Принцип действия терморезистора: Терморезистор принцип работы

8.1.1. Принцип действия термисторов | Электротехника

Твердотельная электроника

7 лет назад

admin

Термистор – это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопро­тивления) может быть вызвано разными причинами:

1) увеличе­нием концентрации носителей заряда;

2) увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью;

3) фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1. Увеличе­нием концентрации носителей заряда характерно для термисторов, изготовлен­ных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремния, германия, карбида кремния, соединений типа

А^IIIB^V и др. ). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэф­фициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси иони­зированы, а также в диапазоне температур собственной электро­проводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае сопротивление полупро­водника зависит в основном от изменения концентрации но­сителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

,                                                       (8.1)

где  – ко­эффициент, зависящий от материала и размеров термистора; – коэффициент температурной чувствительности. При неполной ионизации примесей и отсутствии компенсации:

,

где  – энергия ионизации примесей (доноров или акцепто­ров).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной иони­зации примесей

.                                                        (8.2)

При собственной электропроводности

,                                                   (8.3)

где  – ширина запрещенной зоны полупроводника.

1. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленно­стью, изготовлена из оксидных полупроводников – оксидов ме­таллов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (от титана до цинка). Такие термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, т.е. путем обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность оксидных полупроводников с преоблада­ющей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы ха­рактерны наличие незаполненных электронных оболочек и пере­менная валентность. В результате, при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехио­метрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказы­ваются ионы с разными зарядами.

Электропроводность таких материалов объясняется обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспонен­циально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как и у термисто­ров из ковалентных полупроводников (8.1), но коэффи­циент температурной чувствительности отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

2. В оксидах ванадия

V₂ O₄ и V₂
O₃ при температуре фазовых превращений (68 и  -110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивления в диапа­зоне температур, соответствующих фазовому превращению.

Вам также может понравиться

6. Терморезисторы. Назначение, виды, материалы, принцип работы.

Терморезистор – резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры. Терморезисторы выполняют или из металла, сопротивление которого линейно меняется при изменении температуры (медь, платина), или на основе полупроводников. Наиболее подходящим и распространенным материалом для изготовления терморезисторов являются полупроводники, обладающие более высоким температурным коэффициентом сопротивления. Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого падает с ростом температуры, и позистор, у которого сопротивление с повышением температуры возрастает. Принцип действия терморезисторов основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

7. Фоторезисторы. Назначение, виды, материалы принцип работы.

Фоторезисторы – это фотоэлектрические полупроводниковые приборы с внутренним фотоэффектом. Физическая сущность внутреннего фотоэффекта состоит в том, что при освещении поверхности полупроводника (селен, сернистый висмут, сернистый кадмий, сернистый свинец и т.д.) часть световой энергии поглощается веществом и расходуется на освобождение электронов от связей с атомами; при этом количество свободных электронов в веществе сильно возрастает, что приводит к увеличению электропроводности полупроводника.

В зависимости от типа и назначения, фоторезисторы выполняют с естественным воздушным (неохлаждаемые) и с жидкостным охлаждением. Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях, включается последовательно с управляемым им устройством и источником энергии. Фоторезистор может реагировать не только на появление светового потока. Но и на его исчезновение, т.е. является световым реле. При отсутствии освещения или при постоянном освещении фоторезистор представляет собой активное сопротивление, и ток, протекающий по нему, пропорционален приложенному напряжению, а в случае постоянной величины приложенного напряжения величина тока пропорциональна интенсивности действующего светового потока.

Неосвещенный фоторезистор характеризуется темновым током (Iт) и темновым сопротивлением. Темновой ток очень мал и обусловлен наличием в полупроводнике небольшого числа свободных электронов, освобожденных действием тепла окружающей среды.

8. Емкостной датчик. Назначение, схема, принцип работы.

Емкостные датчики представляют собой конденсаторы переменной емкости, величина которой зависит от значения входного параметра. Чаще всего в качестве датчиков используют плоскопараллельные и цилиндрические конденсаторы. Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности, концентрации и т.д. Достоинства емкостных датчиков — простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки — влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств. Емкостные датчики относятся к датчикам параметрического типа, в которых изменение контролируемой величины вызывает изменение емкостного сопротивления датчика.

Как известно, емкость конденсатора зависит от формы и геометрических размеров электродов (площади обкладок), от диэлектрической проницаемости и от расстояния между его обкладками. В различных датчиках, применяющихся для контролирования какой-либо неэлектрической величины, может меняться один из указанных параметров.

а- с переменным расстоянием между пластинами, б- с переменной площадью пластин, в- с переменной диэлектрической проницаемостью.

Термистор

: конструкция, принцип работы, типы и применение | Датчики и преобразователи

Датчики и преобразователи

Термистор или просто Therm ally Sensitive Res istor — это датчик температуры, работающий по принципу изменения сопротивления в зависимости от температуры. Они изготовлены из полупроводниковых материалов. Условное обозначение термистора показано на рисунке.

Конструкция термистора

Термистор изготовлен из оксидов металлов, таких как никель, марганец, кобальт, медь, уран и т. д. Он доступен в различных формах и размерах. Обычно для конфигураций используются дисковые, бусинчатые и стержневые.

Термистор дискового и стержневого типа используется, когда требуется большее рассеивание мощности. Термистор стержневого типа обладает высокой допустимой мощностью.

Наименьшим термистором в этих конфигурациях является термистор шарикового типа. его диаметр составляет всего 0,15 мм. Измерительный элемент обычно заключен в стеклянный зонд. Он обычно используется для измерения температуры жидкостей.

Принцип работы термисторов

Термистор работает по простому принципу изменения сопротивления из-за изменения температуры. При изменении температуры окружающей среды термистор начинает самонагреваться. значение его сопротивления изменяется в зависимости от этого изменения температуры. Это изменение зависит от типа используемого термистора. Температурные характеристики сопротивления различных типов термисторов приведены в следующем разделе.

Типы термисторов

Доступны два основных типа термисторов: NTC и PTC.

Термистор NTC

NTC означает отрицательный температурный коэффициент. Это керамические полупроводники с высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Сопротивление NTC будет уменьшаться с повышением температуры нелинейным образом.

Обозначения цепей термисторов NTC и PTC показаны на следующем рисунке.

Термистор PTC

Термисторы PTC представляют собой резисторы с положительным температурным коэффициентом и изготовлены из поликристаллических керамических материалов. Сопротивление PTC будет увеличиваться с повышением температуры нелинейным образом. Термистор PTC показывает лишь небольшое изменение сопротивления в зависимости от температуры, пока не будет достигнута точка переключения (T _R ).

Характеристики термостойкости NTC и PTC показаны на следующем рисунке.

Преимущества термисторов

• Дешевле.
• Более чувствительный, чем другие датчики.
• Быстрый отклик.
• Маленький размер.

Недостатки термисторов

• Ограниченный температурный диапазон.
• Соотношение сопротивления и температуры нелинейно.
• Возможно получение неточных измерений из-за эффекта самонагрева.
• Хрупкий.

Применение термисторов

Применение термистора NTC

• Цифровые термостаты.
• Термометры.
• Датчики температуры аккумуляторной батареи.
• Ограничители пускового тока

Применение термистора PTC

• Защита от перегрузки по току
• Защита от пускового тока

Дополнительная литература

• Википедия и термисторы PTC
• Преимущества и Недостатки термисторов

Принцип работы термистора — Inst Tools

Термисторы

Термисторы представляют собой полупроводники, чувствительные к температуре, сопротивление которых сильно меняется в относительно небольшом диапазоне температур. Существует два основных типа термисторов: с положительным температурным коэффициентом (PTC) и с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом имеют характеристику падения сопротивления с повышением температуры. Они чаще всего используются для измерения температуры.

А термистор похож на RTD, но вместо металла используется полупроводниковый материал . Термистор представляет собой твердотельное устройство и имеет большую чувствительность , чем RTD. В отличие от РДТ, терморезистивная характеристика термистора является нелинейной и не может быть охарактеризована одним коэффициентом. Кроме того, в отличие от RTD, сопротивление термистора уменьшается с повышением температуры.

Термисторы нельзя использовать для измерения высоких температур по сравнению с RTD. На самом деле максимальная рабочая температура иногда составляет всего 100 или 200°С.

Производители обычно предоставляют данные сопротивления-температуры в виде кривых, таблиц или полиномиальных выражений. Линеаризация корреляции сопротивление-температура может быть достигнута с помощью аналоговой схемы или путем применения математики с использованием цифровых вычислений. Типичная схема термистора показана ниже.

Из принципиальной схемы видно, что это простой делитель напряжения. R _s — какой-то постоянный (питающий) резистор. R _s и напряжение питания, В _s , можно настроить для получения желаемого диапазона выходного напряжения V _o для заданного диапазона температур.

Преимущества: Большое изменение сопротивления в зависимости от температуры, быстрое время отклика, хорошая стабильность, высокое сопротивление устраняет проблемы, связанные с сопротивлением выводов, низкая стоимость и взаимозаменяемость

Недостатки: Нелинейность, ограниченный диапазон рабочих температур , может быть неточным из-за перегрева, требуется источник тока.

Кривая зависимости сопротивления от температуры

В отличие от RTD и термопар, термисторы не имеют стандартов, связанных с характеристиками или кривыми зависимости сопротивления от температуры. Следовательно, есть много разных на выбор.

Каждый материал термистора обеспечивает различную кривую зависимости сопротивления от температуры. Некоторые материалы обеспечивают лучшую стабильность, в то время как другие имеют более высокое сопротивление, поэтому из них можно изготовить термисторы большего или меньшего размера.

Многие производители указывают бета-константу (B) между двумя температурами (пример: [3 0/50 = 3890). Это, наряду с сопротивлением при 25 ° C (77 ° F), можно использовать для идентификации конкретной кривой термистора.

Термистор представляет собой термометр сопротивления, аналогичный термометру сопротивления (RTD) и используется для измерения температуры . Он состоит из неметаллического резистора, который используется в качестве чувствительного элемента температуры.

Термистор — это сокращение от «Тепловой резистор». Устройство состоит из объемного полупроводникового устройства, которое действует как резистор с высоким и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, иногда достигающим -6% на градус Цельсия повышения температуры. Благодаря этому свойству высокой чувствительности (то есть сильному изменению сопротивления при небольшом изменении температуры) термистор в основном применяется для точного измерения температуры, контроля температуры и температурной компенсации, особенно в более низком диапазоне температур -100 градусов Цельсия. до +300 градусов Цельсия.

Разница между термистором и резистивным датчиком температуры (RTD)

Оба устройства работают по тому же принципу, что постоянный ток, протекающий через резистор, и его сопротивление, изменяющееся из-за изменения температуры, измеряется как падение напряжения на нем. . Основное отличие состоит в том, что электрическое сопротивление резистора, используемого в термисторе, изменяется нелинейно в зависимости от температуры. Чувствительный элемент, используемый в термисторе, изготовлен из керамики или полимера, в то время как в RTD в качестве чувствительного элемента используются чистые металлы. Еще одно существенное отличие заключается в его рабочем диапазоне. Благодаря высокой чувствительности термисторы используются для измерений в узком диапазоне и при низких температурах в диапазоне от -20 до +120 градусов Цельсия. Но RTD используются в более широких и больших диапазонах температур.

Конструкция

Устройство изготовлено из таких материалов, как спеченные смеси оксидов металлов, таких как марганец, никель, кобальт и железо. Их сопротивление колеблется от 0,4 Ом до 75 МОм, и они могут быть изготовлены самых разных форм и размеров. Меньшие термисторы имеют форму шариков диаметром от 0,15 мм до 1,5 мм. Такая бусина может быть запечатана на кончике цельного стеклянного стержня, чтобы сформировать зонд, который легче установить, чем бусину. В качестве альтернативы термистор может иметь форму дисков и шайб, изготовленных путем прессования материала термистора под высоким давлением в плоские цилиндрические формы диаметром от 3 до 25 миллиметров. Шайбы можно складывать друг на друга и размещать последовательно или параллельно, чтобы увеличить способность к регулированию мощности.

Характеристическая кривая

Зависимость сопротивления от температуры от термистора

Зависимость сопротивления от температуры является одной из основных характеристик, которая используется в приложениях измерения, управления и компенсации с использованием термистора. График характеристик представлен ниже. Из графика характеристик типичного термистора видно, что удельное сопротивление изменяется от 107 до 1 Ом·см при изменении температуры от -100 градусов Цельсия до +400 градусов Цельсия. Этот высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления делает термистор идеальным датчик температуры .

Термистор в качестве датчика температуры

Термистор, используемый для измерения температуры, показан на рисунке ниже. Термистор рассчитан на сопротивление 2 кОм при 25 градусах Цельсия, а температурный коэффициент -4% на градус Цельсия обеспечивает уменьшение изменения температуры на 80 Ом на градус Цельсия.

Прибор последовательно подключается к аккумулятору и микрометру. Изменение температуры вызывает изменение сопротивления, если фиксируется показания терморезистора и соответствующее показание тока микрометра. Обычно измеритель калибруется по температуре с разрешением 0,1 градуса Цельсия. Как показано на рисунке, для повышения чувствительности термисторов также используется мостовая схема.

Типы термисторов

Для изучения различных типов термисторов важно понимать формулу, которая показывает линейную зависимость между сопротивлением и температурой.

В приближении порядка 1 ^st изменение сопротивления равно температурному коэффициенту сопротивления порядка 1 ^st , умноженному на изменение температуры.

dR = k.dT

где, dR – изменение сопротивления

k – 1 ^st Заказать Температурный коэффициент сопротивления

dT – Изменение температуры

Если значение температурного коэффициента сопротивления (k) положительное, повышение температуры увеличивает сопротивление. Такое устройство можно назвать позистором или термистором с положительным температурным коэффициентом (PTC). Если значение k отрицательное, повышение температуры уменьшит значение сопротивления. Такое устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

Позисторные термисторы/термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)

PTC Термисторы, которые используются в промышленности, в целом подразделяются на две группы. Первый называется «Силисторы», как чувствительные кремниевые резисторы. Известно, что силисторы имеют положительный температурный коэффициент 08% на градус Цельсия. Если температура поднимается выше 175 градусов по Цельсию, устройство переходит в область с отрицательным температурным коэффициентом. Другая классификация термисторов PTC называется термисторами PTC переключающего типа. Он изготовлен из материалов керамического типа и, как известно, обладает очень высоким сопротивлением при небольшом изменении температуры. Легирующие примеси также добавляются в материал, чтобы он также проявлял полупроводниковое поведение. Известно, что устройство имеет температуру перехода или «Кюри». Пока устройство не достигнет этой конкретной точки, оно показывает отрицательный температурный коэффициент в своих характеристиках сопротивления-температуры. После этого момента он начинает показывать возрастающий положительный температурный коэффициент сопротивления. В этот момент также начинает развиваться резистентность. Основное различие в кривой температурного сопротивления между силистором и переключающим термистором PTC показано ниже. Температурная характеристика сопротивления силистора и переключающего типа PTC

Применение

1. Устройство известно своим применением в качестве устройства защиты цепи, например предохранителя. Протекание тока через устройство вызывает накопление тепла из-за его резистивного свойства. Таким образом, если через устройство протекает чрезмерный ток, устройство соответственно начинает нагреваться и, таким образом, увеличивает свое сопротивление. Это увеличение сопротивления снова создает больше тепла. Это создает такой эффект, который создает большее сопротивление в устройстве и ограничивает величину напряжения и тока в устройстве.
2. Другим основным применением является таймер в цепи катушки размагничивания ЭЛТ-мониторов. Когда ЭЛТ-монитор включен, начальный ток достигает термистора PTC и катушки размагничивания. Термистор PTC будет иметь большой размер, и, таким образом, сопротивление устройства увеличивается по мере прохождения тока. Это вызывает накопление тепла, и, таким образом, катушка размагничивания отключается очень быстро. Катушка размагничивания необходима для плавного уменьшения постоянного магнитного поля. Эту помощь может оказать только термистор PTC.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Термисторы NTC, которые используются в промышленности, в целом подразделяются на две группы. Таким образом, классификация основана на способе размещения электродов на керамическом корпусе. Эта основная категория может быть дополнительно разделена в зависимости от различных типов геометрии, формы и методов обработки. Одной из основных категорий, наиболее часто используемых в промышленности, являются термисторы шарикового типа. В соответствии с формой и методами производства, термисторы с шариками можно снова разделить на шарики без покрытия, шарики со стеклянным покрытием, шарики повышенной прочности, шарики в стеклянных корпусах и многие другие.

Другая группа термисторов NTC – это термисторы с металлизированными поверхностными контактами. Эти термисторы могут монтироваться с помощью пружинных контактов или путем поверхностного монтажа.

Области применения

1. Термисторы NTC используются для измерения температуры (обычно в узком диапазоне и низких температурных диапазонах).
2. Устройство можно использовать для ограничения внезапного перегрузки по току в цепях питания. Известно, что устройство вначале имеет очень высокое значение сопротивления. Сопротивление постепенно уменьшается при нагреве устройства. По мере уменьшения сопротивления нормальная работа цепи восстанавливается и по ней протекает большой ток, не повреждая другие части цепи.
3. Это устройство используется для измерения температуры инкубаторов.
4. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом используются для измерения и контроля аккумуляторов во время их зарядки.
5. Они используются для определения температуры масла и охлаждающей жидкости, используемых в автомобильных двигателях. Эта информация отправляется обратно водителю косвенными путями.

Термисторы PTC и NTC Сравнение

Термистор, сокращенно от ТЕРМИЧЕСКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ РЕЗИСТОР.

PTC, сокращение от Положительный температурный коэффициент.
NTC (отрицательный температурный коэффициент).

Сопротивление термистора PTC увеличивается с повышением температуры.
Сопротивление термистора NTC уменьшается с повышением температуры.