2. Терморезисторы

Терморезистор (от греч. therme — тепло, жар; от лат. resisto — сопротивляюсь), – обычно так называют полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Термистор был открыт Самьюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.

Разработаны следующие 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.

Широко известны температурные зависимости электропроводности металлов, собственных и примесных полупроводников (германий, кремний и др.). Однако в терморезисторах эти материалы не нашли применения из-за:

• недостаточно сильной зависимости подвижности носителей заряда от температуры в проводниках и примесных полупроводниках;

• несоответствия типовому диапазону рабочих температур от -60⁰С до +60⁰С областей экспоненциального изменения концентрации носителей в примесных полупроводниках (область истощения примесей – менее 100 К, область перехода к собственной проводимости – более 400 К);

• высокой нестабильности величин сопротивлений технически изготавливаемых собственных полупроводников.

1. Принцип действия терморезисторов

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор.

Измерения показывают, что температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температур или в его части аппроксимируется выражением:

R_T=А·eхр(B\T ),

где R_T– величина сопротивления терморезистора при температуреТ, К, постояннаяА=А₀·l\S– зависит от физических свойств материала и габаритов терморезистора (1– расстояние между электронами в см иS– площадь поперечного сечения полупроводникового элемента терморезистора в см ); постояннаяВзависит от физических свойств материала и может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.

Прологарифмировав выражение, получим lgR_T=lgА+ 0,4343B\T. Это выражение в координатахR_Tи 1\Tпредставляет уравнение прямой, что значительно облегчает определение интервала температур, в котором формула с необходимой точностью аппроксимирует действительную зависимостьR_T(Т). По результатам измеренийR_TиТстроят график зависимости lgR_T=f(1/T). Если через полученные экспериментально точки можно провести прямую, то считают, что в данном интервале температур выражение дляR_Tсправедливо.

Для практических расчетов удобно исключить постоянную А. Написав формулу для RT для двух температурТ₁иТ₂и разделив одно на другое, получим:

R_Т2 =R_Т1еxp(B·(Т₁-Т₂)/Т₁·Т₂)

Из этой формулы можно рассчитать величину сопротивления терморезистора при любой температуре Т₂(в интервале рабочих температур), зная значение постояннойВи сопротивление образца при какой-то температуреТ_1.

Величина Вопределяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурахТ₁иТ₂. Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить

B= (2,303·ΔlgR)/ Δ(1/T),

где ΔlgR=lgRT₂-lgRT₁,а Δ(1/T) = 1/Т₂-1/Т₁. В – это коэффициент температурной чувствительности, чаще используется размерностьВ в Кельвинах.

Если определить ТКС терморезистора α как это обычно принято: ТКС = α_T= (1/R)(dR/dT), то следует, что α_T= -B/T².

Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление Rрезко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.

Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону:

R_T=А·eхр(αT) ,

где А– постоянная, α – температурный коэффициент сопротивления при температуре 1°С в абсолютных единицах.