Полупроводниковые материалы с положительным ткс. Терморезисторы. Виды и устройство. Работа. Параметры

На основе полупроводника, значительно уменьшающий своё сопротивление при понижении температуры. На основе этих данных можно измерять температуру в понятном для микроконтроллёров виде.

Основным материалом для изготовления термистора (с отрицательным ТКС * ) служат поликристаллические оксидные полупроводники (окислы металлов ).

Существует также разновидность терморезисторов (с положительным ТКС * ) – позисторы . Их получают из титана вкупе с бариевой керамикой и редкоземельными металлами. Значительно увеличивают сопротивление при увеличении температуры . Основное применение – температурная стабилизация устройств на транзисторах.

Термистор изобретён Самуэлем Рубеном (Samuel Ruben ) в 1930 году.

Термисторы применяются в микроэлектронике для контроля температур, тяжёлой промышленности , мобильных измерительных устройствах , выполняют функцию защиты импульсных блоков питания от больших зарядных токов конденсаторов & etc .

Очень часто встречаются на компьютерных комплектующих.

Позволяют измерять температуру процессоров, систем питания, чипсетов, и прочих компонентов. Довольно надёжны, хотя не редок заводской брак, когда температура смещена на несколько десятков градусов, либо вообще находится в минусе.

Существуют также термисторы с собственным встроенным подогревом . Служат для ручного включения подогрева и подачи сигнала с резистора о изменении сопротивления, либо для контроля подачи питания сети (при отключении резистор перестанет нагреваться и изменит сопротивление).

Формы и размеры термисторов могут быть разными (диски, бусинки, цилиндры & etc ).

Основными характеристиками полупроводникового термистора являются: ТКС * , диапазон рабочих температур , максимально допустимая мощность рассеяния, номинальное сопротивление .

Термисторы (большинство) выносливы к различным температурам, механическим , к износу от времени, а при определённой обработке и к агрессивным химическим средам .

* Температурный Коэффициент Сопротивления

Большинство рассмотренных выше температурных датчиков не особенно популярны среди радиолюбителей, занимающихся творчеством в домашних условиях или на работе. Причин этого несколько - это и большая себестоимость, существенные размеры и необходимость применять специальные (достаточно сложные) электронные узлы для обеспечения их работы. Электронные конструкции, которые в изобилии предлагают своим читателям журналы по радиоэлектронике, используют в качестве термодат- чиков, в основном, терморезисторы. О них и пойдет речь ниже.

Терморезистор - это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это рези- стивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС - (-6,5…+70)%/С. Тер- морезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывз ния или возрастания его темпера!уоы Однако сам м<*чанизм из менения сопро "^вмо’-‘ия с г емперасурой отличен п. подобно! о явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры], а особенности э»ого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

Известно, что в 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х г одах двадцатого века у оксидов Ге 3 0 4 и UO ? ученые химики обнаружили высокий отрицательный температурный ‘коэффициент со противления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, СоО, соединениями NiO Со? 0 3 -Мп у О¦;. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению о-‘сида меди Мп л 0 4 в соединение Ni0-Mn ; -.0;;.

с отрицательным ГКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов за трудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, го электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда. Другие терморезисторы имеют положитепьный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников называют позисторагии.

Терморезсст^рм с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин о дзумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы St (кремния) как гь тэс и р-типе имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше причем ТКС нрп комнаг-юй температуре примерно равен 0,8% на 1 С,

2. Терморезисторн с большим ТКС -.до 70% на 1 е С), но в более ограниченном диапазоне темпеоятур Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120°С, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например, титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250°С. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большее изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например О…ЮО°С.

Устройство популярных терморезисторов

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Она амбивалентна на температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор. Температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС во всем рабочем интервале температур определяется формулой

Примечание. Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е6 с допуском ±20% (ММТ-1, КМТ-1); ряду Е12 с допусками ±10, ±20% (СТЗ-1).

Максимальная мощность рассеяния: КМТ-1: 1000 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 600 мВт Температурный коэффициент сопротивления: КМТ-1: ~(4,2…8,4)%/°С ММТ-1: -(2,4…5,6)%/°С СТЗ-1: -(3,35…3,95)%/°С Коэффициент температурной чувствительности: КМТ-1: 3600…7200 К ММТ-1: 2060…4300 К СТЗ-1: 2870…3395 К Коэффициент рассеяния: 5 мВт/°С Коэффициент энергетической чувствительности: КМТ-1: 1 мВт ММТ-1, СТЗ-1: 1,3 мВт Постоянная времени: не более 85 с Температура окружающей среды: КМТ-1: от -60 до +155°С ММТ-1, СТЗ-1: от -60 до +125°С Относительная влажность воздуха:

КМТ-1, ММТ-1: до 98% при температуре ±25°С СТЗ-1: до 98%> при температуре +35°С Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.) Минимальная наработка:

КМТ-1, ММТ-1: 15 000 часов СТЗ-1: 5 000 часов Срок сохраняемости:

КМТ-1, ММТ-1: 15 лет СТЗ-1: 12 лет

с отрицательным ТКС прямого подогрева бусинковые

ТР-4 - терморезисторы герметизированные изолированные - предназначены для использования в сигнализаторах уровня жидкости, измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным ТКС.

Масса: не более 0,3 г

Номинальное сопротивление: 1 -10 3 0м±20%.

Максимальная мощность рассеяния: 70 мВт

Коэффициент температурной чувствительности:

Температурный коэффициент сопротивления:

-(1,8…2,2)%/°С

Коэффициент температурной чувствительности: 0,15 мВт

Постоянная времени: не более 3 с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды: от -60 до +200°С

Относительная влажность воздуха: до 98% при +35°С

Пониженное атмосферное давление:

до 0,00013 Па (Ю -6 мм рт. ст.)

Минимальная наработка: 20 000 часов

Срок сохраняемости: 15 лет.

Ограничение по частоте для применения данных терморезисторов в электронных устройствах составляет 1 кГц. В рабочем состоянии терморезисторы могут нагреваться до температуры 150…200°С. В схемах для ограничения пусковых токов (например, электродвигателей) этот прибор включают последовательно с нагрузкой, и нагревание выполняется за счет проходящего в цепи тока.

Кроме вышеперечисленных приборов популярны терморезисторы ТР-10, ТР-15. Пример полного условного обозначения в документации: терморезистор ТР-15-2200 Ом-1,2 Вт-ТУ11-97 АДПК.434.121.012ТУ. В этой аббревиатуре указаны тип, номинальное сопротивление, мощность рассеивания тепла при 25°С, технические условия завода-разработчика и производителя.

В табл. 1.1 приведены некоторые электрические параметры для терморезисторов ТР-15.

Таблица 1.1. Параметры терморезисторов ТР-15

Промежуточные значения номинальных сопротивлений терморезисторов соответствуют ГОСТ 28884-90, то есть могут иметь значения 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 (числовые коэффициенты умножаются на числа 10, 100, 1000). Допустимое отклонение сопротивления ±20%.

При нагреве до максимальной температуры сопротивление терморезисторов уменьшается более чем в 100 раз. Для некоторых приборов (в качестве примера) в табл. 1.2. приведены значения сопротивлений в нагретом состоянии при максимальной мощности рассеивания. Рабочий температурный диапазон для терморезисторов серии TP находится в пределах -60…+155°С. Допустимая мощность рассеяния при температурах выше +25°С пропорционально снижается по линейному закону до 0,25Р тах при максимальной рабочей температуре.

Существуют импортные аналоги, например, терморезисторы фирмы NTC (Negative Temperature Coefficient). Эти приборы выпускаются в различных корпусах, среди которых часть имеет

Таблица 1.2 Изменение со>ч–01ивления терморезистора ТР-15

при максимальном нагреве

крепления — это позволяв упростить задачу коне гру ктора – разработчика. Диапазон рабочих температур для этих приборов -55 , +) /’О С Внешний вид - в виде большой капли. для ограничения пусковых гокоь фирмы МТС представлено’ в габл 1.3.

Пример ночного обозначения зарубежных аналогов; В57 I53-S330-M здесь В?7 – фирменное обозначение терморе знечора. ! 53 S типовое обозначение, 330 кодовое обозна чениа сопротивления ‘де поспедняя цифр,? в обозначении указывает количество пулей, го ее гь УЮ со лвэ п. revei 33 Ом.

– I ОЧИОГ УЬ (;1.20%)

Таблица 1.3. NTC для ограничения пусковых токов

с положительным ТКС - позисторы

СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-1Б - терморезисторы негерметизи- рованные неизолированные - предназначены для измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации, тепловой защиты, ограничения и стабилизации тока в электрических цепях постоянного тока.

Масса: не более 0,7 г

Диапазон номинальных сопротивлений: СТ5-1: 20…150 Ом СТ6-1 А: 40…400 Ом СТ6-1 Б: 180; 270 Ом

Примечание. Допуск для СТ6-1 Б: ±20%.

Максимальная мощность рассеяния: СТ5-1: 700 мВт СТ6-1 А: 1100 мВт СТ6-1Б: 800 мВт

Температурный коэффициент сопротивления, не менее:

СТ5-1: 20%/°С

СТ6-1 А: 10%/°С

СТ6-1Б: 15%/° С

Примерный температурный интервал положительного ТКС:

СТ5-1: от +120 до +200°С

СТ6-1 А: от +40 до +155°С

СТ6-1Б: от +20 до +125°С

Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС: не менее 10 3

Коэффициент рассеяния: 9 мВт/°С

Коэффициент энергетической чувствительности:

СТ5-1: 0,01 мВт

СТ6-1 А: 0,3 мВт

СТ6-1Б: 0,5 мВт

Постоянная времени: не более 20 с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды:

СТ5-1: от-20 до+200°С

СТ6-1 А: от -60 до +155°С

СТ6-1 Б: от -60 до +125°С

Относительная влажность воздуха при +25°С:

СТ5-1: до 85%

СТ6-1А, СТ6-1Б: до 98%

Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.)

Минимальная наработка:

СТ5-1: 3 000 часов

СТ6-1 А, СТ6-1 Б: 10 000 часов

Срок сохраняемости:

СТ5-1: 3 года

СТ6-1 А, СТ6-1Б: 10 лет

Особенности применения терморезисторов

При монтаже всех типов терморезисторов рекомендуется применять припой марки ПОС-61 (ГОСТ 21930-76). При пайке температура припоя должна быть 260±5°С, а время пайки не более 4 секунд. Пайка выводов терморезисторов должна производиться не ближе 10 мм от его корпуса.

На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах (холодильных камерах), автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для устройства размагничивания кинескопа. Самые первые устройства, где применялись терморезисторы - датчики для измерения и регулирования температуры. массово используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После модификации их можно использовать для изменения времени задержки в широком интервале, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности. Также они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. Применение терморезисторов в военной технике актуально и значимо. являются составной частью электронных систем контроля за температурой ракет стратегического назначения. В противопожарной технике действуют температурные датчики. Датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу - открытый терморезистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой терморезистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее. При стабильных условиях оба терморезистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. Такой принцип действия называется «реакцией на скорость повышения температуры». Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Однако эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым терморезистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает определенный порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.

Применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени т, плохая стабильность в определенных условиях и т.д. Еще одна область применения терморезисторов - температурная компенсация электрических цепей в широком диапазоне температур. Такие электрические схемы популярны среди радиотехников и встречаются в усилителях мощности НЧ и многоплановых универсальных автоматических устройствах, предназначенных для применения в быту.

И относятся к категории приборов на основе полупроводников. Данные устройства получили широкое применение в электротехнике. Они изготавливаются из специальных полупроводниковых материалов с высоким отрицательным температурным коэффициентом. Во многих приборах используется термистор принцип работы которого основан на зависимости электрического сопротивления от температуры. Качество любого прибора, прежде всего, зависит от физических свойств полупроводника, а также от форм и размеров самого терморезистор а.

Термисторы: устройство и принцип работы

Термистор представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Эти устройства изготавливаются в виде полупроводниковых стержней и покрываются защитным слоем эмалевой краски.

Соединение с другими деталями осуществляется с помощью контактных колпачков и выводов, для которых подходит только сухая среда. Для размещения некоторых моделей термисторов используется металлический герметичный корпус. В этом случае они становятся устойчивыми к любым агрессивным воздействиям и могут эксплуатироваться даже при высокой влажности в помещении.

Для того чтобы конструкция устройства была герметичной, применяется стекло и олово. Рабочие качества термисторов улучшаются, когда для оборачивания стержней применяется металлическая фольга. Токоотводы изготавливаются из никелевой проволоки. Номинальные значения сопротивления в различных устройствах находятся в пределах 1-200 кОм, а диапазон температур составляет от -100 до +1290С.

Работа термисторов основана на свойствах отдельных видов проводников, изменять показатели сопротивления под действием различных температур. Основными проводниками, используемыми в этих приборах, является медь и платина в чистом виде. Следует отметить, что значение отрицательного температурного коэффициента термисторов значительно превышает такие же параметры, свойственные обычным металлам.

Применение термисторов

Терморезистор ы применяемые в качестве датчиков, могут работать в двух режимах. В первом случае температурный режим зависит лишь от температуры окружающей среды. Значение тока, проходящего через термистор, очень мало и нагревания устройства практически не происходит. Второй режим предполагает нагревание термистора электрическим током, проходящим внутри него. В данном случае значение температуры будет зависеть от различных изменяющихся условий тепловой отдачи. Это может быть плотность газовой среды, окружающей прибор, интенсивность обдува и другие факторы.

Каждый термистор, принцип работы которого основан на снижении сопротивления при повышении температуры, используется в определенных сферах электротехники. Они применяются для измерения и компенсации температуры, в крупных бытовых электроприборах - холодильниках и морозильных камерах, посудомоечных машинах и другой технике. Эти устройства нашли широкое применение в автомобильной электронике. С их помощью измеряется температура охлаждающей жидкости или масла, а также температурные показатели других элементов автомобиля.

В кондиционере термисторы устанавливаются в тепловом распределителе. Кроме того, они используются в качестве датчика слежения за температурой в комнате. С помощью термисторов осуществляется блокировка дверей нагревательных приборов, они устанавливаются в нагреватели теплых полов и в газовые котлы. Терморезисторы применяются, когда нужно определить уровень нестандартных жидкостей, например, жидкого азота. В целом, они получили самое широкое распространение в промышленной электронике.

ЛАБОРАТОРНАЯ РОБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ : Изучить характеристики и свойства полупроводниковых тер­мосопротивлений. Получить экспериментальные вольт-амперную и температур­ную характеристики для полупроводникового термосопротив­ления. На основании полученных экспериментальных характеристик рассчитать характеристику рассеивания.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Полупроводниковые нелинейные резисторы - изделия электронной техники, основное свойство которых заключается в способности из­менять свое электрическое сопротивление под действием управляю­щих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля по нели­нейному закону. Нелинейные резисторы имеют резко выраженную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и в зависимости от парамет­ра, на который они реагируют, называются терморезисторами, ва­ристорами и магниторезисторами соответственно. Полупроводниковые термосопротивления (терморезисторы, термисторы, ПТС) являются сравнительно новым элементом автоматических устройств, и область их применения непрерывно расширяется. В настоящее время ПТС при­меняются в качестве датчиков температуры, термокомпенсаторов, стабилизаторов напряжения, ограничителей пускового тока в элект­роаппаратуре и т.д.

Материалом для изготовления термосопротивлений обычно служат прессованные и обожженные после тонкого измельчения окислы или карбиды некоторых материалов (марганца, титана, меди, никеля, ванадия, урана и др.). Существуют так же термосопротивления, из­готовленные из чистых полупроводниковых материалов: кремния, германия и др.

Форма термисторов самая разнообразная: цилиндры, диски, плос­кие прямоугольники, шайбы, миниатюрные бусинки и др. (рис.5.1 а-в). Рабочее тело полупроводникового термистора с подсоединенными вы­водами покрывают слоем лака или эмали и помещают в защитный ме­таллический или стеклянный баллон, заполненный инертным газом или находящийся под вакуумом.

Терморезисторы классифицируют по характеру температурного ко­эффициента, способу защит, конструкции, наличию подогревательно­го элемента и назначению.

Сокращенное условное обозначение состоит из сочетания букв, обозначающих подкласс резисторов: ТР - терморезистор с отрица­тельным ТКС, ТРП - терморезистор с положительным ТКС (позистор).

Цифра, стоящая после дефиса, означает порядковый номер разра­ботки конкретного типа. Например: ТР-2-33 кОм ± 20% - это термо­резистор с отрицательным ТКС, порядковый номер разработки - 2, номинальное сопротивление 33 кОм, допуск ±20%.

Рис. 5.1. Внешний вид и основные размеры терморезисторов

Классификация терморезисторов

На рис.5.2. показано устройство полупроводниковых термосопро­тивлений типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5. ПТС ММТ-1 представляет собой полупроводниковый стержень 1, покрытый эмалевой краской, с кон­тактными колпачками 2 и выводами 3. Этот тип ПТС может быть использован лишь в сухих помещениях.

типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5

Термосопротивления ММТ-4 и ММТ-5 монтируются в металлических чехлах (капсулах) и герметизируются, благодаря чему они могут быть использованы в условиях влажности и любой среды, не являю­щейся агрессивной относительно корпуса термосопротивления. По­лупроводниковый стержень 1 с контактным колпачком заключен в за­щитный металлический чехол 2. Герметизация осуществляется стек­лом 3 и оловом 4. Рабочий стержень в ММТ-4 обернут металлической фольгой 5. Эти ПТС выпускаются на номинальные значения сопротив­ления от 1 кОм до 200 кОм (при 20 o C) и пригодны для работы в ди­апазоне температур от -100 o C до +120 o C.

Наряду с новыми встречаются терморезисторы прошлых лет разра­ботки. Например: ММТ - медно-марганцевые, впоследствии стали обозначаться СТ2; КМТ - кобальто-марганцевые, впоследствии - СТ1. Более поздние разработки имеют обозначения:

СТ3 - медно-кобальто-марганцевые;

СТ4 - никель-кобальто-марганцевые;

СТ9 - на основе двуокиси ванадия VO 2 .

Позисторы:

СТ5 - на основе титаната бария, легированного германием;

СТ6 - на основе легированных твердых растворов в системе

BaTiO 3 -BaSnO 3 ;

СТ10 - на основе системы (Ba, Sr) TiO 3 .

Особый интерес представляют миниатюрные ПТС, применяемые для измерения температуры малых объектов и для измерения температур, изменяющихся во времени. Миниатюрные ПТС обладают малой тепловой инерцией: порядка десятых долей секунды.

ПТС бусинкового типа марок Т8Д, Т8С и Т9 выполнены в виде ма­ленького шарика из полупроводникового материала, к которому прикреплены тонкие вольфрамовые выводы. Шарик с выводами помешен в стеклянный баллон диаметром около 3 мм и длиной 7-9 мм.

Терморезисторы, которые используются в качестве стабилизато­ров напряжения, обозначаются ТП2/0.5; ТП2/2; ТП6/2, где ТП - терморезистор прямого подогрева. Цифра в числителе указывает но­минальное значение напряжения в вольтах, цифра в знаменателе - среднюю силу рабочего тока в миллиамперах.

Полупроводниковые резисторы старых разработок, которые ис­пользуются в качестве измерителей СВЧ-мощности, обозначаются Т8, Т9, ТШ-1 и ТШ-2. Буква Ш обозначает малую шунтирующую емкость. Более поздние разработки обозначаются СТ-3-29 и СТ-3-32.

Различают терморезисторы прямого и косвенного подогрева. Тер­морезисторы, сопротивление которых изменяется при прохождении тока непосредственно через термочувствительный элемент и измене­нии температуры окружающей среды, называют терморезисторами пря­мого подогрева. Если же сопротивление изменяется при прохождении тока через специальный подогреватель, расположенный в непосредс­твенной близости от термочувствительного элемента, и изменении температуры окружающей среды, то такие изделия называют терморе­зисторами косвенного подогрева.

Терморезисторы косвенного подогрева старых разработок для систем регулирования с глубокой обратной связью обозначаются ТКП-20, ТКП-50 и ТКП-350, где цифры указывают значение сопротив­ления в омах при номинальной мощности, рассеиваемой в подогрев­ной обмотке. Позднее для этих целей были разработаны терморезис­торы СТ1-21, СТ3-21, СТ1-27 и СТ3-27.

На рис.5.3 показаны температурные характеристики (зави­симость сопротивления от температуры) медного и полупроводнико­вого (типа ММТ) термосопротивлений, из сравнения которых видно, что полупроводниковые терморезисторы обладают большей чувстви­тельностью.

Рис. 5.3 Кривые зависимости сопротивления от температуры медного (1)

и полупроводникового (2) термосопротивлений

Рис.5.4. Условные обозначения термисторов в электрических схемах

Сопротивление ПТС при нагревании может либо уменьшаться (тер­морезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопро­тивления (ТКС)), либо увеличиваться (терморезисторы с положи­тельным ТКС - позисторы). Это значение составляет 2...8% на 1 о С (рис.5.5).

На практике чаще используются термисторы с отрицательным ТКС, т.е. когда сопротивление ПТС уменьшается при повышении темпера­туры. Температурная характеристика является основной характерис­тикой терморезистора, в значительной мере определяющей остальные характеристики этих изделий.

Рис.5.5. Температурные зависимости сопротивления ПТС с отрицательным (а)

и положительным (б) ТКС

Сопротивление термистора при любой температуре можно рассчи­тать, пользуясь зависимостью:

где Т - температура в градусах Кельвина (T=273+t o C),

A и B - коэффициенты, постоянные для данного типа ПТС.

Для позисторов зависимость сопротивления от температуры можно рассчитать по выражению:

где a - ТКС при температуре t o C.

Температурный коэффициент термистора для ПТС с отрицательным ТКС можно выразить следующим образом:

т.е. он отрицателен и обратно пропорционален квадрату абсолютной температуры (см. рис.5.3).

При значительных диапазонах изменения температур, сопротивле­ние полупроводниковых термисторов изменяется в сотни и тысячи раз, тогда как для меди изменение сопротивления происходит в де­сятки раз. Поэтому термисторы являются чрезвычайно чувствитель­ными элементами и при соответствующей измерительной схеме они реагируют на сотые и даже тысячные доли градусов.

Коэффициент B обычно определяется по двум экспериментальным значениям сопротивления ПТС, замеренным при 20 и 100 о С:

Достоинство термисторов - их высокое удельное (до 1000 Ом×см) и общее электрическое сопротивление. Общее электрическое сопро­тивление значительно превышает сопротивление соединительных про­водов, которыми они подключаются к вторичным измерительным при­борам. Поэтому колебания сопротивления соединительных проводов не вносят существенных погрешностей в результат измерения. Важной характеристикой ПТС является вольт-амперная характе­ристика) (рис.5.6), вид которой зависит от сопротивления термочувс­твительного элемента, его конструкции, габаритных размеров, сте­пени тепловой связи между терморезистором и окружающей средой, а также ее температуры.

Рис.5.6. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) терморезисторов

Рассмотрим более подробно ВАХ термистора с отрицательным ТКС. ВАХ терморезистора характеризуется тремя основными участками: ОА, АВ и ВС (рис.5.7а). При достаточно малых токах, когда мощность развиваемая в ПТС, слишком мала, чтобы заметно его нагреть, вы­полняется закон Ома. Поэтому вольт-амперная характеристика на участке ОА линейна. На участке АВ линейность нарушается. С рос­том тока температура терморезистора повышается, а его сопротивление (вследствие увеличения числа электронов и дырок проводи­мости в материале полупроводника) уменьшается. При дальнейшем увеличении тока на участке ВС уменьшение сопротивления оказыва­ется столь большим, что увеличение тока не приводит к изменению напряжения. Это позволяет использовать некоторые типы ПТС для стабилизации напряжения.

Основным недостатком ПТС является большой разброс температур­ных характеристик отдельных экземпляров одного и того же типа. Поэтому приходится прибегать к экспериментальному определению сопротивлений ПТС при температурах рабочего диапазона и по ним строить температурную характеристику для каждого образца. Затем ПТС можно использовать в какой-либо измерительной схеме.

На рис.5.7,а показано возникновение релейного эффекта при изме­нении условий окружающей среды.

Рис.5.7. Возникновение релейного эффекта при изменении темпера­туры (а)

и при изменении приложенного напряжения (б)

Уменьшение температуры приводит к плавному уменьшению тока до значения I1 в точке 4 и далее - к скачкообразному уменьшению то­ка до I1 (точка 1). Это явление называют обратным релейным эф­фектом.

На рис.5.7,б показано возникновение релейного эффекта при изме­нении приложенного напряжения.

При напряжении источника Е1 режим работы цепи определяется точкой 1. При увеличении напряжения до Е2 рабочая точка перехо­дит в положение 2, и достаточно небольшого увеличения напряже­ния, чтобы рабочая точка скачком переместилась в положение 3, что соответствует резкому увеличению тока от I2 до I3.

Выбор рабочей точки термистора при измерении температуры мож­но осуществить по ВАХ (рис.5.8), где нанесены линии постоянных температур рабочего тела ПТС, которые можно рассматривать, как линии постоянных статических сопротивлений. Все эти линии явля­ются лучами, выходящими из начала координат. Тангенс угла нак­лонного луча, равный статическому сопротивлению при данной тем­пературе рабочего тела ПТС, определяется законом Ома.

Действительно, при протекании тока через ПТС выделяется теп­ло, температура рабочего тела ПТС становится выше температуры окружающей среды, а это в соответствии с формулой (1) ведет к уменьшению сопротивления ПТС. При достижении некоторой критичес­кой точки В (рис.5.7) этот процесс реализуется, что приводит к уменьшению падения напряжения на ПТС при увеличении тока, идуще­го через него. На этом участке характеристики температура рабо­чего тела ПТС определяется, главным образом, рассеиваемой мощ­ностью.

Рис.5.8 Построение вольт-амперной характеристики

При использовании ПТС в качестве измерителей температуры ра­бочим участком вольт-амперной характеристики является ее линей­ная часть. Однако, во многих других случаях используется нели­нейная часть характеристики (например, в ограничителях пускового тока, стабилизаторах напряжения и т.п.).

Для каждой точки вольт-амперной характеристики могут быть оп­ределены статические R и динамические r сопротивления:

Статическое сопротивление всегда положительно и убывает с по­вышением тока; динамическое сопротивление положительно при I>I кр и отрицательно при I.