1.2. Терморезисторы Общие сведения

Большинство рассмотренных выше температурных датчи­ков

обладают большой себестоимостью, существенными разме­рами и при этом необходимо применять специальные (достаточно слож­ные) электронные узлы для обеспечения их работы. Простые электронные конструкции используют в качестве термодат­чиков, в основном, терморезисторы. О них и пойдет речь ниже.

Терморезистор — это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это резистивный 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. Термо­резисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5...+70)%/С. Терморезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убыва­ния или возрастания его температуры. Однако сам механизм из­менения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротив­ления при увеличении температуры), а особенности этого 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 годах двадцатого века у оксидов Fe₃O₄ и UO₂ ученые-химики обнару­жили высокий отрицательный температурный коэффициент со­противления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, соединениями NiO-Со₂O₃-Мn₂О₃ . Интервал удельных сопротивле­ний расширился благодаря добавлению оксида меди Мn₃О₄ в со­единение NiO-Мn₂ О₃ .

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов за­трудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носите­лей заряда.

Другие терморезистoры имеют положительный тем­пературный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников на­зывают позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и р-типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше, причем ТКС при комнатной температуре пример­ но равен 0,8% на 1 ^oС.

Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1^oС), но в более ограниченном диапазоне температур. 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 0...100°С.

Основные параметры терморезисторов

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяс­нить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

1. Габаритные размеры.

2. Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при оп­ределенной температуре окружающей среды t, °C, или Т, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры при­мерно от -100 до +125...200°С, температура окружающей среды принимается равной 20 или 25°С и величина R, называется «хо­лодным сопротивлением».

3. Величина ТКС а в процентах на 1°С. Обычно она указы­вается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через at: a=(dR/R)/dT*100%=-B/T²,

4. Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая те­пловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в те­чение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще все­го эту разность берут равной 100°С.

5. Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются ста­бильными.

6. Максимально допустимая мощность рассеивания Рmах в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик тер­морезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощно­ стью Рmах его температура не должна превышать tmax.

7. Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1°С. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности темпе­ратур образца и окружающей среды в 1°С.

8. Коэффициент температурной чувствительности В, раз­мерность — К:

В =[ (T1*T2)/(T2-T1) *Ln(R1/R2)

9. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэф­фициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, Н и а связаны соотношением: G=H/100a

10. Теплоемкость С в Дж на 1°С, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморе­зистора на 1°С. Можно доказать, что τ, Н и С связаны между со­бой следующим соотношением: τ= С / H

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше пара­метров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента со­противления, а также кратность изменения сопротивления в об­ласти положительного ТКС.

Основные характеристики терморезисторов

1. ВАХ — зависимость напряжения на терморезисторе от тока, проходящего через него. Снимается в условиях тепловогоравновесия с окружающей средой. На рис. 1.1 и 1.2 график (А) соответствует терморезистору с отрицательным ТКС, (Б) — с положительным.

Рис.1.1.Вольт-амперная характеристика терморезистора

Рис.1.2.

Температурная характеристика — зависимость R(T), сни­мающаяся в установившемся режиме. Принятые допущения: мас­штаб по оси R взят возрастающим по закону 10^х, по оси Т пропущен участок в интервале (0...223) К (см. рис. 1.2).

Рис. 1.3. Зависимость сопротивления терморезистора от подво­димой мощности

11. Подогревная характеристика — характеристика, свойст­венная терморезисторам косвенного подогрева — зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности. Принятые допущения: масштаб по оси R взят возрастающим по закону 10^x (рис. 1.3).