Применение.

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. Терморезисторы находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах, автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для размагничивания кинескопа.

Самые первые устройства, где применялись терморезисторы – это датчики для измерения или регулирования температуры

Терморезисторы широко используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После соответствующей модификации их можно применять в электронных устройствах задержки с достаточно широким интервалом времен задержки, 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.

Итак, терморезисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без терморезисторов. Они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. В противопожарной технике существуют стандартные температурные датчики. Подобный датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в белом 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 терморезистора. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. В дальнейшем такой принцип действия будет называться “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 порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.

Конечно же, применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени τ, плохая стабильность в определенных условиях и т.д.

В примерах терморезисторов были указаны цели использования некоторых терморезисторов, среди них и температурная компенсация электрических цепей в широком диапазоне температур – еще одна область применения терморезисторов.

Терморезистор (термистор) - активное полупроводниковое нелинейное сопротивление, величина которого R_Т резко зависит от температуры. Существуют термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_Т (ОТ) и положительным (ПТ).

Наиболее распространены отрицательные термисторы (ОТ), для которых R_Т(Т) и α_Т (Т) имеют вид:

R_Т = R_Т0ехр В[(Т₀ - Т)/Т₀ Т]; α_Т = -В/Т²,

где В – постоянная (в Кельвинах), зависящая от физических свойств полупроводника. Для большинства ОТ 2 000 К  В  7200 К; диапазон существует ОТ от – 100 ºС до Т _max + 100 - +300 ºС. Существует ОТ с Т_max ~ 600 – 1000 ºС (В ~ 8 000 – 20 000 К). Параметрами ОТ также является: его сопротивления R₂₀ при Т = 20 ºС (холодное сопротивление) или R₁₅₀ при 150 ºС (в случае Т_max ~ +300 ºС); α₂₀ или α₁₅₀ (обычно – 2,4%  α₂₀  - 8,4% на 1 К); постоянная времени в с; максимально допустимая мощность рассеянияW _max и др. Вольтамперные характеристики ОТ зависят от их конструкции и размеров, сопротивления и др. параметров полупроводникового материала, а также от температуры, теплопроводности окружающей среды и тепловой связи между ней и термистором.

ОТ изготавливают из твердых поликристаллических полупроводниковых материалов с высоким α_Т: смесей TiO₂ c MgO, оксидов Mn, Cu, Co, Ni, Fe₂O₃ с MgAl₂O₄ , MgCr₂O₄ и др., а также полупроводящих синтетических голубых алмазов, обладающих высокой теплопроводностью, и монокристаллов германия, легированного мышьяком (последние предназначены для работы при гелиевых температурах).

ОТ широко применяются в измерительной технике для измерения температуры, а также для компенсации температурных изменений параметров электрических цепей (главным образом сопротивления) и эдс холодных спаев термопар. При этом ток через терморезистор столь мал, что он практически не нагревается и его температура определяется температурой окружающей среды.

ОТ применяются также для стабилизации напряжения, измерения мощности электромагнитных волн сантиметрового диапазона (нагрев терморезистора изменяет его сопротивление), для предохранения от перенапряжений в электрических цепях, в качестве пусковых реле и реле времени и т.п. Во всех этих случаях температура терморезистора обусловлена главным образом протекающим по нему током; терморезистор работает в области падающего участка вольтамперной характеристики.

Зависимость степени охлаждения ОТ от состава или плотности окружающего газа позволяет применять его для анализа газов, измерения вакуума и т.п. На зависимости условий теплопередачи от температуры окружающей среды основаны системы теплового контроля и пожарной сигнализации. Использующие возникновение релейного эффекта в цепи ОТ при определенной температуре. В этих случаях температура термистора определяется и окружающей средой, и протекающим через него током.

Существуют ОТ с косвенным подогревом, в которых сопротивление определяется током в специальной подогреваемой обмотке, электрически изолированной от полупроводника; при этом мощность рассеяния в последнем обычно мала. Такие термисторы применяются в системах автоматического регулирования, если нужно разделить управляющую и управляемую цепи (переменные резисторы без скользящего контакта с дистанционным управлением, автоматическая стабилизация усиления усилителей, измерение скоростей движения жидкости или газа и др.).

Положительные термисторы (ПТ) изготовляют из ВаТiО₃ и его твердых растворов с ВаSnО₃ и SrТiО₃ , легированных La , Ce и др., а также из монокристаллического кремния, легированного бором. ПТ на основе ВаТiО₃ в области температур, соответствующих тетрагонально-кубическому фазовому переходу, имеют аномальную для полупроводников температурную зависимость сопротивления: сопротивление резко увеличивается с температурой на несколько порядков, причем α_Т в узком интервале температур (~ 5 ºС ) ≥ 50% на 1 ºС и рассчитывается по формуле:

α_Т = [(2,303ΔlgR)/ Δt].100%

Применение легированных твердых растворов (Ва_1-хSr_x)(Ti_1-ySn_y)О₃ позволяет смещать температурный интервал, в котором имеет место аномалия, в сторону более низких температур по мере увеличения содержания в них Sr и Sn. Введение Sn позволяет получить ПТ с линейной зависимостью lgR_Т(t) в более широком температурном интервале.

ПТ с резким скачком сопротивления применяются главным образом в системах теплового контроля, а также благодаря особенностям вольтамперной характеристики для ограничения тока в электрических цепях. ПТ с линейной зависимостью lgR применяются как датчики термометров сопротивления (α_Т ≥ 5 -10% на 1 К), а также для температурной компенсации схем с полупроводниковыми триодами.

Терморезистор (от термо... и резистор), термистор, термосопротивление, полупроводниковый резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Т. — один из наиболее простых полупроводниковых приборов. Главные параметры Т. — диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяемый как относительное приращение сопротивления (в %) при изменении температуры на 1 К. Различают Т. с отрицательным ТКС (ОТ), у которых электрическое сопротивление с ростом температуры убывает, и с положительным ТКС (ПТ), у которых оно возрастает (рис.). Для изготовления ОТ используют: смеси окислов переходных металлов (например, Mn, Со, Ni, Cu); Ge и Si, легированные различными примесями; карбид кремния (SiC); полупроводники типа AIII B^V; синтетический алмаз; органические полупроводники и т. д. Диапазон рабочих температур большинства ОТ лежит в пределах от 170—210 К до 370—570 К с ТКС при комнатных температурах, равным        (-2,4)—(-8,4)%/К. Существуют ОТ высокотемпературные (900—1300 К) и низкотемпературные (4,2—77 K); TKC последних составляет (-15)—(-20)%/К и более. Из ПТ наиболее важны Т., материалом для которых служат твёрдые растворы на основе титаната бария BaTiO₃ (легированные лантаном, церием, висмутом и т. д.); такие ПТ часто называются позиторами. В области температур, близких к сегнетоэлектрическому фазовому переходу (см. Сегнетоэлектрики), их сопротивление при повышении температуры резко увеличивается (на несколько порядков), и в небольшом (~5 К) интервале температур их ТКС может достигать 50% /К и более. Изменением состава твёрдого раствора можно смещать область фазового перехода в температурном интервале от ~ 200 до ~500 К. ПТ изготовляют также из Si, легированного В.

  Т. выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок. Размеры Т. варьируют от нескольких мкм до нескольких см. На основе Т. разработаны системы и устройства дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной компенсации различных элементов электрической цепи, измерения вакуума и скорости движения жидкостей и газов, а также мощности измерители и др.

 

 

Типичные зависимости электрического сопротивления терморезисторов от температуры: с отрицательным (1) и положительным (2) температурными коэффициентами сопротивления.