7.3.4Термисторы и их характеристики.

Термистор представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления; у болометров он является положительным. Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2 — 0,5 мм (рис. 6.4) или цилиндра диаметром 0,2—1,5 мм. Полупроводниковая масса представляет собой порошкообразную смесь окислов меди, марганца, кобальта, титана и др., спекаемую в определенной среде. В бусинку заваривают тонкие выводы из платиновой проволоки диаметром 0,01— 0,03 мм. Выводы также изготовляют из платиноиридиевого или платинородиевого сплава. Чтобы увеличить проводимость полупроводниковой массы, в нее добавляют порошок меди.

Рис. 6.35. Конструкции термисторов

Цилиндрический термистор имеет удлиненную форму чувствительного элемента, поэтому его электрическая прочность выше, чем бусинкового. Он также имеет меньшую реактивную составляющую сопротивления и меньшую емкость между выводами; при одинаковой длине элемента платиновые выводы у него короче, а следовательно, их индуктивность меньше. Для жесткости конструкции термисторы помещают в стеклянный баллон диаметром до 3 мм и длиной до 10 мм с проволочными выводами 0,8 мм. Широкое применение находят также безбаллонные термисторы типа ТШ-1, терморезисторы СТЗ-18, СТЗ-29, на базе которых созданы высокочастотные термисторные вставки.

Бусинковые термисторы имеют меньшую поверхность охлаждения и более длинные выводы, а следовательно, при прочих равных условиях большую чувствительность к измеряемой мощности. В коротковолновой части диапазона (сантиметровых и миллиметровых волн) в основном применяются стержневые термисторы, имеющие меньшее реактивное сопротивление. В длинноволновой части диапазона используются как те, так и другие типы термисторов.

Рис. 6.36. Термистор в стеклянном баллоне

Рис. 6.37. Унифицированная вставка для коаксиальных термисторных головок

Термисторы монтируются в головку непосредственно или заключаются в специальную арматуру, облегчающую их замену. Простейшей арматурой является стеклянный баллон с толстыми, металлическими выводами для включения термисторов в схему (рис. 6.5). Термисторы в баллоне применяются на относительно длинных волнах, когда длина баллона несоизмеримо меньше длины волны. В коротковолновой части диапазона и, особенно, на миллиметровых волнах применяются термисторы без баллона. Термисторы без баллона широко применяются вмонтированными в арматуру типа термисторной вставки, которая представляет собой отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом, нагруженный на согласованный с ней термистор бусинкового типа. Эта вставка является унифицированным функциональным узлом современных отечественных коаксиальных термисторных головок, работающих в диапазоне волн до 3 см (рис. 6.6). Волноводная термисторная вставка (рис. 6.7) представляет собой также унифицированный функциональный узел волноводных термисторных головок, рассчитанных на работу в диапазоне длин волн от 1,75 до 5,4 см. Ее основой является стержневой термистор, один конец которого приваривается к емкостному штырю, компенсирующему индуктивность термистора, другой — к обкладке конденсатора, развязывающего цепи тока СВЧ и постоянного или переменного тока термисторного моста. Аналогичные термисторные вставки разработаны и успешно применяются в миллиметровом диапазоне до длин волн примерно 8 мм.

Рис. 6.38. Волноводная термисторная вставка

Термисторы и термисторные вставки характеризуются параметрами, описывающими как свойства самих термисторов, так и свойства их арматуры, а также способа монтажа. Для получения сопротивления термистора, необходимого для согласования с высокочастотной линией, в нем должна быть рассеяна мощность начального подогрева, подаваемого термисторным мостом. Эта мощность зависит от окружающей температуры. Соответственно для термистора или термисторной вставки нормируется рабочее сопротивление термистора R, при котором гарантируются его высокочастотные свойства и значения начальной мощности подогрева при граничных значениях рабочего диапазона температур.

В общем случае как болометрам, так и термисторам присуща нелинейная зависимость изменения сопротивления от изменения уровня мощности и температуры окружающей среды (рис. 6.8). Для термисторов эту зависимость можно записать в виде

R_t = R expB_τ/t⁰_k (6.4)

где R , B_τ — постоянные, зависящие от свойств полупроводникового материала термистора; t⁰_k = t°_{k окр} + θ — абсолютная температура, при которой определяется сопротивление термистора R_t; t°_{k окp} — температура окружающей среды; θ = P/h_t — превышение температуры термистора над температурой окружающей, среды под воздействием мощности Р.

Продифференцировав (6.4), можно определить относительный температурный коэффициент сопротивления

α_t = - B_τ/( t°_{k окр} + θ)² (6.5)

Рис. 6.39. Зависимость сопротивления термистора от уровня мощности и температуры окружающей среды

Из (6.5) следует, что температурный коэффициент сопротивления термистора является величиной отрицательной и существенно изменяется при изменении температуры термистора. Однако при изменении сопротивления термистора в пределах R_t = ±(5 — 10)% температурный коэффициент можно принять постоянным, что позволяет сравнивать характеристики термисторов. Крутизна характеристики термистора существенно изменяется с изменением окружающей температуры, и ее влияние тем выше, чем интенсивнее теплообмен термистора с окружающей средой.

Общая чувствительность измерителей мощности определяется не столько разрешающей способностью термисторных мостов, сколько тепловыми шумами, проникающими в термисторную головку извне из-за нестабильности окружающей температуры. Поэтому возможности головки при измерении предельно малых мощностей оцениваются не крутизной ее характеристики, а коэффициентом теплоотдачи термистора. Вследствие этого крутизна характеристики термистора не считается достаточно важным параметром головок, предназначенных для точных измерений в схемах сбалансированных мостов. При работе с несбалансированными мостами чувствительность прибора оказывается пропорциональной крутизне термистора, и поэтому как значение крутизны, так и ее постоянство во всех режимах работы приобретают особое значение.

При измерении мощности с помощью термисторов и болометров измеряемую мощность Р_~ замещают равной ей мощностью постоянного тока Р₌. Мощности считают одинаковыми, если они вызывают одинаковые приращения сопротивления термистора. Это приращение измеряют на постоянном токе с помощью мостовых схем.

Приращение сопротивления терморезистора зависит от рассеиваемой в нем мощности и от распределения температуры. Если это распределение окажется различным при подаче одинаковых мощностей Р_~ и Р₌, то приращение сопротивления R под действием мощности Р_~ будет несколько отличаться от приращения R, вызванного рассеиванием мощности Р₌ . При выполнении равенства Р_~ = Р₌ фиксируемого с помощью мостовой схемы, окажется, что мощности Р_~ и Р₌ не равны, т.е. возникает погрешность замещения.

Источником непостоянства погрешности является изменение КПД головки, зависящего от потерь в элементах конструкции, окружающих болометр или термистор. Коэффициент полезного действия головки есть доля общей мощности СВЧ, поданной в головку, которая в действительности поглощается и измеряется. Коэффициенты полезного действия терморезисторных головок разных типов, применяемых в диапазонах длин волн 1,25 и 3 см, лежат в пределах от 0,83 до 0,99. Измерение КПД производится калориметрическим методом.

Еще один вид погрешности возникает при измерении импульсной мощности модулированных сигналов из-за динамики термистора. Эта погрешность значительна, когда для измерения среднего значения мощности применяются термисторы с очень малой постоянной времени, такие, например, как болометры с воластоновской нитью. Погрешность частично обусловливается влиянием изменения сопротивления термистора на схему, в которую он включен, а частично конструкцией болометра и изменением его полного сопротивления за время действия импульса, вследствие чего часть мощности отражается. Определенная доля этой погрешности определяется неравномерностью охлаждения болометра в интервале между импульсами. При длительности импульса 1 мкс и частоте повторения 1000 имп./с погрешность болометра, включенного в равноплечий мост, составляет 5%.

В настоящее время применяются в основном широкополосные головки, не требующие настройки во всем рабочем диапазоне частот.

Основные характеристики наиболее распространенных терморезисторов приведены в табл.6.1.

Таблица 6.1 Характеристики термисторов

Тип терморезистора	Rt, Ом	αt, 1/ºC	ηt 10-3, Вт/ºC	St 10-3, %/Вт	τ, с	Рср Вт	Ри Вт
Термисторы Т8, Т9, ТК, ТВ, ТШ	50-250	0,03	0,2	15	0,15-0,5	30·10-3	1,25
Термисторы СТЗ-18, СТЗ-32	50-200	0,02	0,17	11,75	0,6-1	40·10-3	50
Проволочные платиновые болометры 1 мкм	100-400	0,004	0,05	8	5·10-5-10-4	10·10-3	-
Нитевидные пленочные болометры на стекловолокне 3 мкм	100-150	0,0025	0,08	3	3,5·10-4	20·10-3	0,5-1,0
Плоские пленочные болометры на слюдяной подложке	50-75	0,001	1	0,1	1	До 1	-

Как термисторы, так и болометры используются для измерения малых уровней мощностей непрерывных сигналов и среднего значения мощности импульсно-модулированных СВЧ сигналов. На практике предпочтение отдают термисторам из-за более высокой чувствительности и большей энергии перегорания при одном и том же максимальном пределе измерения среднего значения мощности импульсно-модулированных сигналов. Вместе с тем проволочные и нитевидные болометры на стекловолокне применяют для измерения малых уровней импульсной мощности благодаря их малой постоянной времени. На проволочных болометрах, имеющих более стабильные параметры, строят образцовую аппаратуру.

Плоские пленочные болометры позволяют расширить динамический диапазон средних уровней мощности до 1 Вт. Для уровней мощности ниже 10 мВт такие болометры малопригодны из-за большой постоянной рассеяния, обусловливающей значительный дрейф показаний при измерениях,