов (индекс i указывает на то, что полупроводник собственный; заметим, что в собственном полупроводнике концентрация свободных дырок p = ni);
∆Εg – ширина запрещенной зоны, которая, строго говоря, сама зависит
от температуры;
Т – абсолютная температура;
k – постоянная Больцмана.
Если в полупроводнике имеются примеси, то это приводит к образованию энергетических уровней внутри запрещенной зоны. Примесные атомы даже при относительно низких температурах могут поставлять электроны в зону проводимости (в этом случае примесь называется донорной, а полупроводник - n-типа) или дырки в валентную зону (примесь называется акцепторной, а полупроводник - p-типа), так как требуемая для этого энергия обычно значительно меньше ширины запрещенной зоны. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа от температуры показана на рис. 1.
Большую часть терморезисторов, выпускаемых промышленностью, изготавливают из поликристаллических оксидных полупроводников, в которых преобладает ионная связь. Электропроводность этих материалов отличается от электропроводности рассмотренных выше ковалентных полупроводников. Как правило, полупроводниками являются оксиды переходных металлов, для которых характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. При образовании такого оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность оксидных полупроводников объясняется обменом электронами между этими ионами. Так как энергия, необходимая для такого обмена, невелика, все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию постоянной при температурах в рабочем для терморезистора диапазоне.
Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в оксидном полупроводнике оказывается довольно низкой и экспоненциально возрастает с ростом температуры. В результате зависимость сопротивления оксидного полупроводника от температуры оказывается такой же, как у ковалентных полупроводников, но она обусловлена не изменением концентрации свободных носителей заряда, а изменением их подвижности.
В оксидах ванадия V2O4 и V2O3, в отличие от рассмотренных выше полупроводников, причиной значительного (на несколько порядков) изменения их сопротивления является фазовый переход при температурах 68 и -110 °С соответственно. На основе этих оксидов созданы терморезисторы с очень большим температурным коэффициентом сопротивления.
Схематическое изображение температурной зависимости концентрации электронов в примесном (донорном) и собственном полупроводниках
Форма термисторов
- плоская пластина;
- диск;
- стержень;
- шайба;
- трубка;
- бусинка;
- цилиндр.
Самые маленькие терморезисторы в виде бусинок. Их размеры меньше 1 миллиметра, а характеристики элементов отличаются стабильностью. Недостатком является невозможность взаимной подмены в электрических схемах.
Классификация терморезисторов по числу градусов в Кельвинах:
- сверх высокотемпературные — от 900 до 1300;
- высокотемпературные — от 570 до 899;
- среднетемпературные — от 170 до 510;
- низкотемпературные — до 170.
Максимальный нагрев хоть и допустим для термоэлементов, но сказывается на их работе ухудшением качества и появлением значительной погрешности в показателях.
Разновидности терморезисторов
1. Термистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.
2. Позистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.
3. Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.
4. Терморезистор косвенного подогрева, разогревается от специального дополнительного встроенного нагревателя.
5. Болометр – терморезистор, чувствительный к воздействию теплового и оптического излучений, содержащий в своем составе активную и компенсационную части.
Оставить комментарий: