Полупроводниковые терморезисторы

Наряду с металлическими терморезисторами в технике широко применяются полупроводниковые терморезисторы, называемые термисторами. Действие их основано на том свойстве полупроводниковых материалов, что количество носителей электрических зарядов в них зависит от темпе­ратуры и значительно увеличивается с ее повышением. В результате этого электрическое сопротивление полупро­водника с повышением температуры уменьшается. Термисторы изготавливают из спрессованных и спеченных смесей окислов некоторых металлов (марганца, меди, кобальта, железа и т. д.).

Термисторы отличаются от металлических терморезис­торов меньшими размерами и значительно большими ТКС, достигающими значений порядка 2 — 8% на градус при

20 °С. Термисторы имеют отрицательный ТКС, который из­меняется обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры:

α = В/Т², (7.5)

где В — постоянная, имеющая размерность температуры и определяемая экспериментально для каждого типа термисторов.

Зависимость сопротивления от температуры достаточно точно описывается выражением:

, (7.6)

где А — постоянная, имеющая размерность сопротивле­ния.

В том случае, когда для применяемого термистора по­стоянные А и В неизвестны, но известны сопротивления R₁ и R₂ при температурах Т₁ и Т₂, для вычисления сопро­тивления R_t и коэффициента В при любой другой темпе­ратуре Т можно воспользоваться формулами:

(7.7)

Для некоторых типов термисторов В может принимать два разных значения при работе термистора в различных диапазонах температур.

Конструктивное оформление термисторов может быть самым разнообразным

(рисунок 7.2 а). Термисторы КМТ-1, КМТ-4, ММТ-1 и ММТ-4 и др. представляют собой стерж­ни из оксидных полупроводниковых материалов (медно-марганцевые для ММТ и кобальто-марганцевые для КМТ), покрытые эмалью и имеющие контактные колпачки и вы­воды. Термисторы ММТ-4 и КМТ-4 дополнительно заклю­чены в металлический тонкостенный корпус и герметизи­рованы. Некоторые термисторы (ММТ-9, ММТ-12, КМТ-17, СТЗ-17 и др.) выполнены в виде шайб диаметром от 5 до 19 мм. Малоинерционные термисторы (СТЗ-19, СТЗ-18, СТЗ-25) изготавливаются в виде бусинок диаметром 0,3—0,5 мм, вплавленных в стекло и снабженных прово­лочными выводами из металла с низкой теплопровод­ностью.

Важнейшими характеристиками термисторов являют­ся: зависимость сопротивления от температуры; инерцион­ность; вольт-амперная характеристика.

Типичный характер зависимости электрического сопро­тивления термистора от температуры показан на рисунке 7.2 б.

а) б)

Рисунок 7.2 – Термистор (а); зависимость электрического сопротивления термистора от температуры (б)

Некоторые типы термисторов (СТ1-21, СТЗ-21) имеют специальную подогревную обмотку, электрически не свя­занную с термистором и служащую только для его подо­грева. Такие приборы называются термисторами косвен­ного подогрева. При этом собственно термистор, включен­ный в одну электрическую цепь, может изменять свое со­противление, а следовательно, и ток в этой цепи в зависи­мости от силы тока в другой цепи, в которую включен подогреватель. Регулируя степень подогрева, удается су­щественно изменять вид вольт-амперной характеристики термистора.

Термисторы широко применяются в устройствах для из­мерения и регулирования температуры. В этой области они имеют ряд серьезных преимуществ в сравнении с дру­гими преобразователями температуры: небольшую инер­ционность, высокую чувствительность, малые размеры, вы­сокую механическую прочность при работе в условиях вибраций и больших ускорений. По сравнению с металличе­скими терморезисторами термисторы имеют значительно более широкий диапазон номинального электрического со­противления (от 1 до 10 МОм).

Термисторы СТ7-1 могут применяться для измерения температуры в пределах от —100 до —196°С, а типа СТ12-1 — от +600 до +1000°С. Погрешность измерения мала и имеет порядок 0,01 К и менее.

Область применения термисторов чрезвычайно широка. Помимо использования в качестве первичных измеритель­ных преобразователей при измерениях температур, их при­меняют для измерения скорости потока газов и жидкостей в расходомерах, разрежения в вакууме, относительной влажности и др. При этом используется эффект изменения условий теплоотдачи. Термисторы с релейными характе­ристиками (ЭКМТ-10 и К.МТ-11) применяются в устройст­вах теплового контроля. Термисторы служат не только для измерения, но и для автоматического изменения упомяну­тых выше характеристик среды, для чего показывающее или регистрирующее устройство заменяют соответствую­щим исполнительным органом. Термисторы широко при­меняются также в устройствах температурной компенса­ции и температурной стабилизации прибора.

Главным недостатком термисторов является значитель­ный .разброс параметров приборов даже в пределах одной и той же партии. Номинальное сопротивление приборов может для большинства типов термисторов иметь разброс до ±20% и лишь для некоторых типов укладывается в допуск ±10%. Температурные коэффициенты сопротивле­ния разных термисторов одного и того же типа могут так­же значительно отличаться, что не обеспечивает их взаи­мозаменяемости в термометрах, и каждый прибор требу­ет индивидуальной градуировки.