Зависимость сопротивления терморезистора от температуры: принцип действия, гост, платиновый, медный, градуировочная таблица

Содержание

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

Изучение свойств терморезистора — лабораторный практикум и теоретические вопросы. Это сокращённый вариант статьи, полная версия тут. Приборы и принадлежности для выполнения работы: Латунный сосуд с водой, термометр, плитка, термосопротивление, миллиамперметр, вольтметр, источник питания.

1. Краткие сведения из теории о терморезисторах

Терморезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого в сильной степени зависит от температуры. Удельная электрическая проводимость полупроводников:

В примесных (n-типа или p-типа) полупроводниках одним из слагаемых в приведенном выражении можно пренебречь.

Подвижность носителей при нагревании изменяется сравнительно слабо, а концентрация очень сильно. Поэтому температурная зависимость удельной проводимости полупроводников подобна температурной зависимости концентрации основных носителей, а электрическое сопротивление терморезисторов может быть определено по формуле:

где Nо – коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника.

Экспериментально коэффициент температурной чувствительности определяют по формуле:

где Т1 и Т2 – исходная и конечная температуры рабочего температурного диапазона, R1 и R2 – сопротивления терморезистора при температуре соответственно Т1 и Т2. 

Рис. 1 График зависимости сопротивления полупроводникового резистора от температуры.

Чаще всего терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Выпускаются также терморезисторы, имеющие в сравнительно узком интервале температур положительный коэффициент и называемые позисторами. При нагревании величина сопротивления терморезисторов убывает, а позисторов возрастает в сотни и тысячи раз. В справочниках значение  аR приводится для температуры 20 оС.

Терморезистор характеризуется определенной тепловой инерцией, зависящей от химических свойств полупроводника и конструкции элемента (площади излучающей поверхности). Тепловая инерция оценивается постоянной времени т – временем, за которое разность между собственной температурой тела и температурой среды уменьшается в

е раз. 

Если терморезистор, имеющий определённую температуру, поместить в среду с иной температурой, то его температура будет изменяться с течением времени по показательному закону:

С остыванием терморезистора сопротивление его увеличивается (рис. 2).

Рис 2. Процесс изменения температуры и сопротивления терморезистора при его остывании

2. Описание экспериментальной установки

Снятие вольтамперных характеристик выполняется по схеме, приведенной на рис.3.

Рис.3. Электрическая принципиальная схема установки

Измерительной цепь питается от источника постоянного регулируемого напряжения со встроенным вольтметром. Ток через терморезистор измеряется миллиамперметром.

Терморезистор ММТ-4 размещается в демонстрационной пробирке с клеммами, которая не позволяет горячей воде контактировать с корпусом терморезистора, в пробирку можно установить жидкостной термометр (желательно использовать ртутный термометр), для контроля температуры, непосредственно рядом с терморезистором.

Переменный резистор R2 необходим, только если используется нерегулируемый блок питания.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Снятие зависимости R(T) сопротивления терморезистора от температуры. Терморезистор помещается в сосуд с водой, которая нагревается на электроплитке. Измерить сопротивление терморезистора при различных температурах – от комнатной до максимальной, равной 90°С, с интервалом 10 °С. Выполнить измерения для терморезисторов ММТ-4 и ММТ-1. Результаты опыта занести в таблицу.

3.2. Определение тепловой постоянной времени терморезистора. Измерив сопротивление терморезистора при 90 °С, быстро извлечь его из воды. Момент извлечения принять за t = 0. Отключить термостат.

Фиксируя время, измерять сопротивление терморезистора при его остывании до тех пор, пока оно не увеличится примерно в три раза. Данные измерений занести в таблицу.

Список использованной литературы

  1. Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам./ Под ред. С.А.Гусева. Изд. второе пер. и доп.; Балт. гос. техн. ун -т, СПб., 2000.   
  2. Пасынков В. В. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1980. 
  3. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Л.: Энергия, 1977.
  4. Справочник по электротехническим материалам. Тт. 1 – 3/ Под ред. Д. В. Корицкого и др. Л.: Энергия, 1974—1976.

   Форум по теории

   Форум по обсуждению материала ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos — Компоненты и технологии

Статья посвящена исследованию работы терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, рассмотрению преимуществ и недостатков применения термисторов, принципам построения систем измерения и контроля температуры, а также факторам, влияющим на работу термисторов в качестве датчиков температуры, и снижению погрешности измерительной системы.

Потребность измерения температуры и управления ей возникает во многих сферах деятельности человека. А основными требованиями к результатам измерения и управления, как всегда, оказываются скорость и точность, независимо от того, где используется прибор — в быту или в промышленности. В основе любого измерения, в том числе и температуры, положен датчик, и как первостепенный элемент он определяет технико-экономические показатели системы контроля в целом. Применение того или иного вида термочувствительного элемента опять же зависит от требований, предъявляемых к системе в целом, и не говорит о полном преимуществе одного датчика над другими. Для промышленного применения, как правило, используются термопары или резистивные термопреобразователи, выполненные в виде законченных устройств. Непригодность этих термочувствитеьных элементов для повсеместного использования объясняется высокой ценой применяемых материалов и невозможностью удаленного контроля из-за сравнительно маленьких величин выходных параметров, которые сильно подвержены влиянию внешних факторов. Все большее применение находят датчики интегрального исполнения, имеющие низкую нелинейность выходной характеристики от температуры и достаточно малую стоимость, но именно интегральное исполнение является «ахиллесовой пятой» этих элементов ввиду ограниченности рабочего температурного диапазона. Другое дело — терморезисторы с отрицательным ТКС (отрицательный температурный коэффициент сопротивления, или NTC — Negative Temperature Coefficient) — они имеют достаточно большой диапазон рабочих температур, возможность удаленного мониторинга, действуют в сильных магнитных полях. Но есть недостатки, такие как сложная повторяемость экземпляров и сильная нелинейность температурной характеристики, что в свою очередь усложняет и повышает стоимость всего изделия. Так было до прихода микроконтроллеров, на «плечи» которых и будет возложена конечная задача по линеаризации и математической обработке температурной характеристики.

Основные параметры и характеристика NTC-термисторов

В рабочем диапазоне температур зависимость сопротивления терморезистора от температуры достаточно точно описывается выражением [1]:

где R — сопротивление рабочего тела терморезистора при данной температуре

Т, Ом; RN — номинальное сопротивление терморезистора при температуре ТN, Ом; Т, ТN — температура, К; В — коэффициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора (паспортные данные).

Любой NTC-терморезистор кроме температурной характеристики описывается рядом параметров, без которых невозможно полное представление о работе данного типа термодатчиков. Далее приводятся определения основных параметров.

Материал, из которого изготовлен термистор, сохраняет свои свойства при температурах, не выходящих за рамки определенного диапазона, который называют допустимой температурой. При температурах, выходящих за эти пределы, в сенсоре могут произойти необратимые изменения, и он выйдет из строя.

Значение коэффициента

В определяется материалом датчика и представляет собой наклон характеристики R/T. В уравнении (1) значение коэффициента В определено двумя точками характеристики R/T (RT, T) и (RN, TN), исходя из этого:

Терморезистор, имея номинальное значение сопротивления при определенной температуре, как и любой резистор, может иметь отклонение ΔR/RN (допуск), обусловленное технологией изготовления. Этот параметр дается производителем на одну точку (обычно 25 °С). Однако когда требуется высокая точность измерений в широком диапазоне температур, допуск может быть указан производителем не на сопротивление, а на температуру в гарантированном диапазоне ΔT. Соответственно, такой термистор будет измерять другие значения температур с тем же самым отклонением (точностью).

Температурный коэффициент α выражает в процентах изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1°. Вследствие нелинейности температурной характеристики значение температурного коэффициента зависит от величины температуры, поэтому его записывают обычно с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Например, α293 — температурный коэффициент термистора при температуре 293. Вычисляют температурный коэффициент по формуле, вытекающей из его определения и выражения температурной характеристики:

Сопротивление при нулевой мощности измерения — это значение сопротивления термистора, измеренное при определенной температуре под электрической нагрузкой, настолько маленькой, что она практически не оказывает влияния на результат измерения. Если же измерительный ток будет высоким или же сопротивление термистора будет иметь низкое значение, результат измерений будет искажен из явления саморазогрева, что должно быть принято во внимание. Явление саморазогрева зависит не только от электрической нагрузки, но и от теплового коэффициента рассеяния δ

th и геометрических размеров датчика. Оно описывается следующим выражением:

где P — приложенная электрическая мощность, мВт; U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе, В; I — мгновенное значение тока, протекающего через терморезистор, мА; Т — мгновенная температура терморезистора, К; ТА — температура окружающей среды, К; Сth — теплоемкость терморезистора, мДж/К; dT/dt — изменение температуры во времени, К/с.

Если постоянная электрическая мощность будет приложена к терморезистору, то его температура сначала незначительно увеличится, но это изменение со временем будет снижаться. А после некоторого временного промежутка будет достигнуто устойчивое состояние, при котором приложенная мощность рассеется за счет эффекта теплопроводности или конвекции. Если принять

dT/dt равным нулю, а U = R×I, где R — сопротивление терморезистора, соответствующее его температуре, то получим:

Полученные формулы являются параметрическим представлением вольт-амперной характеристики с зависимостью сопротивления терморезистора от температуры R(T). Очевидным является и то, что вольт-амперная характеристика зависит от коэффициента рассеяния, который, в свою очередь, зависит от геометрических размеров датчика и среды, в которую он помещен.

Максимально допустимый ток — ток, при протекании которого через терморезистор температура последнего равна максимально допустимой. Величина допустимого тока зависит от температуры среды и ее характера. При одинаковой температуре двух сред допустимый ток будет больше в той среде, которая обладает большей теплопроводностью. Соответственно, коэффициент рассеяния, зависящий от параметров среды, определяет максимально допустимую мощность, рассеиваемую датчиком, помещенным в такую среду:

Коэффициент рассеяния определяется как отношение изменения в рассеиваемой энергии к изменению температуры терморезистора. В численном виде выражается в мВт/К и служит мерой нагрузки, которая вызывает изменение температуры терморезистора на 1 К в установившемся состоянии окружающей среды:

Для определения коэффициента рассеяния к терморезистору прикладывают нагрузку, при которой соотношение U/I соответствует значению сопротивления, измеренному при температуре Т = 85 °С:

где Т — температура тела терморезистора, °С; ТА — температура окружающей среды, °С.

Теплоемкость Сth — количество тепла, которое надо сообщить терморезистору, чтобы повысить температуру рабочего тела на один градус. Величина теплоемкости является функцией температуры, однако при температурах, не превышающих допустимой, можно принять ее постоянной и вычислять по формуле:

где τС — тепловая постоянная времени охлаждения, с.

Постоянная времени τС — время, в течение которого температура рабочего тела при его свободном охлаждении понижается на 63,2% от первоначальной разности температур рабочего тела и окружающей среды. Как правило, температура, до которой нагревают терморезистор, равна 85 °С, а температура среды, в которую помещают терморезистор для охлаждения, берется равной 25 °С. Соответственно, охлаждение рабочего тела терморезистора происходит тем быстрее, чем меньше его геометрические размеры.

Как и у любого радиоэлемента, материал, из которого изготовлен терморезистор, подвержен необратимому изменению характеристик (у терморезисторов это увеличение сопротивления и изменение коэффициента В). Это происходит из-за теплового перенапряжения, приводящего к дефектам кристаллической решетки, окисления незащищенных частей терморезистора, связанного с повреждением корпуса датчика, или из-за диффузии в контактных поверхностях металлизированного покрытия электродов. При низких температурах эти процессы происходят медленно, но на высоких температурах ускоряются, а со временем снижаются. Поэтому для увеличения временной стабильности параметров и уменьшения влияния изменения характеристик многие производители умышленно подвергают терморезисторы процессу старения непосредственно после изготовления.

Обзор NTC-термисторов компании Epcos

Термисторы компании Epcos изготавливаются из тщательного отобранного и протестированного сырья. Основой для изготовления служат оксиды металлов, таких как марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк. Оксиды первоначально измельчаются до порошкообразной массы, смешиваются с пластиковыми связующими элементами и сжимаются до нужной формы. Затем их плавят для получения поликристаллического корпуса термистора. После определенного этапа тестирования термисторы подвергаются старению для получения необходимой стабильности параметров.

Компания Epcos выпускает достаточно большой ряд терморезисторов, с которым можно ознакомиться в специальном документе по выбору Selector Guide [2]. В рамках же данной статьи мы рассмотрим лишь прецизионные малогабаритные датчики (табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики NTC-термисторов Epcos

Как говорилось ранее, выбор того или иного термопреобразователя чаще всего обусловлен требованиями к разрабатываемой системе контроля, поэтому основными параметрами, на которые опирается разработчик, оказываются рабочий температурный диапазон, массо-габаритные показатели, допуск на номинальное сопротивление, постоянная времени и стоимость элемента.

Нестандартный подход к стандартной характеристике NTC-термисторов

В начале статьи говорилось, что температурная зависимость сопротивления термистора точно описывается выражением (1), однако опытным путем было установлено, что эта же характеристика может быть не менее точно воспроизведена следующим полиномом:

где r(T) — сопротивление терморезистора при температуре Т; А0, А1, А2Аn — некие коэффициенты, зависящие лишь от свойств материалов, которые используются при в изготовлении термистора.

Казалось бы, это нисколько не упрощает представление о поведении температурной характеристики термистора, а наоборот — ведет к усложнению из-за переноса температуры в знаменатель и бесконечного числа возможных коэффициентов. Но как показала обработка этой математической модели на «живых» образцах, практически любой термистор можно описать с помощью семи первых членов полинома, так как вклад последующих составляющих в конечное значение сопротивления незначителен:

Тогда, переходя к термопроводимости, мы получим:

где r(T) — сопротивление, кОм; g(T) — проводимость, мСм.

Такая зависимость имеет ряд преимуществ перед экспоненциальной при ее использовании в целях линеаризации характеристики с помощью математического моделирования. Для наглядного представления рассмотрим применение этой зависимости на стандартной R(T) характеристике терморезистора В57861 (S861) с номинальным сопротивлением 10 кОм.

Из представленных данных (табл. 2, рис. 1) видно, что разница между значениями сопротивлений, которые предоставляет производителем в виде табличной характеристики № 8016 [3], и значениями термосопротивлений, полученными с помощью математической модели, не значительна и не превышает 0,1%, что позволяет в дальнейших математических расчетах пренебречь этими отклонениями. Коэффициенты математической модели, с помощью которых получены расчетные данные, равны:

Рис. 1. Температурная зависимость терморезистора B57861 (S861)

Таблица 2. Характеристика терморезистора В57861 (S861)

Сразу же оговоримся, что представленные коэффициенты подходят только для указанного температурного диапазона и табличной характеристики 8016 NTC-термисторов компании Epcos. Номинальное сопротивление терморезистора в этом случае не имеет значения. Кроме того, ограниченность температурного диапазона не обусловлена невозможностью описания с помощью математической модели, а связана с конкретным применением, для которого проводились эти расчеты.

Последующим этапом реализации практического применения полиноминального представления характеристики термосопротивления является воспроизведение зависимости (12), для чего оказалось достаточным и удобным использование операционного усилителя (ОУ) в неинвертирующей схеме включения (рис. 2).

Рис. 2. Преобразователь R(T) U(T)

Указанная схема будет иметь следующую выходную характеристику:

графическое построение которой представлено на рис. 3.

Рис. 3. Графическое представление линеаризации температурной характеристики

Масштаб координатной сетки температурной зависимости U(T) можно легко менять с помощью резистора обратной связи ROC и резистивного делителя опорного напряжения UREF, состоящего из резисторов R1 и R2. Соответственно, преобразователь R(Т)

U(T) с поставленной задачей справляется.

Линеаризация температурной характеристики NTC-термисторов

Вопрос линеаризации выходной характеристики термопреобразователя остается до сих пор открытым. Существуют методы частичной или же мнимой линеаризации, которые предлагают даже сами производители нелинейных элементов, но они не дают полного решения этой задачи.

Предлагаемый в рамках данной статьи метод, основанный на математическом моделировании, заключается в построении искусственной линейной температурной зависимости (a×T+b) и последующем построении дополнительной характеристики Y(Т), позволяющих с помощью простых вычислений определять температуру с высокой точностью. Но из этих математических построений вытекает ряд условий, которые необходимо соблюсти для получения данных высокой точности:

  1. Температурный диапазон, в котором предполагается использование датчика, должен быть четко определен.
  2. Использование микроконтроллера, так как воспроизведение искусственно созданных зависимостей с помощью аналоговой электроники не возможно.
  3. Использование прецизионных радиоэлементов для точного представления поведения датчика в рассматриваемом применении.

Процесс построения искусственной линейной зависимости в известном температурном диапазоне при наличии математической модели поведения терморезистора не составляет большого труда. Для этого достаточно взять две крайние точки характеристики U(T) (рис. 3) и провести между ними линейный отрезок (a×T+b). Получить значение коэффициентов a и b в системе уравнений:

где Т0 и ТN — соответственно начальная и конечная температуры контролируемого диапазона, также не вызовет затруднений. Вспомогательную характеристику Y(T) (рис. 3) получаем по следующей формуле:

Зависимость Y(T) имеет вид отрицательной параболы, исходя из этого, зависимость Y(T) можно представить следующим образом:

где PT, QT и RT — постоянные коэффициенты, которые не зависят от температуры, а определяются свойствами термистора.

Приравнивая выражения 15 и 16, получаем квадратное уравнение, где неизвестной величиной является температура:

Корни этого квадратного уравнения находятся известным путем:

Для нашего применения подходит только один из них, поэтому вычисление конечного значения температуры можно осуществлять по формуле:

Если температурный диапазон большой, а контроль температуры необходимо осуществлять с высокой точностью, то можно пойти по пути кусочной аппроксимации, и тогда коэффициенты PT , QT и RT для каждого температурного поддиапазона будут свои.

Практическое применение

Для рассмотрения представленного метода линеаризации на практике вернемся к уже известному терморезистору В57861 (S861) с номинальным сопротивлением 10 кОм ±1%. Использование термистора предполагается в температурном диапазоне от 0 до 155 °С. Исходя из этого, номиналы резисторов для преобразователя R(Т)

U(T) были взяты следующие: ROC = 1,62 кОм ±0,1%, R1 = 10 кОм ±0,1%, R2 = 1 кОм ±0,1%, а опорное напряжение UREF = (2,5 ±0,002) В.

Представленные данные (табл. 3) получены путем разбиения всего температурного диапазона на 8 поддиапазонов, для которых были вычислены соответствующие коэффициенты PT, QT и RT (табл. 4).

Таблица 3. Пример использования метода линеаризации

Таблица 4. Расчетные значения коэффициентов PT, QT и RT

Но даже применяя микроконтроллер, неудобно и программно неоправдано держать такое большое количество нецелочисленных коэффициентов. А переходя к аналого-цифровому преобразованию, для исключения дополнительной погрешности будет правильным в любую формулу подставлять дискреты, полученные от АЦП, а не пересчитанное значение напряжения. Поэтому конечная формула вычисления температуры для 12-битного АЦП будет выглядеть следующим образом:

где TU — вычисляемое значение температуры, iƒ (на английском «если») — условие использования одной из формул, ΔU — полученные дискреты от АЦП.

Соответственно, если ΔU < 391, то значение температуры ниже 0 °С, а если ΔU > 4022, то значение температуры выше 155 °С. Ну и, рассматривая каждый поддиапазон температур в отдельности, можно получить для него следующие точностные характеристики (табл. 5).

Таблица 5. Точностные характеристики поддиапазонов

Такая низкая разрешающая способность, а также ее неравномерность в интервале температур от 0 до 60 °С связана с нелинейностью выходной характеристики преобразователя R(Т)

U(T).

Указанная в таблице 5 погрешность не является полной, так как она не учитывает отклонение сопротивления резисторов и опорного напряжения от номинальных значений. В таблице 6 представлены возможное отклонение истинной вычисленной температуры от истинного значения и погрешность системы без учета допустимого отклонения термосопротивлений от величин, предоставленных производителем в качестве стандартной температурной характеристики № 8016.

Таблица 6. Погрешность системы для каждой контрольной точки

В начале статьи говорилось, что терморезистор, как и любой резистор, имеет отклонение ΔR/RN от номинального значения сопротивления, обусловленное технологией изготовления, и что этот параметр дается производителем на точку 25 °С. Однако, в отличие от простых резисторов, эта величина у терморезистора во всем температурном диапазоне не одинакова, и что еще важней — она увеличивается. Компания Epcos для упрощения вычислений и исключения необходимости самостоятельного определения отклонений в нужном температурном диапазоне предоставляет программу “NTC R/T Calculation” [4], которая позволяет в автоматическом режиме проводить все необходимые расчеты по определению отклонений сопротивления и температуры.

Исходя из данных таблицы 7, можно посчитать тотальную погрешность рассмотренной измерительной системы с учетом всех отклонений и допусков от соответствующих номинальных значений, ошибки АЦП и расчетов математической модели (табл. 8).

Таблица 7. Отклонения для терморезистора В57861S0103F040

Таблица 8. Абсолютная погрешность измерительной системы для каждой контрольной точки

Поправка на саморазогрев термистора

При работе в любой электрической схеме через терморезистор протекает измерительный ток, если его величина будет более 100 мкА или же сопротивление термистора будет иметь небольшую величину, то результат измерений искажается. Это явление называется саморазогревом и, как было сказано ранее, зависит не только от нагрузки, но и от применяемых материалов и конструкции датчика. Говоря другими словами, на полученный результат измерений необходимо делать поправку, вычисление которой можно проводить по следующей формуле:

где TA — действительно значение контролируемой температуры; Т — измеренное значение температуры; U — мгновенное значение напряжения на терморезисторе, I — мгновенное значение тока, протекающего через терморезистор; R(T) — значение сопротивления терморезистора, соответствующее температуре Т; δth — коэффициент теплового рассеяния.

Применительно к используемой схеме и при условии использования микроконтроллера с 12-битным АЦП выражение (20) будет выглядеть следующим образом:

В примененной схеме включения (рис. 2) величина поправки будет тем меньше, чем больше значение резистора в обратной связи операционного усилителя RОС. Следует отметить, что полученные значения поправки для температуры (табл. 9) справедливы только для указанных термисторов, преобразователя R(Т)

U(T), а также для значения коэффициента рассеяния в воздухе, равного 1,5 мВт/К. При применении термистора в любой другой среде необходимо определять значение этого коэффициента опытным путем.

Таблица 9. Поправка на саморазогрев для терморезистора В57861S0103F040

Заключение

Применение термисторов с отрицательным ТКС в качестве датчиков температуры имеет определенные ограничения, связанные с точностью и погрешностью измерений, но при использовании предложенного в рамках данной статьи метода такое применение возможно. Полученные на конкретном примере значения не являются обобщающими для всех терморезисторов, а введение небольших доработок в преобразователь позволяет увеличить точностные показатели измерительной системы в целом в 2–3 раза.

Литература

  1. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/PDF/PDF__General__technical__information,property=Data__en.pdf;/PDF_General_technical_information.pdf
  2. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/ PDF/PDF__SelectorGuide,property=Data__en.pdf;/PDF_SelectorGuide.pdf
  3. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/NonlinearResistors/NTCThermistors/PDF/PDF__Standardized,property=Data__en.pdf;/PDF_Standardized.pdf
  4. http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/DesignTools/NTCThermistors/Page__License2,locale=en.html

9. Терморезисторы — СтудИзба

Глава 9

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

§ 9.1. Назначение. Типы терморезисторов

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от тем-гературы. Терморезисторы называют также термометрами сопро­тивления или термосопротивлениями. Они применяются для !змерения температуры в широком диапазоне от —270 до 1600°С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электри­ческим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность тепло­обмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой сходится терморезистор, от скорости перемещения терморезисто­ра относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы ис­пользуются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисто­ры. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых метал­лов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и воль­фрама. Для большинства чистых металлов температурный ко­эффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5)10-3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С со-противление металлического терморезистора увеличивается на 0,4— 0,65%. Наибольшее распространение получили медные и платино­вые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффи­циент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применя­ются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляют­ся и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает темпе­ратурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окис­ляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры прихо

дится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и
молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики не­
сколько отличающиеся от образца к образцу.                             ‘

Широкое применение в автоматике получили полупроводнико­
вые терморезисторы, которые для краткости называют термисто-
рами. Материалом для их изготовления служат смеси оксидов мар­
ганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными пои-
месями и др.                                                                                         к

По сравнению с металлическими терморезисторами полупровод­никовые имеют меньшие размеры в большие значения номиналь­ных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший тем­пературный коэффициент сопротивления (до —6 10-2 1/°С) Но этот коэффициент —отрицательный, т. е. при увеличении темпера­туры сопротивление термистора уменьшается. Существенный не­достаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с ме­таллическими—непостоянство температурного коэффициента со­противления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термис-тор имеет нелинейную характеристику. При массовом производст­ве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

Рекомендуемые файлы

§ 9.2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров проводника; а —температурный коэффици-ент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в гра­дусах Цельсия соотношением Т К=273+Т°С.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при началь­ной температуре Т0и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление RT = T. Возьмем отношение

 

  Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд:


 

 Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150°С может быть принята постоянной а=4,3-10-з 1/°с, то и произведение а (Г— Т0) в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше сопротивление при температуре Т через начальное со­противление при То

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопро­тивление 100,00 Ом при 0°С. Медные терморезисторы выполняют­ся из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изо­ляции эмалью.

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в бо­лее широком диапазоне температур, чем медные, следует учиты­вать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е*.

В диапазоне температур от —50 до 700°С достаточно точное является формула

где для платины =3,94 10-3 1/°С,  = 5,8 10-7 (1/°С)2.

Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обознача­ются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствую­щей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0°С, гр. 21—46,00 Ом; гр. 22—100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.

В табл. 9.1 приведены зависимости сопротивления металличе­ских терморезисторов от температуры; они называются стандарт­ными градуировочными таблицами.

На рис. 9.1 показано устройство платинового термометра сопро­тивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволо­ки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Се­ребряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный че­хол 7.

 

§ 9.3. Полупроводниковые терморезисторы

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувст­вительность значительно выше, чем металлических, поскольку тем­пературный коэффициент сопротивления полупроводниковых тер­морезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов = (4-6)*10-3 1/°С, то для полупроводнико­вых терморезисторов ||>4*10-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной   характеристикой   терморезистора   является   зависи­мость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и кон­структивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

Сравнение формулы (9.6) с формулой (9.1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.

Вообще чувствительность терморезистора (как датчика темпе­ратуры) можно оценить как относительное изменение его сопро­тивления (R/R), деленное на вызвавшее это изменение прираще­ние температуры:

Для металлического терморезистора чувствительность можно полу­чить дифференцируя (9.4). Следовательно, , т. е. именно тем­пературный коэффициент сопротивления определяет чувствитель­ность.

Для полупроводникового терморезистора   (термистора)   чувст­вительность получим, дифференцируя (9.6):

Из (9.9) видно, что чувствительность термистора имеет нелиней­ную зависимость от температуры.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобаль-тово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 9.2 показаны за­висимости сопротивления от температуры для термисторов этих ти­пов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, боль­ше для КМТ).

Электрическое сопротивление термистора при окружающей тем­пературе +20°С называют номинальным или холодным сопротив­лением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта вели­чина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.

Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120°С, а для типа КМТ— 180°С.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных испол­нениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 9.3 показаны некоторые конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 9.3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметиза­ции. Они состоят из полупроводникового стержня /, покрытого эма-

левой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термис-торы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 9.3, б) также состоят из полу­проводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотвода­ми 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металличе­ской фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышен­ной влажности.

На рис. 9.3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика / диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами поме­щен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от —70 до 4-250°С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

§ 9.4. Собственный нагрев термисторов

Термисторы применяются в самых различных схемах ав­томатики, которые можно разделить на две группы. В первую груп­пу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определя­ется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает допол­нительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ— 2—5 мА. Во вторую группу вхо­дят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет

собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогрева­ет его. Поскольку   при повышении   температуры   сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему вы­делению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявля­ется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схе­мах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа. На рис. 9.4, а показана вольт-амперная характеристика термис-тора. При малых токах  влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет про­порционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении то­ка (/>/доп) начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная   характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем тер­мореле, стабилизатора напряжения и др.

Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристи­ки термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 9.4, б представлена схема включения, а на рис. 9.4, в — харак­теристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора от сутствует добавочное сопротивление(RДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая UTна рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь тер­мистора RTвключить добавочный резистор RДОБ(рис. 9.4, б) с пря­молинейной характеристикой (кривая URна рис. 9.4, в). При гра­фическом сложении этих двух характеристик {Ut+Ur) получим общую вольт-амперную характеристику U0(имеющую S-образный вид на рис. 9.4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле (см. гл. 26). Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 9.4, б) при плавном увеличении напряжения питания U0При достижении значения напряжения срабатывания Ucp(этому напряжению со­ответствует ток I1) ток скачком возрастает от значения 1 до су­щественно большего значения /2. При дальнейшем увеличении на­пряжения ток будет плавно возрастать от I2. При уменьшении на­пряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I3(этому току соответствует напряжение отпускания U0T), а затем скачком падает до значения /4, после чего ток плавно уменьшается донуля. Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а посте­пенно из-за инерционности термистора.

§ 9.5. Применение терморезисторов

При использовани терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом ре­жиме температура терморезистора практически определяется толь­ко температурой окружающей среды. Ток, проходящий через тер­морезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися усло­виями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они иг­рают роль датчиков температуры и называются обычно термомет­рами сопротивления. Наибольшее распространение получили тер­мометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров со­противления могут возникать следующие погрешности: 1) от ко­лебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления со­единительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием проте­кающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний питания используется измерительный прибор логомет.-рического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, од­на из которых создает вращающий, а вторая — противодействую­щий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, за­висящий от сопротивлеия терморезистора Rt. Вторая катушка пи­тается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

При колеоаниях напряжении питания

одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение бу­дет оставаться постоянным.

В автоматических уровновешенных мостах колебание напряжения пита­ния не приводит к появлению пропор­циональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединитель­ных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, ес­ли сопротивление датчика выбрать из условия  намного больше Rпр, где Rпр— сопротив­ление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) Rпр может достигать 3—5 ОмЛЕще од­ним способом уменьшения погрешно­сти от температурных изменений со-

противления соединительных проводов является применение «п»-гопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включения датчи­ка RДв мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Со­противления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия мос­та. Сопротивление проводов b вообще не входит в мостовую схе­му. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Переда­ча теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользу­ются понятием «постоянная времени»:

коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения дат­чика со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Тср(°С), то его температура будет изменяться во времени по сле­дующему закону:

Чем больше постоянная времени т, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время  датчик нагреется только до температуры Тср=0,63°С,

а за время / до температуры Т,ср=0>99оС. Графиком уравне­ния   (9.11)   является экспонента, показанная на  рис.   1.3, в.

В лекции «9. Билеты для самотестирования по ключевым вопросам» также много полезной информации.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собст­венного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения раз­личных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоапемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую пла­тиновую проволоку /, припаянную к двум манганиновым стерж­ням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через термо­резистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но темпера­тура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет оп­ределяться скоростью газового потока, в который помещен дат­чик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отво­диться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуи-ровочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при уве­личении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20%.

На аналогичном принципе основана работа электрического га­зоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых тер­морезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и угле­кислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше тепло­проводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в ка­мере с С02 будет меньше, чем от терморезистора в камере с воз­духом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволя­ет использовать терморезисторы с собственным нагревом в элек- • трическнх вакуумметрах. Чем глубже вакуум ( т. е. более разре­жен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезис­тора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезис­тор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезисто­ра будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточ­но интенсивный собственный нагрев (до 200—500°С).

Сопротивление — терморезистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Сопротивление — терморезистор

Cтраница 1


Сопротивление терморезистора уменьшается, и это вызывает снижение сопротивления всего нижнего плеча, состоящего из R.  [2]

Сопротивление терморезистора определяется температурой окружающей среды и температурой перегрева. Вольт-амперные характеристики терморезисторов ( рис. 3) снимают в спокойном воздухе при постоянной температуре окружающей среды.  [3]

Сопротивление терморезистора уменьшается с увеличением температуры, что соответствует отрицательному значению температурного коэффициента сопротивления а.  [4]

Сопротивление терморезистора обладает резко выраженной зависимостью от температуры.  [5]

Сопротивление терморезистора выбирают таким, чтобы изменения ЭДС Ех и компенсирующего напряжения UK при изменении температуры раствора взаимно компенсировались.  [6]

Когда сопротивление терморезистора R вследствие повысившейся температуры объекта снизится до определенного значения, ключ на транзисторах VTh VT2 включится и схема управления шунтируется.  [8]

Изменение сопротивления терморезистора приводит к увеличению тока через калиброванные резисторы и компенсирует погрешность.  [10]

Зависимость сопротивления терморезистора от температуры окружающей среды позволяет использовать их для измерения неэлектрических величин — скорости и расхода жидких и газообразных веществ, состава газовой среды и других целей.  [11]

Приращение сопротивления терморезистора зависит от рассеиваемой в нем мощности и от распределения температуры.  [12]

Измерение сопротивления терморезистора ( а следовательно, и мощности) производится с помощью моста постоянного тока. В одно плечо моста включается болометр или термистор, а в остальные — постоянные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает наибольшей чувствительностью.  [14]

Уменьшение сопротивления терморезистора при увеличении температуры объясняется тем, что у него под действием тепловой энергии увеличивается число свободных носителей заряда.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Определение зависимости сопротивления NTC-термистора от температуры кристаллов силовых модулей

5 ноября 2020

Тепловое моделирование позволяет наиболее точно вычислить температуру кристаллов – основной параметр, определяющий срок службы устройства. Infineon Technologies предлагает простое решение, которое позволяет легко и точно оценить температуру кристалла.

При работе устройств силовой электроники большой интерес для пользователя представляет текущая температура кристаллов. Если нет возможности измерять температуру самих кристаллов – можно использовать дополнительные датчики, такие как NTC-термисторы, и измерять их температуру, которая зависит от температуры кристаллов, а уже исходя из полученных значений, оценивать температуру самих кристаллов. Однако определение зависимости между температурой кристалла и показаниями датчика – не такая уж и тривиальная задача. Рассмотрим простую и вместе с тем достаточно надежную методику, позволяющую экспериментально получить необходимые данные.

Разработка любого устройства силовой электроники обычно начинается со схемотехнического и теплового моделирования. Задача теплового моделирования состоит в том, чтобы как можно точнее определить температуру кристаллов, поскольку это основной параметр, определяющий срок службы устройства. С одной стороны, существует стандарт JEDEC [1], который предусматривает определение температуры полупроводниковых кристаллов путем проведения натурных измерений при эксплуатации. С другой стороны, организация этого процесса сопряжена с определенными трудностями, да и вряд ли получится выполнить такие измерения в работающем устройстве. Однако существует более простое решение, позволяющее оценить температуру кристалла. Это решение было получено в результате экспериментального исследования, установка для проведения которого показана на рисунке 1а. В состав установки входят:

  • силовой модуль;
  • источник питания;
  • аппаратура для сбора данных;
  • охлаждающая установка;
  • оборудование для измерения температуры.

Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне при подаче напряжение только на диоды (б)

Исследуемое устройство представляет собой силовой модуль 1000 А/1700 В, установленный на радиатор с возможностью принудительного воздушного охлаждения. Объемный расход формируемого воздушного потока контролируется, чтобы обеспечить режим охлаждения, соответствующий реальным условиям эксплуатации модуля. Температура кристаллов регистрируется ИК-камерой. Также измеряется температура корпуса под кристаллами, для этого используются термопары, прикрепленные к основанию силового модуля.

Сопротивление NTC-термистора, регистрируемое аппаратурой сбора данных, преобразуется в значение температуры, в соответствии с характеристической кривой термистора, приведенной в паспорте модуля [2]. Кроме того, измеренные значения сопротивления впоследствии используются для построения соответствующих зависимостей. Также температуру NTC-термистора можно определить с помощью ИК-камеры.

Для питания исследуемого устройства используется регулируемый источник постоянного тока, который обеспечивает нагрев полупроводниковых диодов за счет пропускания через них большого тока при малых значениях напряжения. Для наблюдения за состоянием исследуемого устройства используется ИК-камера, как показано на рисунке 1б.

Регулируя ток через диоды, можно нагревать кристаллы до различных температур, а также удерживать систему в стационарном состоянии для проведения измерений. Измеренные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений при использовании принудительного воздушного охлаждения

Расход воздуха, м3 Ток, А NTC, Ом Температура NTC
(ИК-камера), °C
Температура NTC (расчет), °C Tемпература диода, макс., °C
206,3 50 4045 30 29,3 33
206,3 100 3500 34,5 33,4 43
206,3 200 2455 43,6 41,8 66
206,3 300 1570 57,5 53,7 96
206,3 400 1020 66,5 65,8 130
206,3 460 790 80 73,5 153

Сопоставляя измеренные значения с помощью подходящего ПО, можно построить график зависимости между температурой диода и сопротивлением NTC-термистора. На рисунке 2 этот график приведен вместе с соответствующим интерполяционным полиномом.

Рис. 2. График зависимости между температурой кристалла и сопротивлением термистора, построенный по экспериментальным данным

На рисунке 2 хорошо видно, что зависимость имеет нелинейный характер, поэтому для точной интерполяции экспериментальных данных необходимо использовать полином третьей степени. Поскольку характеристическая кривая термистора обычно приводится в паспорте на модуль, не составляет никакого труда преобразовать измеренные значения сопротивления в температуру. Если полученные значения температуры коррелируют с измеренными значениями температуры кристалла, то итоговый график зависимости температуры диода от температуры термистора будет иметь линейный характер, что и показано на рисунке 3.

Рис. 3. График зависимости между температурой кристалла и температурой NTC-термистора, построенный по экспериментальным данным

В значительной степени на эту зависимость влияет сама система охлаждения модуля. Если в системах с принудительным воздушным охлаждением тепло распределяется по всей поверхности модуля и может достаточно быстро достигать места установки NTC-термистора, то при использовании радиаторов с жидкостным охлаждением, имеющих сложную структуру, тепло, отводимое от полупроводниковых кристаллов, практически не рассеивается в толще материала радиатора, что напрямую влияет на скорость нагрева NTC-термистора.

В итоге увеличивается разрыв между температурой полупроводниковых кристаллов и термистора. Чтобы убедиться в этом, был проведен второй эксперимент с тем же силовым модулем в корпусе PrimePACKTM 3 [2], только на этот раз модуль установили на радиатор с жидкостным охлаждением, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Экспериментальная установка, в которой используется радиатор с жидкостным охлаждением (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне (б)

Чтобы оценить влияние различных условий охлаждения, в том числе скорости потока охлаждающей жидкости, были проведены две серии измерений. При этом ток через модуль задавался таким, чтобы тепловой режим кристаллов в обоих случаях (при разных скоростях потока) оставался примерно одинаковым. Полученные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты измерений при использовании радиаторов

Расход ОЖ, л/мин Ток, А Tемпература диода, макс., °C NTC, Ом Температура NTC (расчет), °C
5,6 300 67,5 3400 35,5
500 115 2080 50,0
610 145 1950 58,5
12,8 350 68 4330 28,8
570 115 1770 37,9
680 143 2250 42,2

Чтобы сравнить полученные результаты, мы изобразили все три зависимости на одном графике, показанном на рисунке 5.

Рис. 5. Зависимость температуры NTC-термистора от температуры кристаллов при различных условиях охлаждения

Как видим, чем выше эффективность системы охлаждения, тем больше расхождение между температурой кристалла и температурой NTC-термистора, поэтому нельзя создать универсальную тепловую модель для «голого» силового модуля, которая учитывала бы все возможные условия его применения. Если же мы попробуем найти зависимость, исходя из значений теплового сопротивления, то столкнемся с еще большими трудностями [3].

Ограничения модели

Предложенная модель позволяет в первом приближении оценить взаимосвязь температур различных участков силового модуля. Однако описанная процедура имеет ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание при построении более точной модели. Особенно тщательно надо изучить характер изменения температуры, если требуется определить уровень срабатывания защиты от перегрузки по току.

Применимость методики

Все результаты, полученные в ходе проведенных экспериментов, справедливы только для статических режимов работы. Поскольку установка имеет определенную теплоемкость, после изменения параметров необходимо подождать некоторое время, пока не закончатся все динамические процессы. В случае принудительного воздушного охлаждения время такого ожидания составляет несколько минут. При использовании радиатора с жидкостным охлаждением статическое равновесие достигается за 30…60 секунд. Как следствие, сопротивление NTC-термистора очень медленно реагирует на изменение температуры, что не позволяет использовать его для наблюдения за переходными процессами. Обычно эти термисторы применяются для защиты от перегрева, который может возникнуть из-за различных проблем с системой охлаждения, таких как загрязнение радиаторов, отказ вентиляторов или поломка насосов. В таких ситуациях температура растет медленно, поэтому ее можно контролировать по сопротивлению термистора, если выбрать правильное пороговое значение. Для определения последнего рекомендуется проводить эксперимент в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации модуля в конкретном оборудовании.

Температура кристалла и T

vj,max

При создании тепловой модели необходимо установить взаимосвязь с максимальной температурой кристалла. Если посмотреть на модуль в ИК-диапазоне, можно увидеть, что температура на поверхности кристалла отличается от температуры перехода Tvj,max. В то же время при эксплуатационных измерениях, описанных в стандартах, за максимальную температуру кристалла Tvj,max принимается средняя температура по всей его поверхности. Это значение используется для прогнозирования срока службы силового модуля при циклическом режиме работы [4]. ИК-камера, используемая в эксперименте, определяет температуру локальных зон, каждая из которых соответствует одному пикселю изображения.

Тепловая модель, построенная на основе таких измерений, будет очень неточной. Значения, получаемые в ходе эксплуатационных измерений, представляют собой среднюю температуру всех кристаллов модуля, особенно в случае силовых модулей больших размеров. Чтобы построить модель, близкую к стандартной, требуется дополнительная обработка результатов инфракрасной съемки, заключающаяся в усреднении температур всех активных зон модуля. Как показано на рисунке 6, максимальную температуру (104°C), по данным ИК-камеры, имеют соединительные проводники кристаллов. Максимальная температура на поверхности кристалла оказывается немного ниже – около 100°C. А средняя температура, которая будет зарегистрирована при эксплуатационных измерениях, окажется равной всего 93°С.

Рис. 6. Детальное изображение одного кристалла в ИК-диапазоне и температура разных его областей

Работа при постоянном и переменном токах

При проведении эксперимента мы для удобства использовали источник постоянного тока. Это позволило исключить взаимный нагрев близко расположенных кристаллов IGBT и диодов. Однако в действительности потери возникают в обоих компонентах, поэтому питание тестируемого модуля переменным током позволит создать для него условия, более соответствующие реальным условиям эксплуатации. Для это можно использовать источник переменного тока достаточной мощности [5]. В качестве альтернативного варианта тестируемый модуль можно включить в качестве нагрузки в мостовую схему. В этом случае также можно будет оценить влияние коэффициента мощности приложения cos(φ) на работу модуля.

Выводы

Для «голого» силового модуля нет универсальной модели, которая бы описывала зависимость между сопротивлением NTC-термистора и температурой кристаллов. Чтобы точно определить эту зависимость, никак не обойтись без проведения натурных измерений. Чтобы получить надежные и достоверные соотношения между температурой кристаллов и сопротивлением NTC-термистора, необходимо учитывать даже такие детали, которые обычно считаются малозначимыми. Съемка модуля в ИК-диапазоне позволяет получить наиболее полную информацию о распределении температуры по его поверхности, а также выявить зоны с максимальной температурой. Она же позволяет в полной мере учесть влияние всех конструктивных особенностей устройства на температуру модуля.

Правильная интерпретация результатов измерений в ИК-диапазоне дает возможность создать соответствующую тепловую модель, описывающую зависимость сопротивления NTC-термистора от температуры кристаллов модуля в статическом и квазистатическом режимах работы.

Литература

  1. Electronic Industries Association. EIA/JESD51-1, Integrated Circuits Thermal Measurement Method — Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
  2. Infineon Technologies. Data sheet FF1OOOR7IP4
  3. Nils Kerstin, Martin Schulz. The Challenge of Accurately measuring Thermal Resistances PCIM 2O14 Nuremberg, Germany in May 2O14.
  4. Infineon Technologies. Application Note AN2O1O-O2, Use of Power Cycling Curves for IGBT4
  5. Zheng Ziqing et. al. Analysis of temperature correlation on IGBT modules. PCIM 2O15 Shanghai, China, June 2O15.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Определение температурной характеристики и чувствительности полупроводникового терморезистора типа КМТ-4 с номинальным сопротивлением 30 кОм

Практическая работа №3.

Пример 7. Определить температурную характеристику и чувствительность полупроводникового терморезистора типа КМТ-4 с номинальным сопротивлением 30 кОм, если его сопротивление при 323К составляет 7,5 кОм.

Решение.

Зависимость сопротивления терморезисто­ров от температуры Т выражается уравнением:

,

 где r и В — постоянные ко­эффициенты.

 Используя эту зависимость,  составим два уравнения для, известных T1,  T2, r293и r323:

 и   .

Определяем значения В из решения этих уравнений:

К.

Подставляя значения В в одно из исходных уравнений, найдем, что:

 Ом.

Задаваясь значением Т вычисляем rT, по приведенной выше формуле, строим температурную характеристику КМТ-4 (рисунок 1), которая хорошо совпадает с эксперименталь­ной.

Рисунок 1. Зависимость сопротивле­ния rT, и коэффициента чувстви­тельности kД терморезистора КМТ-4 от температуры Т.

Пользуясь аналитической зависимостью для коэффи­циента чувствительности терморезистора, находим (Ом/К):

.

Строим на том же рисунке график kД = f(T) (рисунок 1).

Пример 8. Рассчитать мостовую схему воспринимающего органа температуры и определить температурную зависи­мость напряжения и тока в нагрузке (рисунок 2) при напря­жении питания моста U = 12 В и отклонении температуры от 20 0С для двух случаев:

1)  датчиком является медный тер­мометр сопротивления;

2)  датчиком служит полупроводни­ковый терморезистор КМТ-4.

Зависимость сопротивления меди от температуры в пре­делах Θ = 0…100°С выражается уравнением:

,

где α = 42,8ּ10–41/0C – температурный коэффициент со­противления меди;

rΘ0 – сопротивление датчика при Θ0.

Рисунок  2. Мостовая схема воспринимающего органа температуры.

Решение.

Принимаем соотношение сопротивлений плеч моста из условия получения наибольшей мощности на его выходе:

.

Силу тока через датчик выбираем в пределах I = 10…15 мА. Следовательно, rΘ при равновесии моста и Θ = 20 °С

Ом.

Определяем зависимость напряжения нагрузки моста с медным термометром сопротивления при отклонении температуры  от  начальной  ΔΘ = Θ – Θ0=± 10°С:

и зависимость тока в нагрузке:

  Определяем эти же зависимости при замене термометра сопротивления полупроводниковым терморезистором того же номинального сопротивления. Уравнение температурной зависимости терморезистора установлено в предыдущем примере, а коэффициент r равен:

Ом.

, А.

Рассчитанные по этим формулам температурные зависи­мости, которые графически показаны на рисунке 3, по­зволяют сделать вывод о том, что воспринимающий орган с полупроводниковым термодатчиком по напряжению и току имеет чувствительность в 10…12 раз большую, чем воспри­нимающий орган с медным термометром сопротивления.

·  сплошные линии для полупроводникового термо­датчика;

·  пунктирные – для медного термометра сопротивления

Рисунок 3. Зависимость напря­жения UН и тока IН нагрузки.

Пример 9. Выбрать значе­ние напряжения Uc постоян­ного тока на фотореле, чтобы оно срабатывало при освещен­ности Е=200 лк. Фотореле объединяет     фоторезистор ФС-К1 и реле типа РПН (рисунок 4). Из паспортных данных известно:

·  сопротивление об­мотки РПН rP = 4 кОм;

·   ток срабатывания  Iср = 3 мА;

·  чувствительность фоторезистора kД= 6 мА/лм·В;

·  площадь окна S = 28,8 мм2;

·  максимальная мощность рассеяния Pmax=0,2 Вt.

Рисунок 4. Электрическая схема фотореле.

Решение.

 Напряжения на реле РПН при его сраба­тывании:

В.

Определяем напряжение на фоторезисторе из уравнения:

.

При α = 0,81:

В.

Искомое значение постоянного напряжения  Uc= 24 + 12 = 36 В.

Расчетная мощность рассеяния

Вт.

Следовательно, условие Ррасч< Рмах выполнено.

Различные значения освещенности срабатывания фото­реле устанавливают при помощи переменного сопротивле­ния, включенного последовательно с фоторезистором, или изменяя напряжение питания.

Пример 10.  Определить зависимость напряжения на выходе измерительного органа относительной влажности воздуха от изменения влажности в пределах     Δφ = ±20%, если мост уравновешен при влажности воздуха φ = 40% и температуре Θокр = 20°С (рисунок 5). Мост измерительного органа содержит термокомпенса­ционный резистор RК и резистор датчика RД типа КМТ–4 с номинальным сопротивлением 30 кОм. Сопротивление резистора r =3,3 кОм.

Решение.

 Определяем величину сопротивления регу­лировочного резистора

Терморезистор — это… Что такое Терморезистор?

Датчик температуры на основе термистора Символ терморезистора, используемый в схемах Вольт-амперная характеристика (ВАХ) для позистора. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры.
1 — ТКС
2 — ТКС > 0

Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры[1].

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.

Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.[2]

Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их ещё называют NTC-термисторы и PTC-термисторы соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа AIII BV, стеклообразных полупроводников и других материалов.

Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–106 Ом.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро­магнит­ного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой.

Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO3. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5–0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

Примечания

Литература

  • Шефтель И Т., Терморезисторы
  • Мэклин Э. Д., Терморезисторы
  • Шашков А. Г., Терморезисторы и их применение
  • Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — С. 401-407. — 479 с. — 50 000 экз.

См. также

Термисторы

— обзор | Темы ScienceDirect

2 АНЕМОМЕТРИЯ ТЕРМИСТОРА

Термисторы могут обеспечивать измерения скорости в ответ на изменения теплопередачи, которая для данной геометрии в основном зависит от скорости и температуры воздуха. Преимущества термисторов перед другими термоанемометрами, такими как термоанемометры, включают точность при низких скоростях, надежность и стабильность. Небольшой размер и низкая стоимость термисторов означает, что, несмотря на то, что они являются устройством вмешательства, их можно использовать в большом количестве по всей плоскости радиатора.Высокое разрешение устройства, которое можно получить с помощью термисторной анемометрии, рассматривается как главное преимущество этого метода.

Термисторы — это полупроводники, которые демонстрируют значительные и точные изменения электрического сопротивления в ответ на изменения температуры их тела. Термисторы, которые использовались во время этого исследования, представляли собой термисторы с герметизированными стеклянными шариками с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

Расмуссен [3] показал, что термисторы NTC демонстрируют следующее соотношение между температурой и сопротивлением ( R T ):

RT = R0eβ1T − 1T0

Где R 0 — это эталонное сопротивление термистора. при эталонной температуре T 0 , и β — постоянная материала.Температурный коэффициент сопротивления α равен:

[3] α = 1RdRdT = −βT2

Если питание на термистор подается электрическим током I , рассеиваемая мощность составляет P, и температура окружающей жидкости составляет T e , , тогда уравнение теплопередачи принимает следующий вид:

[3] cdTdt = P − κT − Te

Где c — теплоемкость, которая является свойством материала и конструкции термистора, а κ — коэффициент рассеяния.

Коэффициент рассеяния можно интерпретировать как мощность, необходимую для повышения температуры термистора на один градус выше температуры окружающей жидкости. Температура термистора и, следовательно, его сопротивление будут реагировать на изменение коэффициента рассеяния. Именно эта характеристика делает термисторы подходящими для таких применений, как анемометрия. Если термистор используется в однонаправленном ламинарном потоке с постоянными другими свойствами жидкости, коэффициент рассеяния можно рассматривать только как функцию скорости жидкости.Следуя Расмуссену [3]:

T = Te + Pκ (U)

Если эталонное сопротивление термистора ( R e ) измеряется при температуре жидкости, температуру корпуса термистора можно выразить следующим образом:

T = αeTe2αeTe −lnRRe

Приравнивание двух приведенных выше уравнений дает:

κ (U) = PTeαeTelnRRe − 1

Это уравнение обеспечивает метод расчета значения коэффициента рассеяния в терминах просто определяемых значений. К сожалению, трудно найти аналитические решения для взаимосвязи между скоростью жидкости и коэффициентом рассеяния, поскольку форма, соотношение материалов и, следовательно, тепловые характеристики значительно различаются между отдельными термисторами.Измерение постоянной рассеяния или зависимости между сопротивлением термистора и скоростью потока лучше всего достигается эмпирическим путем с помощью калибровки.

THERMISTOR BASICS — Волновая электроника

Диапазон температур: Приблизительный общий диапазон температур, в котором можно использовать датчик определенного типа. В заданном диапазоне температур одни датчики работают лучше, чем другие.

Относительная стоимость: Относительная стоимость при сравнении этих датчиков друг с другом.Например, термисторы недороги по сравнению с RTD, отчасти потому, что предпочтительным материалом для RTD является платина.

Постоянная времени: Приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое требуется термистору для достижения 63,2% разницы температур от начального до окончательного показания.

Стабильность: Способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика по температуре.

Чувствительность: Степень реакции на изменение температуры.

Какие формы термисторов доступны?
Термисторы

бывают разных форм — диск, микросхема, бусинка или стержень, и могут быть установлены на поверхность или встроены в систему. Они могут быть залиты эпоксидной смолой, стеклом, обожженным фенолом или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от контролируемого материала, например твердого вещества, жидкости или газа.

Например, шариковый термистор идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей.Микросхема термистора обычно устанавливается на печатной плате (PCB). Существует много, много различных форм термисторов, например:


Рисунок 3: Типы термисторов

Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого отслеживается. Независимо от типа термистора, подключение к контролируемому устройству должно выполняться с помощью пасты с высокой теплопроводностью или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не проводили электричество.

Как термистор работает в управляемой системе?

В основном термистор используется для измерения температуры устройства. В системе с контролируемой температурой термистор — это небольшая, но важная часть более крупной системы. Контроллер температуры контролирует температуру термистора. Затем он сообщает нагревателю или охладителю, когда включать или выключать, чтобы поддерживать температуру датчика.

На схеме ниже, иллюстрирующей пример системы, есть три основных компонента, используемых для регулирования температуры устройства: датчик температуры, регулятор температуры и устройство Пельтье (обозначенное здесь как TEC или термоэлектрический охладитель).Головка датчика прикрепляется к охлаждающей пластине, которая должна поддерживать определенную температуру для охлаждения устройства, а провода присоединяются к контроллеру температуры. Контроллер температуры также имеет электронное соединение с устройством Пельтье, которое нагревает и охлаждает целевое устройство. Радиатор прикреплен к устройству Пельтье для отвода тепла.


Рисунок 4: Система с термисторным управлением
Работа датчика температуры заключается в отправке данных обратной связи на контроллер температуры.Через датчик проходит небольшой ток, называемый током смещения, который посылается контроллером температуры. Контроллер не может считывать сопротивление, поэтому он должен преобразовывать изменения сопротивления в изменения напряжения, используя источник тока для подачи тока смещения через термистор для создания управляющего напряжения.

Контроллер температуры — это мозг этой операции. Он берет информацию датчика, сравнивает ее с тем, что необходимо охлаждаемому блоку (так называемая уставка), и регулирует ток через устройство Пельтье, чтобы изменить температуру в соответствии с уставкой.

Расположение термистора в системе влияет как на стабильность, так и на точность системы управления. Для лучшей стабильности термистор необходимо разместить как можно ближе к термоэлектрическому или резистивному нагревателю. Для обеспечения максимальной точности термистор должен располагаться рядом с устройством, требующим регулирования температуры. В идеале термистор встроен в устройство, но его также можно прикрепить с помощью теплопроводящей пасты или клея. Даже если устройство встраивается, воздушные зазоры следует устранять с помощью термопасты или клея.

На рисунке ниже показаны два термистора, один из которых подключен непосредственно к устройству, а другой удален или удален от устройства. Если датчик расположен слишком далеко от устройства, время теплового запаздывания значительно снижает точность измерения температуры, а размещение термистора слишком далеко от устройства Пельтье снижает стабильность.


Рисунок 5: Размещение термистора

На следующем рисунке график показывает разницу в показаниях температуры, снятых обоими термисторами.Термистор, прикрепленный к устройству, быстро реагировал на изменение тепловой нагрузки и регистрировал точные температуры. Удаленный термистор тоже среагировал, но не так быстро. Что еще более важно, показания отклоняются чуть более чем на полградуса. Эта разница может быть очень значительной, когда требуются точные температуры.


Рисунок 6: График отклика положения термистора

После выбора размещения датчика необходимо настроить остальную часть системы.Это включает определение сопротивления базового термистора, тока смещения для датчика и заданной температуры нагрузки на контроллере температуры.

Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать?
Термисторы

классифицируются по величине сопротивления, измеренной при комнатной температуре, которая считается 25 ° C. Устройство, температуру которого необходимо поддерживать, имеет определенные технические характеристики для оптимального использования, определенные производителем.Их необходимо определить перед выбором датчика. Поэтому важно знать следующее:

Какие максимальные и минимальные температуры у устройства?
Термисторы идеально подходят для измерения температуры в одной точке в пределах 50 ° C от окружающей среды. Если температура слишком высокая или низкая, термистор не будет работать. Хотя есть исключения, большинство термисторов лучше всего работают в диапазоне от -55 ° C до + 114 ° C.

Поскольку термисторы являются нелинейными, что означает, что зависимости температуры от сопротивления отображаются на графике в виде кривой, а не прямой линии, очень высокие или очень низкие температуры не регистрируются правильно.Например, при очень небольших изменениях очень высоких температур будут регистрироваться незначительные изменения сопротивления, что не приведет к точным изменениям напряжения.

Каков оптимальный диапазон термисторов?
В зависимости от тока смещения от контроллера каждый термистор имеет оптимальный полезный диапазон, то есть диапазон температур, в котором точно регистрируются небольшие изменения температуры.

В таблице ниже показаны наиболее эффективные диапазоны температур для термисторов с длиной волны при двух наиболее распространенных токах смещения.


Рисунок 7: Таблица выбора термистора

Лучше всего выбирать термистор, где заданная температура находится в середине диапазона. Чувствительность термистора зависит от температуры. Например, термистор может быть более чувствительным при более низких температурах, чем при более высоких температурах, как в случае с термистором 10 кОм TCS10K5 компании Wavelength. С TCS10K5 чувствительность составляет 162 мВ на градус Цельсия в диапазоне от 0 ° C до 1 ° C, и 43 мВ / ° C между 25 ° C и 26 ° C и 14 мВ ° C между 49 ° C и 50 °. С.

Каковы верхний и нижний пределы напряжения на входе датчика терморегулятора?
Пределы напряжения обратной связи датчика с регулятором температуры указываются производителем. В идеале следует выбрать комбинацию термистора и тока смещения, которая обеспечивает напряжение в пределах диапазона, разрешенного регулятором температуры.

Напряжение связано с сопротивлением по закону Ома. Это уравнение используется для определения необходимого тока смещения.Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и для этого тока смещения записывается как:

В = I Смещение x R

Где:
В — напряжение в вольтах (В)
I BIAS — ток в амперах или амперах (A)
I BIAS означает постоянный ток
R — сопротивление в Ом (Ом)

Контроллер вырабатывает ток смещения для преобразования сопротивления термистора в измеряемое напряжение.Контроллер будет принимать только определенный диапазон напряжения. Например, если диапазон контроллера составляет от 0 до 5 В, напряжение термистора должно быть не ниже 0,25 В, чтобы электрические шумы нижнего уровня не мешали считыванию, и не выше 5 В для считывания.

Предположим, что используется вышеупомянутый контроллер и термистор 100 кОм, такой как TCS651 от Wavelength, и температура, которую устройство должно поддерживать, составляет 20 ° C. Согласно техническому описанию TCS651, сопротивление составляет 126700 Ом при 20 ° C.Чтобы определить, может ли термистор работать с контроллером, нам нужно знать полезный диапазон токов смещения. Используя закон Ома для определения I BIAS , мы знаем следующее:

V / R = I Смещение

0,25 / 126700 = 2 мкА — нижний предел диапазона
5,0 / 126700 = 39,5 мкА — верхний предел

Да, этот термистор будет работать, если ток смещения регулятора температуры может быть установлен в диапазоне от 2 мкА до 39,5 мкА.

При выборе термистора и тока смещения лучше всего выбирать такой, при котором развиваемое напряжение находится в середине диапазона.На входе обратной связи контроллера должно подаваться напряжение, которое определяется сопротивлением термистора.

Так как люди легче всего относятся к температуре, сопротивление часто нужно менять на температуру. Наиболее точная модель, используемая для преобразования сопротивления термистора в температуру, называется уравнением Стейнхарта-Харта.

Что такое уравнение Стейнхарта-Харта?

Уравнение Стейнхарта-Харта — это модель, которая была разработана в то время, когда компьютеры не были повсеместными, и большинство математических вычислений выполнялось с использованием правил скольжения и других математических средств, таких как таблицы трансцендентных функций.Уравнение было разработано как простой метод более простого и точного моделирования температур термисторов.

Уравнение Стейнхарта-Харта:

1 / T = A + B (lnR) + C (lnR) 2 + D (lnR) 3 + E (lnR) 4…

Где:
T — температура в Кельвинах (K, Кельвин = Цельсий + 273,15)
R — сопротивление при T, в Ом (Ом)
A, B, C, D и E — коэффициенты Стейнхарта-Харта, которые меняются в зависимости от типа используемого термистора и диапазона измеряемой температуры.
ln — это натуральное бревно, или бревно до основания Napierian 2.7 1828

Члены могут повторяться бесконечно, но, поскольку ошибка настолько мала, уравнение обрезается после кубического члена, а квадратный член удаляется, поэтому используется стандартное уравнение Стейнхарта-Харта:

1 / Т = А + В (lnR) + C (lnR) 3

Одно из удовольствий компьютерных программ состоит в том, что уравнения, на решение которых потребовались бы дни, если не недели, выполняются за считанные секунды. Введите «Калькулятор уравнения Стейнхарта-Харта» в любой поисковой системе, и будут возвращены страницы со ссылками на онлайн-калькуляторы.

Как используется уравнение Стейнхарта-Харта?

Это уравнение позволяет более точно рассчитать фактическое сопротивление термистора в зависимости от температуры. Чем более узкий диапазон температур, тем точнее будет расчет сопротивления. Большинство производителей термисторов предоставляют коэффициенты A, B и C для типичного диапазона температур.

Кто такие Стейнхарт и Харт?

Джон С. Стейнхарт и Стэнли Р. Харт впервые разработали и опубликовали уравнение Стейнхарта-Харта в статье под названием «Калибровочные кривые для термисторов» в 1968 году, когда они были исследователями в Вашингтонском институте Карнеги.Стейнхарт стал профессором геологии и геофизики и морских исследований в Университете Висконсин-Мэдисон, а Стэнли Р. Харт стал старшим научным сотрудником океанографического института Вудс-Хоул.

Заключение

Термисторы — это терморезисторы, сопротивление которых изменяется при изменении температуры. Они очень чувствительны и реагируют на очень небольшие изменения температуры. Их лучше всего использовать, когда необходимо поддерживать определенную температуру, а также при мониторинге температуры в пределах 50 ° C от окружающей среды.

Термисторы

, как часть системы контроля температуры, являются лучшим способом измерения и контроля нагрева и охлаждения устройства Пельтье. Их способность регулировать с минутными приращениями обеспечивает максимальную общую стабильность системы. Термисторы могут быть встроены или монтированы на поверхности устройства, требующего контроля температуры. В зависимости от типа они могут измерять жидкости, газы или твердые тела.

Wavelength поставляет различные термисторы с шариковыми и цилиндрическими головками. Чтобы просмотреть текущий выбор, щелкните здесь.

Термисторы и термисторы NTC

Термистор — это твердотельное устройство для измерения температуры, которое действует как электрический резистор, но чувствительно к температуре. Термисторы могут использоваться для создания аналогового выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды и, как таковые, могут называться преобразователем. Это потому, что он вызывает изменение своих электрических свойств из-за внешнего и физического изменения тепла.

Термистор в основном представляет собой твердотельный термочувствительный преобразователь с двумя выводами, созданный с использованием чувствительных оксидов металлов на основе полупроводников с металлизированными или спеченными соединительными выводами, сформированными в виде керамического диска или валика.

Это позволяет термистору изменять значение сопротивления пропорционально небольшим изменениям температуры окружающей среды. Другими словами, с изменением температуры изменяется и его сопротивление, и поэтому его название «Термистор» представляет собой комбинацию слов THERM-allly sensitive res-ISTOR.

Хотя изменение сопротивления из-за нагрева обычно нежелательно для стандартных резисторов, этот эффект можно найти во многих схемах определения температуры. Таким образом, термисторы, являющиеся нелинейными устройствами с переменным сопротивлением, обычно используются в качестве датчиков температуры, имеющих множество применений для измерения температуры как жидкостей, так и окружающего воздуха.

Кроме того, будучи твердотельными устройствами, изготовленными из высокочувствительных оксидов металлов, они работают на молекулярном уровне, причем внешние (валентные) электроны становятся более активными, создавая отрицательный температурный коэффициент, или менее активными, создавая положительный температурный коэффициент в качестве температуры окружающей среды. термистор увеличен.

Это означает, что они обладают очень хорошей устойчивостью к температурным характеристикам, что позволяет им работать при температурах до 200 o C.

Типовой термистор

Хотя термисторы в основном используются в качестве резистивных датчиков температуры, они также могут быть подключены последовательно с другим компонентом или устройством для управления электрическим током, протекающим через них.Другими словами, их можно использовать как термочувствительные токоограничивающие устройства.

Термисторы

доступны в широком диапазоне типов, материалов и размеров, которые характеризуются временем срабатывания и рабочей температурой. Кроме того, герметичные термисторы исключают ошибки в показаниях сопротивления из-за проникновения влаги, сохраняя при этом высокие рабочие температуры и компактные размеры. Три наиболее распространенных типа: термисторы с шариками, дисковые термисторы и термисторы в стеклянной капсуле.

Эти терморезисторы могут работать одним из двух способов, увеличивая или уменьшая свое сопротивление при изменении температуры. Также доступны два типа термисторов: отрицательный температурный коэффициент (NTC) сопротивления и положительный температурный коэффициент (PTC) сопротивления.

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом

Термисторы сопротивления

с отрицательным температурным коэффициентом, или термисторы NTC для краткости, уменьшают или уменьшают свое сопротивление по мере увеличения рабочей температуры вокруг них.Как правило, термисторы NTC являются наиболее часто используемым типом датчиков температуры, поскольку их можно использовать практически в любом типе оборудования, где температура играет роль.

Температурные термисторы

NTC имеют отрицательную зависимость электрического сопротивления от температуры (R / T). Относительно большой отрицательный отклик термистора NTC означает, что даже небольшие изменения температуры могут вызвать значительные изменения их электрического сопротивления. Это делает их идеальными для точного измерения и контроля температуры.

Ранее мы говорили, что термистор — это электронный компонент, сопротивление которого сильно зависит от температуры, поэтому, если мы пропустим постоянный ток через термистор, а затем измерим падение напряжения на нем, мы сможем таким образом определить его сопротивление при определенной температуре.

Термисторы NTC уменьшают свое сопротивление с повышением температуры и доступны с различными базовыми сопротивлениями и температурными кривыми. Термисторы NTC обычно характеризуются своим базовым сопротивлением при комнатной температуре, которое составляет 25 o C (77 o F), поскольку это обеспечивает удобную точку отсчета.Так, например, 2 кОм при 25 o ° C, 10 кОм при 25 ° ° C или 47 кОм при 25 ° ° C и т. Д.

Другой важной характеристикой термистора является его значение «B». Значение B — это постоянная материала, которая определяется керамическим материалом, из которого он изготовлен. он описывает градиент резистивной (R / T) кривой в определенном температурном диапазоне между двумя температурными точками. Каждый материал термистора будет иметь разную константу материала и, следовательно, разную кривую зависимости сопротивления от температуры.

Таким образом, значение B будет определять значение сопротивления термистора при первой температуре или базовой точке (которое обычно составляет 25 o ° C), называемое T 1 , и значение сопротивления термистора во второй точке температуры, для Например, 100 o C, называется T 2 .

Следовательно, значение B будет определять постоянную материала термистора в диапазоне от T 1 до T 2 . То есть B T1 / T2 или B 25/100 с типичными значениями термистора NTC B , заданными где-то между примерно 3000 и примерно 5000.

Однако обратите внимание, что обе температурные точки T 1 и T 2 рассчитываются в единицах температуры Кельвина, где 0 0 C = 273,15 Кельвина. Таким образом, значение 25 o C равно 25 o + 273,15 = 298,15 K, а значение 100 o C равно 100 o + 273,15 = 373,15 K и т. Д.

Таким образом, зная значение B конкретного термистора (полученное из таблицы данных производителя), можно составить таблицу зависимости температуры от сопротивления для построения подходящего графика, используя следующее нормализованное уравнение:

Уравнение термистора

  • Где:
  • T 1 — первая точка температуры по Кельвину
  • T 2 — вторая точка температуры по Кельвину
  • R 1 — сопротивление термистора при температуре T1, Ом
  • R 2 — сопротивление термистора при температуре T2 в Ом

Пример термистора №1

Термистор NTC 10 кОм имеет значение «B» 3455 в диапазоне температур от 25 до ° C и 100 до ° C.Рассчитайте его значение сопротивления при 25 o C и снова при 100 o C.

Приведены данные: B = 3455, R1 = 10 кОм при 25 o . Чтобы преобразовать температурную шкалу из градусов Цельсия, o C в градусы Кельвина, добавьте математическую константу 273,15

Значение R1 уже задано как базовое сопротивление 10 кОм, поэтому значение R2 при 100 o C рассчитывается как:

На основании следующих двух точек графика характеристик:

Обратите внимание, что в этом простом примере были найдены только две точки, но обычно термисторы изменяют свое сопротивление экспоненциально с изменениями температуры, поэтому их характеристическая кривая является нелинейной, поэтому чем больше точек рассчитывается, тем более точной будет кривая.

9039 2 902
Температура ( o C) 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 1009 90 1009
Сопротивление (Ом) 18476 12185 10000 8260 5740 4080 2960 2188 1645 1645 1645

, и эти точки могут быть нанесены на график, как показано, чтобы получить более точную характеристическую кривую для термистора NTC 10 кОм, который имеет значение B 3455.

Кривая характеристик термистора NTC

Обратите внимание, что он имеет отрицательный температурный коэффициент (NTC), то есть его сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Использование термистора для измерения температуры.

Итак, как мы можем использовать термистор для измерения температуры. Надеюсь, к настоящему времени мы понимаем, что термистор является резистивным устройством, и, следовательно, согласно закону Ома, если мы пропустим через него ток, на нем будет возникать падение напряжения.Поскольку термистор является датчиком пассивного типа, то есть для его работы требуется сигнал возбуждения, любые изменения его сопротивления в результате изменения температуры могут быть преобразованы в изменение напряжения.

Самый простой способ сделать это — использовать термистор как часть схемы делителя потенциала, как показано. Постоянное напряжение питания подается на последовательную цепь резистора и термистора, а выходное напряжение измеряется на термисторе.

Если, например, мы используем термистор 10 кОм с последовательным резистором 10 кОм, то выходное напряжение при базовой температуре 25 o C будет вдвое меньше напряжения питания, как 10 Ом / (10 Ом + 10 Ом) = 0.5.

Когда сопротивление термистора изменяется из-за изменений температуры, доля напряжения питания на термисторе также изменяется, создавая выходное напряжение, которое пропорционально доле общего последовательного сопротивления между выходными клеммами.

Таким образом, схема делителя потенциала является примером простого преобразователя сопротивления в напряжение, в котором сопротивление термистора регулируется температурой, а создаваемое выходное напряжение пропорционально температуре.Таким образом, чем сильнее нагревается термистор, тем ниже выходное напряжение.

Если мы поменяем местами последовательно соединенный резистор R S и термистор R TH , то выходное напряжение изменится в противоположном направлении, то есть чем сильнее термистор, тем выше выходное напряжение.

Мы можем использовать термисторы NTC как часть базовой конфигурации измерения температуры, используя мостовую схему, как показано. Соотношение между резисторами R 1 и R 2 устанавливает опорное напряжение V REF на требуемое значение.Например, если и R 1 , и R 2 имеют одинаковое значение сопротивления, опорное напряжение будет равно половине напряжения питания, как и раньше. То есть Vs / 2.

При изменении температуры и, следовательно, значения сопротивления термистора, напряжение на V TH также изменится, выше или ниже, чем на V REF , создавая положительный или отрицательный выходной сигнал на подключенный усилитель.

Схема усилителя, используемая для этой базовой мостовой схемы измерения температуры, может действовать как дифференциальный усилитель для высокой чувствительности и усиления или как простая схема триггера Шмитта для переключения ВКЛ-ВЫКЛ.

Проблема с прохождением тока через термистор таким образом заключается в том, что термисторы испытывают так называемый эффект самонагрева, то есть потери мощности I 2 * R могут быть достаточно высокими, чтобы создать больше тепла, чем может быть рассеян. термистором, влияющим на его значение сопротивления, что приводит к ложным результатам.

Таким образом, возможно, что если ток через термистор будет слишком высоким, это приведет к увеличению рассеиваемой мощности, а по мере увеличения температуры его сопротивление уменьшается, вызывая протекание большего тока, что приводит к дальнейшему увеличению температуры, что приводит к так называемому термическому воздействию . Беглец .Другими словами, мы хотим, чтобы термистор был горячим из-за измеряемой внешней температуры, а не сам по себе.

Значение для последовательного резистора R S , указанное выше, должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить достаточно широкий отклик в ожидаемом диапазоне температур, для которого, вероятно, будет использоваться термистор, при одновременном ограничении тока до безопасного значения при самая высокая температура.

Один из способов улучшить это и получить более точное преобразование сопротивления в зависимости от температуры (R / T) — это задействовать термистор с источником постоянного тока.Изменение сопротивления можно измерить с помощью небольшого измеренного постоянного тока, или постоянного тока, пропущенного через термистор, чтобы измерить возникающее падение выходного напряжения.

Термистор, используемый для подавления пускового тока

Мы видели здесь, что термисторы используются в качестве резистивных датчиков температуры, но сопротивление термистора может быть изменено либо внешними изменениями температуры, либо изменениями температуры, вызванными протекающим через них электрическим током, поскольку, в конце концов, они резистивные. устройств.

Закон

Ома говорит нам, что, когда электрический ток проходит через сопротивление R, в результате приложенного напряжения потребляется энергия в виде тепла из-за эффекта нагрева I 2 * R. Из-за эффекта самонагрева тока в термисторе термистор может изменять свое сопротивление при изменении тока.

Индуктивное электрическое оборудование, такое как двигатели, трансформаторы, балластное освещение и т. Д., Страдает от чрезмерных пусковых токов при первом включении.Но термисторы, подключенные последовательно, также могут использоваться для эффективного ограничения любых высоких начальных токов до безопасного значения. Для такого регулирования тока обычно используются термисторы NTC с низкими значениями хладостойкости (при 25 90 249 o 90 250 C).

Термистор ограничения пускового тока

Ограничители пускового тока и ограничители перенапряжения представляют собой типы последовательно соединенных термисторов, сопротивление которых падает до очень низкого значения, поскольку он нагревается током нагрузки, проходящим через него.При первоначальном включении значение холодного сопротивления термистора (его базовое сопротивление) довольно велико, что позволяет контролировать начальный пусковой ток нагрузки.

В результате тока нагрузки термистор нагревается и относительно медленно снижает свое сопротивление до точки, при которой рассеиваемая на нем мощность достаточна для поддержания низкого значения сопротивления, когда большая часть приложенного напряжения возникает на нагрузке.

Из-за тепловой инерции его массы этот эффект нагрева занимает несколько секунд, в течение которых ток нагрузки увеличивается постепенно, а не мгновенно, поэтому любой высокий пусковой ток ограничивается, и потребляемая мощность соответственно уменьшается.Из-за этого теплового воздействия термисторы для подавления пускового тока могут работать очень горячими в своем низкоомном состоянии. Таким образом, требуется период охлаждения или восстановления после отключения питания, что позволяет сопротивлению термистора NTC достаточно восстановиться, чтобы в следующий раз он мог потребоваться.

Скорость срабатывания термистора ограничения тока определяется его постоянной времени. То есть время, необходимое для того, чтобы его сопротивление изменилось на 63% (то есть от 1 до 1 / ε) от общего изменения.Например, предположим, что температура окружающей среды изменяется от 0 до 100 o C, тогда постоянная времени 63% будет временем, за которое термистор имеет значение сопротивления при 63 o C.

Термисторы

NTC обеспечивают защиту от нежелательно высоких пусковых токов, в то время как их сопротивление остается пренебрежимо низким во время непрерывной работы с питанием нагрузки. Преимущество здесь в том, что они способны эффективно справляться с гораздо более высокими пусковыми токами, чем стандартные резисторы, ограничивающие постоянный ток, при том же потреблении энергии.

Краткое описание термистора

В этом руководстве по термисторам мы видели, что термистор — это двухконтактный резистивный преобразователь, который может изменять свое сопротивление при изменении окружающей температуры окружающей среды, отсюда и название термистор, или просто «термистор».

Термисторы

— это недорогие, легко доступные датчики температуры, построенные из полупроводниковых оксидов металлов. Они доступны либо с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC), либо с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC).Разница в том, что термисторы NTC уменьшают свое сопротивление при повышении температуры, а термисторы PTC увеличивают свое сопротивление при повышении температуры.

Термисторы

NTC являются наиболее часто используемыми (особенно термистор NTC 10 кОм), и вместе с добавочным последовательным резистором R S можно использовать как часть простой схемы делителя потенциала. Таким образом, изменение его сопротивления из-за изменений температуры дает выходное напряжение, зависящее от температуры.

Однако рабочий ток термистора должен быть как можно более низким, чтобы уменьшить любые эффекты самонагрева.Если их рабочий ток слишком высок, они могут нагреться быстрее, чем рассеять его, что приведет к ложным результатам.

Термисторы

характеризуются своим базовым сопротивлением, а также значением «B». Базовое сопротивление, например 10 кОм, представляет собой сопротивление термистора при заданной температуре, обычно 25 90 249 o 90 250 C, поэтому определяется как: R 25 . Значение B — это фиксированная константа материала, которая описывает форму наклона кривой сопротивления в зависимости от температуры (R / T).

Мы также видели, что термисторы могут использоваться не только для измерения внешней температуры, но и для управления электрическим током в результате эффекта нагрева I 2 R, вызванного протекающим через него током. Последовательно подключив термистор NTC к нагрузке, можно эффективно ограничить любые высокие пусковые токи.

Термисторы / Измерение температуры с помощью термисторов NTC

Филип Кейн

Термисторы (терморезисторы) — это переменные резисторы, зависящие от температуры.Существует два типа термисторов: положительный температурный коэффициент (PTC) и отрицательный температурный коэффициент (NTC). При повышении температуры сопротивление термистора PTC увеличивается, а сопротивление термистора NTC уменьшается. Они показывают противоположную реакцию при понижении температуры.

Оба типа термисторов используются в различных областях применения. Однако здесь основное внимание будет уделено использованию термисторов NTC для измерения температуры в приложениях на основе микроконтроллеров.

Характеристики термистора
Следующие параметры термистора NTC можно найти в паспорте производителя.

  • Сопротивление
    Это сопротивление термистора при температуре, указанной производителем, часто 25 ° C.

  • Допуск
    Указывает, насколько сопротивление может отличаться от заданного значения. Обычно выражается в процентах (например, 1%, 10% и т. Д.). Например, если указанное сопротивление при 25 ° C для термистора с допуском 10% составляет 10000 Ом, то измеренное сопротивление при этой температуре может находиться в диапазоне от 9000 Ом до 11000 Ом.

  • Константа B (или бета)
    Значение, которое представляет соотношение между сопротивлением и температурой в заданном диапазоне температур. Например, «3380 25/50» означает постоянную бета 3380 в диапазоне температур от 25 ° C до 50 ° C.

  • Допуск на бета-константу
    Допуск на бета-константу в процентах.

  • Диапазон рабочих температур
    Минимальная и максимальная рабочая температура термистора.

  • Температурная постоянная времени
    Когда температура изменяется, время, необходимое для достижения 63% разницы между старой и новой температурами.

  • Константа теплового рассеяния
    Термисторы подвержены самонагреву при прохождении тока. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры термистора на 1 ° C. Он указывается в милливаттах на градус Цельсия (мВт / ° C). Обычно рассеиваемая мощность должна быть низкой, чтобы предотвратить самонагрев.

  • Максимально допустимая мощность
    Максимальная рассеиваемая мощность. Он указывается в ваттах (Вт). Превышение этой спецификации приведет к повреждению термистора.

  • Таблица температур сопротивления
    Таблица значений сопротивления и соответствующих температур в диапазоне рабочих температур термистора. Термисторы работают в относительно ограниченном диапазоне температур, обычно от -50 до 300 ° C в зависимости от типа конструкции и покрытия.

Реакция термистора на температуру

Как и в случае с любым резистором, вы можете использовать настройку омметра на мультиметре для измерения сопротивления термистора. Значение сопротивления, отображаемое на вашем мультиметре, должно соответствовать температуре окружающей среды рядом с термистором.Сопротивление изменится в ответ на изменение температуры.

Список деталей Полный комплект с Arduino

Список деталей

без Arduino

Рис. 1. Сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры.

На рис. 2 показан отклик термистора NTC в диапазоне от -40 ° C до 60 ° C. Из рисунка видно, что термисторы обладают высокой чувствительностью. Небольшое изменение температуры вызывает большое изменение сопротивления. Также обратите внимание, что реакция этого термистора не линейна.То есть изменение сопротивления при заданном изменении температуры не является постоянным в диапазоне температур термистора.

Рисунок 2: Кривая температурного сопротивления термистора от -40 ° C до 60 ° C

Лист технических данных производителя включает список значений сопротивления термистора и соответствующих температур в его диапазоне. Одно из решений, позволяющих справиться с этой нелинейной реакцией, — это включить в код справочную таблицу, содержащую эти данные о термостойкости. После вычисления сопротивления (будет описано позже) ваш код ищет в таблице соответствующую температуру.

Линеаризация отклика термистора

На аппаратной стороне вы можете линеаризовать отклик термистора, подключив к нему фиксированный резистор параллельно или последовательно. Это улучшение будет происходить за счет некоторой точности. Сопротивление резистора должно быть равно сопротивлению термистора в середине интересующего температурного диапазона.

Термистор — комбинация параллельных резисторов

На Рисунке 3 показана S-образная кривая температурного сопротивления, полученная путем размещения резистора 10 кОм параллельно с термистором, сопротивление которого составляет 10 кОм при 25 ° C.Это делает область кривой между 0 ° C и 50 ° C довольно линейной. Обратите внимание, что максимальная линейность составляет около средней точки, которая находится при 25 ° C.

Рис. 3. Кривая температурного сопротивления комбинации термистора и параллельного резистора.

Термистор — комбинация последовательных резисторов (делитель напряжения)

Обычно микроконтроллеры собирают аналоговые данные через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вы не можете напрямую прочитать сопротивление термистора с помощью АЦП.Последовательная комбинация термистора и резистора, показанная на рисунке 4, представляет собой простое решение в виде делителя напряжения.

Рисунок 4: Термисторный делитель напряжения.

Для расчета выходного напряжения делителя напряжения используется следующая формула:

Vo = Vs * (R0 / (Rt + R0))

Линеаризованная кривая температура-напряжение на рисунке 5 показывает изменение выходного напряжения Vo делителя напряжения в ответ на изменение температуры. Напряжение источника Vs составляет 5 вольт, сопротивление термистора Rt составляет 10 кОм при 25 ° C, а сопротивление последовательного резистора R0 составляет 10 кОм.Подобно комбинации параллельного резистора и термистора, описанной выше, эта комбинация имеет максимальную линейность около средней точки кривой, которая находится при 25 ° C.

Рисунок 5: График зависимости температуры от напряжения.

Обратите внимание, что, поскольку Vs и R0 постоянны, выходное напряжение определяется Rt. Другими словами, делитель напряжения преобразует сопротивление термистора (и, следовательно, температуру) в напряжение. Идеально подходит для ввода в АЦП микроконтроллера.

Преобразование данных АЦП в температуру путем определения сначала сопротивления термистора

Чтобы преобразовать данные АЦП в температуру, сначала найдите сопротивление термистора, а затем используйте его для определения температуры.

Вы можете изменить приведенное выше уравнение делителя напряжения, чтобы найти сопротивление термистора Rt:

Rt = R0 * ((Vs / Vo) — 1)

Если опорное напряжение АЦП (Vref) и напряжение источника делителя напряжения (Vs) одинаковы, то верно следующее:

adcMax / adcVal = Vs / Vo

То есть отношение входного напряжения делителя напряжения к выходному напряжению такое же, как отношение значения полного диапазона АЦП (adcMax) к значению, возвращаемому АЦП (adcVal).Если вы используете 10-битный АЦП, тогда adcMax равен 1023.

Рисунок 6: Схема делителя напряжения и АЦП с общим опорным напряжением.

Теперь вы можете заменить соотношение напряжений соотношением значений АЦП в уравнении, которое нужно решить для Rt:

Rt = R0 * ((adcMax / adcVal) — 1)

Например, предположим, что термистор с сопротивлением 10 кОм при 25 ° C, 10-битный АЦП и adcVal = 366.

Rt = 10,000 * ((1023/366) — 1)
= 10,000 * (2,03)
= 17,951 Ом

После вычисления значения Rt вы можете использовать справочную таблицу, содержащую данные температурного сопротивления для вашего термистора, чтобы найти соответствующую температуру.Расчетное сопротивление термистора в приведенном выше примере соответствует температуре приблизительно 10 ° C.

9 18,670
10 17,926
11 17,214

Лист технических данных производителя может не включать все значения температурного сопротивления для термистора, или у вас может не хватить памяти для включения всех значений в справочную таблицу. В любом случае вам нужно будет включить код для интерполяции между перечисленными значениями.

Прямое вычисление температуры

В качестве альтернативы для расчета температуры можно использовать уравнение, которое аппроксимирует кривую температурной характеристики термистора.3

Производитель может или не может предоставить значения для коэффициентов A, B и C. В противном случае они могут быть получены с использованием данных измерения термостойкости. Однако это выходит за рамки данной статьи. Вместо этого мы будем использовать более простое уравнение параметра бета (или B), показанное ниже. Хотя оно не так точно, как уравнение Стейнхарта-Харта, оно все же дает хорошие результаты в более узком температурном диапазоне.

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln (R / R0)

Переменная T — это температура окружающей среды в Кельвинах, T0 — обычно комнатная температура, также в Кельвинах (25 ° C = 298.15K), B — бета-постоянная, R — сопротивление термистора при температуре окружающей среды (такое же, как Rt выше), а R0 — сопротивление термистора при температуре T0. Значения T0, B и R0 можно найти в паспорте производителя. Вы можете рассчитать значение R, как описано ранее для Rt.

Если напряжение источника делителя напряжения и Vref одинаковы, вам не нужно знать R0 или находить R для расчета температуры. Помните, что вы можете записать уравнение для сопротивления термистора через отношение значений АЦП:

R = R0 * ((adcMax / adcVal) — 1)

, тогда:

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln (R0 * ((adcMax / adcVal) — 1) / R0)

R0 отменяет, что оставляет:

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln ((adcMax / adcVal) — 1)

Возьмите результат, обратный результату, чтобы получить температуру в Кельвинах.

Например, предположим, что схема термисторного делителя напряжения подключена к 10-битному АЦП. Константа бета для термистора составляет 3380, сопротивление термистора (R0) при 25 ° C составляет 10 кОм, а АЦП возвращает значение 366.

1 / T = 1 / 298,15 + 1/3380 * ln ((1023/366) — 1)
1 / T = 0,003527
T = 283,52K — 273,15K = 10,37 ° C

Пример: простой регистратор температуры на базе Arduino

На рисунке 7 показан простой регистратор температуры, состоящий из Arduino Uno SBC и термисторного делителя напряжения (справа).Выход делителя напряжения подключен к внутреннему 10-битному АЦП Arduino через один из аналоговых выводов. Arduino получает значение АЦП, вычисляет температуру и отправляет ее на последовательный монитор для отображения.

Рисунок 7: Схема регистратора температуры Arduino.

В следующем эскизе Arduino используется уравнение параметра B для расчета температуры. Функция getTemp выполняет большую часть работы. Он считывает аналоговый вывод несколько раз и усредняет значения АЦП. Затем он вычисляет температуру в Кельвинах, преобразует ее в Цельсия и Фаренгейта и возвращает все три значения в основной цикл.Основной цикл многократно вызывает getTemp с двухсекундной задержкой между вызовами. Он отправляет значения температуры, возвращаемые getTemp, на последовательный монитор.

Рисунок 8: Снимок экрана с выходными данными регистратора температуры.

Загрузите пример кода здесь.

недействительным getTemp (float * t)
{

    // Преобразует входной сигнал термисторного делителя напряжения в значение температуры.
    // Делитель напряжения состоит из термистора Rt и последовательного резистора R0.
    // Значение R0 равно сопротивлению термистора при T0.// Вы должны установить следующие константы:
    // adcMax (значение полного диапазона АЦП)
    // analogPin (аналоговый входной контакт Arduino)
    // invBeta (инверсия значения бета термистора, предоставленного производителем).
    // Используйте с этим модулем эталонное напряжение Arduino по умолчанию (5 В или 3,3 В).
    //

  const int analogPin = 0; // заменяем 0 аналоговым выводом
  const float invBeta = 1.00 / 3380.00; // заменяем "Beta" на beta термистора

  const float adcMax = 1023.00;
  const float invT0 = 1,00 / 298,15; // комнатная температура в Кельвинах

  int adcVal, i, numSamples = 5;
  поплавок K, C, F;

  adcVal = 0;
  для (i = 0; i
  Ошибка измерения и разрешение АЦП  

Существует ряд факторов, которые могут способствовать ошибке измерения. Например, термистор и последовательные резисторы могут отличаться от своих номинальных значений (в указанных пределах допуска), или может быть ошибка из-за самонагрева термистора, или шумная электрическая среда может привести к колебаниям на входе АЦП [6].

Ниже приведены несколько предложений по уменьшению погрешности измерения. Предполагается, что вы используете уравнение для параметра B.

Разрешение АЦП

В лучшем случае температура в приведенном выше примере является точной с точностью до 0,1 ° C. Это связано с ограничением из-за разрешения АЦП.

АЦП не чувствителен к изменениям напряжения между шагами. Для 10-битного АЦП наименьшее изменение напряжения, которое можно измерить, составляет Vref / 1023. Это разрешение АЦП по напряжению.Если Vref составляет 5 В, разрешение по напряжению составляет 4,89 мВ. Предполагая, что T0 составляет 25 ° C, наименьшее изменение температуры, которое может быть обнаружено при 25 ° C, составляет ± 0,1 ° C. Это температурное разрешение при 25 ° C. Это означает, что изменение младшего бита вызовет скачок отображаемой температуры на 0,1 ° C. Этот скачок связан с разрешением АЦП, а не с ошибкой измерения.

АЦП Выход Температура
511
512
513
0111111111
1000000000
1000000001
24.95 ° C
25,05 ° C
25,15 ° C

Если вам нужно лучшее разрешение, существуют методы (например, передискретизация [1]), которые вы можете использовать для увеличения эффективного разрешения АЦП вашего микроконтроллера или вы можете использовать внешний АЦП. с более высоким разрешением.

Ссылки

  1. AVR121: Повышение разрешения АЦП за счет передискретизации
    http://www.atmel.com/Images/doc8003.pdf
  2. Как найти выражение для бета-версии
    http://www.zen22142.zen.co.uk / ronj / tyf.html
  3. Измерение температуры с помощью термистора и Arduino
    http://web.cecs.pdx.edu/~eas199/B/howto/thermistorArduino/thermistorArduino.pdf
  4. Термистор
    https://en.wikipedia.org/wiki/Термистор
  5. Учебное пособие по термистору
    http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/thermistor/thermistor.php
  6. Понимание и минимизация ошибок преобразования АЦП
    http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/9d/56/66/74/4e/97/48/93/CD00004444.pdf / files / CD00004444.pdf / jcr: content / translations / en.CD00004444.pdf

Если у вас есть история об электронике, которой вы хотите поделиться, отправьте ее по адресу [адрес электронной почты защищен].
Почти два десятилетия Фил Кейн был техническим писателем в индустрии программного обеспечения и иногда писал статьи для журналов для любителей электроники. Он имеет степень бакалавра электронных технологий и информатику. Фил всю жизнь интересовался наукой, электроникой и исследованием космоса.Ему нравится конструировать и конструировать электронные устройства, и он очень хотел бы однажды увидеть хотя бы одно из этих устройств на пути к Луне или Марсу.

Влияние изменения температуры на значение сопротивления

Наука> Физика> Электрический ток> Температурная зависимость сопротивления

В этой статье мы изучим влияние температуры на значение сопротивления и термисторов, а также их использование.

Металлический проводник состоит из большого количества свободных электронов.Эти электроны всегда находятся в состоянии беспорядочного движения. Когда к концам проводника приложена разность потенциалов. Эти свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, то есть к положительному концу проводника. Во время этого процесса электроны проходят сквозь толпу колеблющихся атомов. Эти электроны сталкиваются с атомами. Таким образом, колеблющиеся атомы создают препятствие для потока электронов. Это препятствие для потока электронов называется сопротивлением проводника.

Если температура проводника увеличивается, кинетическая энергия колебания атомов увеличивается, из-за чего атомы начинают колебаться с более высокой амплитуда. Таким образом, препятствие для потока электронов увеличивается и, следовательно, сопротивление проводника также увеличивается.

Выражение для температурного коэффициента сопротивления:

Пусть R o будет начальным сопротивлением при 0 ° C. Пусть R быть сопротивлением при t ° С.

∴ Изменение сопротивления = R — R o

∴ Изменение температуры (Δt) = t 2 — t 1

Экспериментально Установлено, что изменение сопротивления прямо пропорционально

  • исходное сопротивление.
  • для изменения температуры.

R — R или ∝ R или ——— (1)

R — R o ∝ t 2 — t 1 ——— (2)

Из (1) и (2)

R — o R o (t 2 — t 1 )

р — рэнда или = α R o (t 2 — t 1 )

Где α — постоянный, называемый температурным коэффициентом сопротивление.

Но t 2 — t 1 = Δ t

R — R o = α R o Δ t ……… .. (3)

R = o + α R o Δ т

R = R o (1 + α Δ t)

Это выражение, которое дает значение сопротивления при новая температура.

Из уравнения (3) имеем

Это выражение для температурного коэффициента сопротивление материала проводника.

Температурный коэффициент сопротивления:

Температура коэффициент сопротивления определяется как изменение сопротивления на единицу сопротивление при 0 ° C на каждый градус повышения температуры

Примечания:

Для хороших проводников значение температурного коэффициента сопротивления положительное, следовательно, значение сопротивления увеличивается с увеличением температуры, а значение сопротивления уменьшается, если его температура снижается.

Для полупроводников значение температурного коэффициента сопротивления имеет отрицательное значение.Следовательно, значение сопротивления уменьшается при повышении температуры, а значение сопротивления уменьшается при повышении его температуры.

Термисторы:

Термистор — это особый случай полупроводника, имеющего большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Термисторы также называют термочувствительными резисторами. Поскольку они имеют большое отрицательное значение альфа, значение сопротивления очень быстро уменьшается с увеличением температуры. Термисторы очень чувствительны.

Термисторы состоят из оксидов меди, марганца, никеля, кобальта, железа, лития и т. Д. Эти оксиды смешаны и порошкообразны. После этого им придают нужную форму и нагревают до очень высоких температур. Таким образом образуются керамические термисторы. Термисторы используются в устройствах контроля температуры или в качестве датчиков температуры.

Предыдущая тема: Введение в текущее электричество

Следующая тема: Законы Кирхгофа текущего электричества

Наука> Физика> Электрический ток> Температурная зависимость сопротивления

Расчет температуры по сопротивлению — датчики Полярной звезды

Где: T = единицы Кельвина (° C + 273.2 члена уравнения, в North Star Sensors мы полагаем, основываясь на опубликованных исследованиях, что эта практика была основана на чрезмерном упрощении уравнения Стейна-Харта Харта и должна использоваться только в относительно узких диапазонах температур. Если вам нужна дополнительная техническая информация, свяжитесь с нами.

Чтобы определить коэффициенты A, B, C, D для определенного диапазона температур, сопротивление термистора NTC измеряется в условиях нулевой мощности в четырех температурных точках, где T1 — самая низкая температура диапазона, T2 и T3 — это средние температуры, а T4 — самая высокая температура диапазона.Наш любимый метод вычисления коэффициентов — умножение матриц в электронной таблице. Мы создали калькулятор, который поможет вам рассчитать коэффициенты:

Калькулятор коэффициентов Стейнхарта-Харта — версия Excel

Важно отметить, что сопротивления и температуры для этого калькулятора ограничены конкретными кривыми NTC.

При использовании уравнения Стейнхарта-Харта необходимо соблюдать определенные меры предосторожности, чтобы пользователь мог достичь желаемой точности и неопределенности зависимости сопротивления отданные о температуре, подлежащие расчету. Понимая сильные стороны и ограничения уравнения Стейнхарта-Харта, можно оптимизировать результаты для конкретного приложения. Ниже перечислены некоторые рекомендации, которые показывают величину ошибки интерполяции, вносимой уравнением для каждого из следующих условий, где диапазон температур, в котором должны быть рассчитаны данные R / T, определяется конечными точками tlow и бедра, выраженными в единицах градусы Цельсия (° C):

  1. ≤ 0.Ошибка 001 ° C для 50 ° C диапазон температур в диапазоне температур (t) 0 ° C ≤ t ≤ 260 ° C.

  2. Погрешность ≤ 0,01 ° C для диапазона температур 50 ° C в диапазоне температур (t) -80 ° C ≤ t ≤ 0 ° C.

  3. Погрешность ≤ 0,01 ° C для диапазона температур 100 ° C в диапазоне температур (t) 0 ° C ≤ t ≤ 260 ° C.

  4. Погрешность ≤ 0,02 ° C для диапазона температур 100 ° C в диапазоне температур (t) -80 ° C ≤ t ≤ 25 ° C.

Если приложение требует построения кривой с максимально возможной точностью в диапазоне температур более 50 ° C или 100 ° C, желаемый диапазон температур может быть разбит на 50 ° C или 100 ° C для расчета коэффициенты A, B, C, D и сопротивление в зависимости отданные о температуре. Таблицы отношения сопротивления (Rt / R25) к температуре, опубликованные North Star Sensors, были разработаны на основе расчетов по уравнению Стейнхарта-Харта, выполненных для нескольких диапазонов 50 ° C, таких как от -50 ° C до 0 ° C, от 0 ° C до 50 ° C, от 50 до 100 ° C и от 100 до 150 ° C.

Конкретные коэффициенты A, B, C, D термистора зависят как от характеристики термистора NTC, так и от R25 этого термистора. Например, участок кривой 44 с сопротивлением R25 10 кОм и участок кривой 40 с сопротивлением R25 10 кОм будут иметь разные коэффициенты A, B, C, D, даже если они имеют одинаковое сопротивление при 25 ° C.Кроме того, часть кривой 44 с R25, равным 10 кОм, и часть кривой 44 с R25, равным 5 кОм, также будут иметь разные коэффициенты A, B, C, D, даже если они имеют одинаковую кривую. Однако любая деталь с такой же кривой и тем же R25 будет иметь одинаковые коэффициенты A, B, C, D в пределах своего диапазона допуска.

Щелкните здесь, чтобы просмотреть несколько примеров коэффициентов A, B, C, D по кривой и R25

В отличие от коэффициентов A, B, C, D, все термисторы одной кривой имеют одинаковое значение отношения R / R25.Компания North Star Sensors опубликовала таблицы соотношения R / R25 для каждого из своих материалов термисторов. Таблицы R / T 1 ° C также публикуются для общих значений R25. Пожалуйста, свяжитесь с North Star Sensors, если вам нужна дополнительная информация или технические характеристики R / T.

Щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию о температурных кривых датчиков North Star

Beta (β)

Значение Beta (β) термистора является индикатором наклона характеристики зависимости сопротивления от температуры и является рассчитывается путем измерения значений сопротивления устройства в условиях нулевой мощности в двух температурных точках, обычно при 0 ̊C и 50 ̊C.Значения сопротивления затем вводятся в следующее уравнение:

Термистор | Типы резисторов | Руководство по резистору

Что такое термистор?

Термистор — это резистор, чувствительный к температуре. Их часто используют как датчик температуры. Термин термистор является сокращением слов «термический» и «резистор». Все резисторы имеют некоторую зависимость от температуры, которая описывается их температурным коэффициентом. В большинстве случаев температурный коэффициент минимизирован, но в случае термисторов достигается высокий температурный коэффициент.В отличие от большинства других резисторов, термисторы обычно имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), что означает, что сопротивление уменьшается при повышении температуры. Эти типы называются термисторами NTC. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом называются термисторами с положительным температурным коэффициентом (PTC).

Определение термистора

Термистор — это резистор, сопротивление которого значительно изменяется при изменении температуры.

Типы и применения

Термисторы обычно представляют собой керамические полупроводники.В большинстве случаев они состоят из оксидов металлов, которые сушат и спекают для получения желаемого форм-фактора. Типы оксидов и добавок определяют их характерное поведение. Для термисторов NTC распространенными материалами являются кобальт, никель, железо, медь и марганец. Для термисторов PTC обычно используются титанаты бария, стронция и свинца.

Термистор NTC

Тип NTC используется, когда требуется изменение сопротивления в широком диапазоне температур.Их часто используют в качестве датчиков температуры в диапазоне от -55 ° C до 200 ° C, хотя они могут быть произведены для измерения гораздо более низких или более высоких температур. Их популярность объясняется быстрым откликом, надежностью, надежностью и низкой ценой.

Термистор PTC

Тип PTC используется, когда требуется резкое изменение сопротивления при определенной температуре. Они демонстрируют внезапное увеличение сопротивления выше определенной температуры, называемое температурой переключения, перехода или температурой Кюри.Наиболее распространенные температуры переключения находятся в диапазоне от 60 ° C до 120 ° C. Они часто используются для саморегулирующихся нагревательных элементов и самовосстанавливающейся защиты от перегрузки по току.

NTC PTC
Температурный коэффициент отрицательный Положительно
Оксиды металлов кобальт, никель, железо, марганец, титан барий, свинец, титанат стронция
Общий диапазон температур от -55 ° C до 200 ° C от 60 ° C до 120 ° C (температура переключения.)
Приложения Измерение и регулирование температуры, ограничение пускового тока, измерение расхода защита от перегрузки по току, саморегулирующийся нагреватель, выдержка времени, датчик уровня жидкости

Термисторные блоки

Доступны несколько типов и размеров упаковки. Тип с радиальными выводами является наиболее распространенным и в основном изготавливается из эпоксидной смолы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*