16

Терморезисторы

Терморезисторы

Физические свойства.

Тепловое расширение твердых тел. Увеличение температуры увеличивает кинетическую энергию частиц и, следовательно, амплитуду собственных колебаний. Если бы потенциальная кривая – зависимость

U = f(r) – была бы симметричной (например, параболой) это бы не привело к изменению расстояния устойчивого равновесия между частицами r₀. Асимметрия потенциальной кривой приводит к тому, что отклонение при деформации сжатия будет меньше, чем отклонение при деформации растяжения. Расстояние между частицами r₀ (постоянными КР: а, b, c) увеличится. Т.е. происходит тепловое расширение, которое характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР):

a_L = (1 / L) (dL / dT)

L - линейные размеры тела.

Температурная зависимость, строго говоря, нелинейна, но для небольшого изменения температуры ее считают линейной. Тогда

a_L = (1/L) (L_т - L_о )/ DT , a_L = DL/L (1/∆T), DL = L т - L о, (L т - L о) / L о = a _L ∆T ) , Lт = L о ( 1 + a _L ∆T ) .

Для расчета относительной деформации DL / L = a _L ∆T.

L_о- длина тела при нормальной температуре, L _т - при расчетной.

Для определения температуры ∆T = (DL / L) / a _L .

U

r_о r

о Тиспарения

о

о Т плавления

o

о

Рис. Изменение расстояния между частицами с увеличение температуры.

Коэффициент a_L обратно пропорционален крутизне энергетической зависимости:

a_L ~ 1/ ( dU/dr) при r = r_о.

Материал с меньшим коэффициентом a_L характеризуется более прочными связями и большей температурой плавления.

В полупроводниках проводимость определяется дрейфом и электронов и дырок:

s = q ( n u_n + p u_p ),

s = s_o exp ( -E_g / 2 k T ), ln s = ln s_o - ( E_g / 2 k T ),

где Е_g - ширина запрещенной зоны, s_o - постоянная, которой придается смысл проводимости при Т® ¥ , когда возбуждены все электроны ( s ® s_o ).

Концентрация носителей заряда в полупроводнике существенно зависит от температуры, и проводимость s также зависит от температуры.

При 1 / Т = 0 ln s = ln s_o . По экспериментально полученной температурной зависимости можно вычислить величину Е_g:

tg g = E_g / 2 k .

ln s

ln s_o

1 2

3

g

(T) 1 / Q_D 1 / T

Рис. Температурная зависимость проводимости (1) собственных, (2) сильнолегированных и (3) слаболегированных полупроводников.

При низких температурах доминирует примесная проводимость. Наибольшая проводимость слаболегированных полупроводников (3) соответствует максимуму подвижности в области дебаевской температуры. Максимум у сильнолегированных проводников (2) сглажен ввиду отсутствия области истощения примеси. При высоких температурах доминирует собственная проводимость (1).

С увеличением давления запрещенная зона может существенно уменьшаться, превращая диэлектрик в проводник. При низкой температуре могут проявиться сверхпроводниковые свойства.

У металлов и сильнолегированных полупроводников положительное ТКС, т.к. с увеличением температуры все больше доминирует взаимодействие электронов с решеткой.

Собственные и слаболегированные полупроводники имеют отрицательное значение ТКС, поскольку с увеличением температуры Т увеличивается концентрация носителей заряда и, следовательно, проводимость, а удельное сопротивление падает. Температурная зависимость проводимости полупроводников гораздо резче, чем у металлов. Эта зависимость в терморезисторах (термисторах) используется для измерения и регулировки температуры. Изменение концентрации носителей заряда может происходить не только под влиянием температуры Т, но и сильных электрических полей и электромагнитного излучения для измерения их количественных характеристик также используются термисторы.

Терморезисторы изменяют сопротивление в зависимости от температуры

- пропорционально (положительный ТКС - позистор, металлы Pt, сплавы),

- обратнопропорционально (отрицательный ТКС - полупроводники Ge),

- резко (пороговый эффект, для защитной системы).

К температурным свойствам резисторов в зависимости от применения могут предъявляться следующие требования:

1 - постоянство сопротивления,

2 - изменение сопротивления пропорционально температуре (положительный ТКС),

3 - изменение сопротивления обратно пропорционально температуре (отрицательный ТКС),

4 - резкое изменение сопротивления при определенной температуре (пороговая, бинарная характеристика типа выключателя).

Наиболее широко применяются термисторы с линейной характеристикой в качестве датчиков температуры, силы тока, расхода жидкости или газа. Положительный ТКС обеспечивают металлы, отрицательный – полупроводники ( германий, оксид рутения). Используется платиновая проволока. Тонкопленочные термисторы изготавливают на основе платины, сплава родия с железом.

Термисторы с положительным ТКС может использоваться в цепях токовой защиты. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, уменьшая падение напряжения во внешней цепи.

Сочетание термисторов с отрицательным и положительным ТКС обеспечивает равномерность сопротивления резистора в широком диапазоне температур.

Для бинарного термистора может быть использован сегнетоэлектрик титанат бария (Ba Ti O₃). При низкой температуре высокая диэлектрическая проницаемость ε препятствует образованию потенциальных барьеров на границах зерен, т.е. обусловливает низкое сопротивление. При температуре выше точке Кюри (123^oC) ε резко уменьшается, и появление потенциальных барьеров способствует резкому повышению сопротивления. Вне окрестностей температуры Кюри имеет место небольшой отрицательный ТКС. Термисторы с бинарной характеристикой используются в системах автоматического включения освещения, предохранителях.

Резко нелинейное сопротивление имеет и полимерный резистор, в котором между тонкими слоями пластика помещены гранулы графита. При низкой температуре гранулы контактируют друг с другом, образуя проводниковые дорожки. На небольшом интервале повышения температуры наблюдается увеличение сопротивления за счет расширения слоя пластика до тех пор, пока не наступит полная изоляция гранул графита.

 

Терморезисторы

Маркировка

1. B57 - NTC термистор

2. 164-K* - Тип K*164 (цифры переставлены); * - если есть 4-ая старшая цифра в типе

3. 102 - Сопротивление

4. J - Точность:

   • Сопр./Темп.

   • J=±5%/±2K

   • K=±10%

   • M=±20%

   • H=±3%/±1K

   • F=±1%/±0,2K

   • G=±2%/±0,5K

5. 52 - Тип упаковки

Ptc положительные термисторы

Внешний вид	№ Серии	Сопро- тивление, Ω	Рабочие темп-ры t °C	Размер, (mm)	Точность
	2381 66. 5...2/ PTCCL..H...FBE	1.3 – 240	0 … +70	5×5 … 20.5×5	±20%
	2381 66. 5...3/ PTCCL..H...HBE	2.1 – 3000	0 … +70	7.3 – 19.8 mW/K	±20%
	2381 66. 93.../ PTCLL..P....E	75 – 750	+25 … +120	–	±5%
	2381 66. 9..../ PTCTL..R.....E	8 – 50	0 … +95	–	±15%; ±20%; ±25%
	2381 66. 93.../ PTCCL..H...SBE	400, 1600	+25 … +170	5×4.5, 10×6.5	±5%
	2381 661 97.../ PTCTZ..R....TE	2 – 500	+25 … +150	7.2×8.0 ×3.45	±10%; ±15%; ±20%
	2381 662 95.../ PTCHP12S...HYE	1200	-40 … +85	11.8×2.0	±35%
	2381 671 911../ PTCSL..T....BE	100 – 50000	-20 … +165	7.0×3.5 ×3.0	±5%
	2381 671 912../ PTCSG..T....BE	550 – 1330	-40 … +165	16.26×7.14	±5%
	2381 671 913../ PTCSSCWT...DBE	550 – 1330	-40 … +165	14.5×8	±5%
	2381 673 97301/ PTCTT99R600GTE301	60	-40 … +85	9.0×8.4 ×10.9	±20%
	2381 673...../ PTCTT..R....TE	10 – 50	-40 … +85	9.0×7.2 ×6.9	±20%
	2381 675 2..../ PTCSS..T....TE	2500 – 15000	-40 … +155	2.0×1.25 ×0.90	±50%
	PTC305C Series	15 – 85	-10 … +80		±30%
	PTC307C Series	3.3 – 75	-10 … +85	16×2.5 … 20×5.0	±30%
	PTCSC..T....BE/ 2381 671 910..	30 – 50000	-20 … +185	1.7×1.7 ×0.8	±5%
	PTCSSLVT Series/ 2381 671 914..	550 – 1330	-40 … +165		±5%
	TFPT	100 – 10000	-55 … +125	1.60×0.85 ×0.45 … 3.20×1.60 ×0.55	±0.5%; ±1%; ±5%

 

РТС-термисторы изготавливаются из примесной поликристалической керамики на основе титаната бария. Керамика известна как хороший изолирующий материал с высоким сопротивлением. Полупроводимость и, таким образом, низкое сопротивление достигается совмещением керамики с материалами, имеющими высокую валентность. Частицы бария и ионы титаната в кристаллической решетке замещаются ионами с высокой валентностью, чтобы получить определенное число свободных электронов, которые дают способность керамики проводить ток.

Строение самого материала составлено из многочисленных отдельных кристаллов. На краях этих монокристаллов, на так называемой границе зерна, формируется потенциальные барьеры. Они мешают свободным электронам диффузировать. Результатом этого является высокое сопротивление на границах зерен. Однако, этот эффект пропадает при низких температурах. Высокая диэлектрическая постоянная и внезапная поляризация на границах зерен предотвращает формирование потенциальных барьеров при низкой температуре, делая возможным распространение свободных электронов ровным потоком.

Применение PTC-термисторов Epcos.

Защита от перегрузки по току.

Керамические РТС термисторы используются вместо обычного плавкого предохранителя для защиты от перегрузки по току нагруженных моторов, трансформаторов или электронных схем. Они не только отвечают за недопустимый высокий ток, но и также, если будет превышен установленный предел температуры. Термистор ограничивает рассеивание энергии с помощью увеличения сопротивления, снижая, таким образом, ток до безопасной величины. В отличие от обычных предохранителей, нет необходимости в замене термистора. Он сразу восстанавливает свои защитные свойства после короткого периода охлаждения.

Телекоммуникация

Для защиты от перегрузки по току в телекоммуникации существуют отдельные термисторы. Перенапряжение и перегрузки в телефонных линиях могут быть вызваны бросками тока из-за прямого удара молнии, индукции между линиями высокого напряжения и телефонными линиями, также может быть вызвано в результате прямого контакта между ними.

Многие международные стандарты и рекомендации (IEC, ITU-T) ограничивают выполняемые функции оборудования, тестируя их на различных уровнях мощности, пока позволяет безопасный сбой. Решением проблемы могут служить сбрасывающие приборы такие, как РТС термисторы.

Размагничивание теневых масок кинескопов

Когда цветные ТВ или мониторы находятся под воздействием внешних магнитных полей или изменяется их положение относительно магнитного поля земли, на экране могут произойти нарушения чистоты цвета. Причиной этого явления служит постоянная намагниченность теневой маски электроннолучевой трубки. Результирующее магнитное поле вызывает дополнительное отклонение электронных лучей таким образом, что, например "красный" луч может попасть на синюю точку люминофора на экране и т.д. Эту намагниченность можно устранить путем приложения переменного магнитного поля, которое сильнее постоянного магнитного поля теневой маски. Переменное поле возбуждает магнитные домены, и, если его интенсивность постепенно спадает до минимального значения (в идеале - до нуля), то теневая маска будет размагничена. Этот процесс называется размагничиванием.

Переменное и убывающее магнитное поле создается при помощи петли (катушки) размагничивания, расположенной вокруг баллона ЭЛТ и соединенной последовательно с РТС термистором. Характеристика температурной зависимости сопротивления РТС термистора такова, что ток, протекающий через катушку, постепенно уменьшится, и, следовательно, уменьшается магнитное поле.

Характеристика затухания при размагничивании с помощью РТС термистора.

Запуск мотора

Однофазный асинхронный электродвигатель (например в компрессоре для холодильников и кондиционеров) может эффективно запуститься, когда действует вспомогательная катушка на начальной стадии. Вспомогательная катушка выключается из цепи после стадии запуска. Для этого необходимо использовать РТС термисторы.

Когда высокое напряжение проходит через РТС термистор, сильный ток становится причиной нагрева РТС термистора, в результате чего возрастает сопротивление. Поначалу (на стадии запуска) течет сильный ток, который затем снижается в зависимости от возрастающего сопротивления. После стадии запуска по катушке течет начальный ток.

Датчик уровня жидкости

РТС термисторы используются как датчики, когда нужно контролировать влияние окружающей среды на электрические характеристики. Термистор, нагретый низким напряжением (около 12В), отвечает за изменение внешних условий охлаждения, изменяя потребляемую мощность. У постоянного напряжения потребляемая мощность - это мера условия рассеивания. С увеличением рассеивания термистор охлаждается, и ток возрастает благодаря положительному температурному коэффициенту. Отмеченное увеличение тока происходит, когда РТС термистор, нагретый в воздухе погружают в жидкость, где больше количества тепла рассеивается, чем в воздухе. Эта особенность делает их идеальными для контроля за переполнением жидкости в баке. Epcos AG предлагает герметизированные (стеклянные или из нержавеющей стали корпуса) термисторы для этого применения.

Примеры для остального использования

-Зашита от переливания для цистерн

-Измерение уровня

-Индикатор заканчивающейся жидкости в стеклоочистителе

-Индикация утечки

-Датчики для защиты моторов и механизмов.

РТС термисторы широко используются как температурные датчики в электрических машинах для контроля изменяющейся температуры.

-Датчики для ограничения температуры.

-Измерение ограничения температуры для промышленного применения. РТС термисторы могут быть использованы для обнаружения, увеличен ли температурный предел в промышленном оборудовании, жидкости и т.д. Термистор установлен в термический контакт с прибором, который должен быть защищен от перегрева. Когда достигнут номинальный температурный предел этого устройства, сопротивление термистора внезапно возрастает. В связи с блоком управления этот сигнал может быть использован для автоматического выключения электропитания.

-Датчик ограничения температуры для мощных полупроводниковых приборов.

Мощные полупроводниковые приборы, например в DC/DC преобразователях или в реостате для регулирования света лампы, выделяют много тепла по отношению к их небольшим размерам. Если теплообмен ограничен, например, выключился фен или превышена температура окружающей среды, это может быстро привести к поломке полупроводника или компонентов вокруг. Когда температура превышает температурный лимит полупроводника, сопротивление термистора возрастает, в результате чего снижается мощность полупроводника. Это помогает предотвратить перегрев полупроводника.

-Нагревательный элемент. РТС термисторы также подходят как нагревательные элементы из-за их особенных R/T характеристик (зависимость температуры от сопротивления). Положительные R/T характеристики означают, что потребляемая электроэнергия автоматически адаптируется к условиям окружающей среды. При температуре окружающей среды ниже исходной температуры, например с хорошим теплообменом, термистор имеет низкое сопротивление и потребляет относительно большое количество энергии. Если температура окружающей среды выше исходной температуры, или теплообмен затруднен, то сопротивление термистора резко возрастает, и потребление энергии ограничивается очень низкой величиной. Благодаря этим качествам саморегулирования, нагревательные элементы, базирующиеся на РТС термисторах, могут обходиться без элементов системы управления и стабилизирующих компонентов также как и без защиты от перегрева.

Примеры применения нагревательных термисторов

В автомобилях

Дополнительный подогрев салона

Подогрев дизельного топлива

Подогрев топливного фильтра

Подогрев шланга электроомывателя

Подогрев картера двигателя

В бытовых приборах:

-Фен

-Бигуди

-Пульверизатор для средств от насекомых и для парфюма

-Биметаллические нагреватели для дверных замков стиральной машины

-Подогрев топлива в нефтяной топке

Термостаты

В сварочных аппаратах

В пистолетах для склеивания

 Силисторы – термочувствительные силиконовые резисторы, характеризующиеся тем, что имеют положительный, в температурном диапазоне до 150 °С, и отрицательный, в температурном диапазоне выше 150 °С, ТКС. Наиболее стабильный ТКС (около 0,77 %/°С) силисторы имеют в области от – 60 до + 150 °С, где они наиболее часто применяются для контроля температуры