Терморезистор (термометр сопротивления, thermistor) – элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры.
Условно графическое обозначение (УГО)
Внешний вид терморезисторов определяется согласно ГОСТ 2.728-74 "ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы". Размеры прямоугольника такие же как и у постоянного резистора.
Классификация
По характеру изменения сопротивления при изменении температуры терморезисторы делятся на две группы:
- Термистор (Thermistor NTC), терморезистор с отрицательным ТКС – сопротивление уменьшается при нагреве;
- Позистор (Thermistor PTC), терморезистор с положительным ТКС – сопротивление увеличивается при нагреве.
По способу подогрева терморезисторы делятся на две группы:
- прямого подогрева – сопротивление которого изменяется при прохождении непосредственно через ЧЭ;
- косвенного подогрева – сопротивление изменяется при прохождении тока через специальный подогреватель, расположенный в непосредственной близости от ЧЭ.
Принципиальное отличие терморезистора косвенного подогрева от прямого – гальваническая изоляция цепи нагрева от измерительной цепи.
Конструкция и принцип действия
Принцип действия терморезисторов основан на изменении сопротивления в зависимости от температуры.
Для создания темрорезисторов применяются полупроводниковые материалы с высокой зависимостью сопротивления от температуры.
Термисторы в основном выполняют из смеси окислов переходных металлов, способных изменять в соединениях свою валентность. Для термисторов применяются оксиды металлов:
- оксид кобальта (Co3O4)
- оксид никеля (NiO);
- оксид магния (MgO);
- диоксид титана (TiO2),
- оксид марганца (Mn3O4);
- оксид меди (CuO);
- оксид ванадия (V2O5);
- оксид железа (Fe2O3).
Например, советские терморезисторы ММТ-1, ММТ-4 созданы на основе окислов CuO – Mn3O4.
Для позисторов применяются оксиды бария и стронция. Например, советсвие позисторы СТ6 созданы на основе титаната бария (BaTiO3).
Электрические свойства терморезисторов определяются множеством параметров: соотношение исходных материалов, структура материала, расположение и валентность катионов в кристаллической решетке и других. Производство терморезисторов происходит в следующей последовательности:
- смесь окислов металлов смешивают и прессуют для придания формы (диска, цилиндра и т.д.);
- заготовки подвергают обжигу в печи (время нахождения в печи – несколько часов при температуре около 1400 °C);
- прикрепляют контактные выводы к заготовкам;
- термочувствительный элемент терморезисторов покрывают лаком или помещают в герметичную оболочку.
У терморезисторов зависимость выходного сопротивления от температуры нелинейная. Реальный график зависимости сопротивления от температуры показан на рисунке.
Для применения терморезисторов производители приводят таблицу значений «отношение сопротивлений – температура». Под отношением сопротивлений принимается отношение текущего сопротивления к номинальному (при температуре 25 °С), так как номенклатура номинальных сопротивлений большая и не стандартизирована.
Для термисторов производители так же приводят коэффициенты для уравнения Стейнхарта — Харта (Steinhart-Hart):
, где:В формуле используется четыре коэффициента A, B, C, D. Обычно в расчетах коэффициент C равен нулю и производители указывают только три коэффициента.
Практически можно пользоваться упрощенной формулой:
Вольт амперная характеристика (ВАХ) термистора и позистора показана на рисунке. Вид ВАХ зависит от многих параметров, таких как: материал резистора, конструкции, габаритов, температуры и т.д. Нелинейность ВАХ объясняется нагревом терморезистора за счет проходящего через него тока.
Основные параметры терморезисторов
Номинальное сопротивление – сопротивление терморезистора при температуре 25 °C (редко при 20 °C). В отличие от постоянных резисторов номинальное значения не берется из стандартизованного ряда.
Точность (tolerance) – допустимое отклонение он номинального сопротивления при температуре 25 °C.Допустимое отклонение современных терморезисторов составляет ±1%…±20 % (типовые значения ±10 % и ±20 %).
Максимальная мощность рассеяния – максимальная мощность, которую может непрерывно рассеивать терморезистор без изменения эксплуатационных характеристик. Единица измерения - Вт.
Коэффициент рассеяния (Dissipation factor) – мощность, рассеиваемая на терморезисторе, при которой температура элемента повышается на 1 °C по отношению к температуре окружающей среды. Единица измерения - мВт/К.
Постоянная времени τ (Thermal time constant) – время, за которое собственная температура терморезистора изменится на 63,2% от разницы между начальной и конечной температурой при скачкообразном измерении температуры (например, при переносе терморезистора в помещение с другой температурой). Единица измерения с.
Коэффициенты A, B, C, D – коэффициенты зависимости сопротивления от температуры (более подробно про зависимость указано ранее).
Маркировка терморезисторов
Стандартов на маркировку терморезисторов не существует. Каждый производитель самостоятельно определяет каким образом маркировать терморезисторы.
Серии терморезисторов
Отечественной промышленностью выпускались следующие серии терморезисторов прямого подогрева.
- СТ1 – термисторы медно-марганцевые (ранее - ММТ);
- СТ2 – термисторы кобальто-марганцевые (ранее - КМТ);
- СТ3 – термисторы медно-кобальто-марганцевые;
- СТ4 – термисторы никель-кобальто-марганцевые;
- СТ5 – позисторы на основе титана бария, легированного германием;
- СТ6 – позисторы на основе титаната бария (BaTiO3);
- СТ8 – термисторы на основе полутораокиси ванадия и ряда поликрсталлических твердых растворов в системах V2O3-Me2O3 (Me=Ti; Al, Cr);
- СТ9 – термисторы на основе двуокиси ванадия VO2;
- СТ10 – Позисторы на основе системы (Ba, Sr)TiO3;
- СТ11 – Позисторы на основе системы (Ba, Sr)(Ti, Sn)O3 легированной цернем.
Типоразмеры терморезисторов
Терморезисторы выпускаются различного исполнения:
- цилиндрические и дисковые с выводами для установки в отверстия платы;
- поверхностного монтажа на плату(типоразмера SMD, MILF);
- резьбового крепления;
- дисковые.
Применение терморезисторов
Назначение терморезисторов в схемах можно условно поделить на два типа: измерение температуры и использование в качестве нелинейного элемента.
Благодаря малым размерам и низкой стоимости терморезисторы применяются повсеместно в сложных устройствах для контроля температуры: мобильные телефоны, компьютерная техника и т.д.
Широкое применение позисторы нашли в промышленности для защиты асинхронных электродвигателей от перегрева обмоток. В аварийных режимах работы (недостаточное охлаждение, заклинивание ротора и прочие) обмотка может сильно нагреваться, в результате чего происходит разрушение изоляционного слоя обмотки с последующим замыканием обмотки.
Для защиты от перегорания в каждую обмотку укладывают позистор. Позисторы соединяют последовательно между собой.
Для измерения температуры и отключения электродвигателя применяют специализированные приборы термисторные реле. Принцип действия этих реле основан на постоянном измерении сопротивления позисторов. При превышении заданного порога контакты реле переключаются и отключают электродвигатель. На рисунке показано подключение электродвигателя: силовые выводы U, V, W; вывод термосопротивления: T1, T2.
Большое распространение термисторы нашли во входной цепи импульсных блоков питания. При включении блока питания в сеть начинается заряд конденсаторов. В этот момент может протекать значительный ток на входе. Для ограничения тока во входную цепь устанавливают термистор TR1. При прохождении тока термистор постепенно нагревается, его сопротивление падает и соответственно снижается потеря напряжения на нем.
Для мощных устройств (например, 2 кВт) параллельно термистору устанавливают контакт реле. После запуска на катушку реле поступает питание и его контакты шунтируют термистор для снижения потерь при работе устройства.
Позисторы применяются в телевизорах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Со временем кинескоп начинает намагничиваться, из-за этого на экране кинескопа появляются цветные пятна. Для размагничивания кинескопа сзади него проложена петля размагничивания. Петля включается в цепь питания телевизора после позистора. По мере нагрева позистора его сопротивление увеличивается и ток по петле уменьшается до приемлемых значений. Для поддержания позистора в нагретом состоянии применяют сдвоенные позисторы в одном корпусе. Позистор, включенный последовательно с петлей снижает ток после размагничивания, позистор включенный параллельно петле поддерживает нагрев, когда телевизор работает. Стоит отметить особенность данной схемы: размагничивание происходит только в момент включения телевизора кнопкой на телевизоре. Если все время выключатель телевизор с пульта, то размагничивание происходить не будет.
Позисторы применяются в цепи запуска бытовых компрессоров холодильников. В момент пуска необходимо подать питание на рабочую и пусковую обмотку. После запуска компрессора питание с пусковой обмотки нужно снять. Для этого пусковую обмотку подключают через позистор к рабочей. После подачи питания ток проходит к рабочей и пусковой обмотке, по мере работы компрессора позистор нагревается и его сопротивление повышается, снижая ток через пусковую обмотку. Для таких схем применяются дисковые позисторы, которые имеют большой максимальный ток.