NTC и PTC термистор: как проверить, принцип работы, для чего нужен

Вопросы и ответы

Что такое терморезистор?

Обычный резистор имеет относительно стабильное сопротивление. Конечно, электрическое сопротивление обычного резистора может значительно меняться при нагреве (в пределах допусков). Но в обычном режиме показания этих приборов стабильны, чего, собственно, и пытаются добиться разработчики.

При изготовлении термисторов сознательно выбирают материалы, сопротивление которых зависит от температуры. То есть термистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры. Можно сказать, что нагревая или охлаждая такие полупроводниковые приборы, можно управлять их сопротивлением.

На практике широко используются температурные зависимости полупроводниковых резисторов, о которых речь пойдет ниже.

Отметим только, что термисторы фактически являются переменными резисторами, сопротивление которых не изменяется механически, а зависит от степени нагрева и температурных характеристик используемых полупроводниковых материалов. И не имеет значения, изменяется ли температура прямым или непрямым нагревом.

Зависимость сопротивления и температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры можно представить следующей формулой

R(T) = Aexp(b/T)

где A, b — константы, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако сложный состав и неидеальное распределение заряда в термисторном полупроводнике не позволяют напрямую использовать теоретическую зависимость и требуют эмпирического подхода. Для термисторов NTC используется приближение Стейнхарта и Харта

1/T = а+b(lnR)+c(lnR)3

где Т – температура в К;

R — сопротивление в Омах;

а, б, в — константы термистора, определенные при калибровке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее чем на 10°С

Типичный термистор 10 кОм имеет коэффициенты в диапазоне 0–100 °C, близкие к следующим значениям:

  • а = 1,03·10-3
  • б = 2,93·10-4
  • с = 1,57·10-7

Дисковые термисторы можно заменять, т е все датчики определенного типа будут иметь одинаковую характеристику в пределах допуска, указанного производителем. Наилучший возможный допуск обычно составляет ± 0,05 ° C в диапазоне от 0 до 70 ° C. Шариковые термисторы не являются взаимозаменяемыми и требуют индивидуальной калибровки.

Калибровка термистора может быть выполнена в жидкостных термостатах. Термисторы необходимо герметизировать, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для калибровки и расчета констант термистор сравнивают с образцовым платиновым термометром.

В диапазоне от 0 до 100 С сравнение проводят в точках с интервалом 20 С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1–5 мК по модифицированному уравнению Стейнхарта и Харта:

1/T = а+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Также могут использоваться фиксированные точки: тройная точка воды (0,01 С), температура плавления галлия (29,7646 С), точки фазовых переходов в эвтектики и органические материалы.

Для калибровки нескольких термисторов их можно соединить последовательно, чтобы через них проходил одинаковый ток. При калибровке и использовании термисторов важно учитывать нагревательный эффект измерительного тока. Для термистора 10 кОм рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК) до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Для начала определимся с таким видом радиодеталей, как термисторы (или, как их еще называют, термисторы). Они представляют собой полупроводниковый элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Эта зависимость может быть:

  1. Прямой (чем выше температура, тем выше сопротивление) — тип PTC (от англ. Positive Temperature Coefficient, то есть положительный/положительный температурный коэффициент). Альтернативное название «позиторы”.
  2. Наоборот (сопротивление увеличивается с понижением температуры и наоборот) — это тип NTC (от англ. Negative Temperature Coefficient, то есть отрицательный/отрицательный температурный коэффициент).

Термисторы часто делят на диапазоны рабочих температур:

  • Низкотемпературный (ниже 170 К);
  • Среднетемпературный (170-510 К);
  • Высокая температура (выше 510 К).

Конструкция

Простейший термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых проволок. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (схема конструкции показана на рис. 2).

Оксиды металлов используются как термочувствительный материал. Для защиты конструкции используется стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используется медь или платина. Эти материалы имеют высокие значения TCS металлов в диапазоне рабочих температур. Однако его применение ограничено из-за высокой стоимости платины и ее нелинейного превращения.

Использование медных термисторов ограничено низкой коррозионной стойкостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла в моделях с непрямым нагревом встречаются резистивные элементы на основе меди. Подходит для температур до 180 ºC.

Еще одним недостатком терморезисторов является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции не очень подходят для поддержания теплового режима электроприборов, но идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.

Для уменьшения тепловой инерции термисторы выполнены из микропроводов, заключенных в стеклянный конус (см рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, стабильны, а их инерционность не превышает долей секунды.

Широкое распространение получили датчики на основе полупроводниковых материалов. При нагреве полупроводников эти материалы насыщаются электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.

Существуют конструкции плоских термисторов (рис. 4), а также полупроводниковых термисторов со сложной структурой резистивного элемента.

Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых используется метод монтажа SMT. Для этих целей промышленность выпускает терморезисторы для поверхностного монтажа различных классификаций (см рис. 5).

В большинстве конструкций терморезистивный элемент изготавливается методом порошковой металлургии. Для этих целей используются материалы:

  • халькогениды;
  • оксиды металлов;
  • галогениды и другие.

Контур резистивных элементов может быть в виде бус, стержней, трубок, пластин и т.п.

Вне зависимости от того, какую конструкцию вы выберете, принцип работы остается прежним – зависимость сопротивления от температуры. Изделия отличаются только параметрами.

Технические параметры

Большое разнообразие моделей термического сопротивления диктуется потребностями современной электронной промышленности. Технические параметры полупроводниковой продукции позволяют удовлетворить спрос производителей радиоэлектронных и электротехнических устройств.

К основным параметрам относятся:

  • номинальное сопротивление термистора, измеренное при 25 ºC;
  • мощность рассеяния (то есть максимальный ток, при котором обеспечивается стабильность параметров термистора);
  • диапазон рабочих температур, на который рассчитан терморезистор;
  • ТКС.

Полупроводниковые термисторы очень чувствительны в сочетании с отрицательными значениями TCR. Они просты в изготовлении, имеют малые габариты и легко интегрируются в микросхемы. Все эти свойства делают термисторы незаменимыми в микроэлектронике.

Полупроводниковые термисторы подключаются по мостовой схеме. Такое подключение позволяет автоматически регулировать необходимые параметры электрических цепей. Иногда для этих целей приходится использовать достаточно сложные схемы автоматизации.

Параметры металлических термисторов больше подходят для электрических устройств, в частности их используют в качестве датчиков температуры. Их можно увидеть в установках водяного отопления или в термометрах сопротивления. Датчики такого типа (рис. 7) очень надежны в работе и имеют достаточно широкий диапазон измерений.

Датчики этого типа подключаются по простой схеме. Если вы хотите откалибровать или установить температуру, это обычно делается вручную с помощью потенциометра. Простая схема подключения датчика температуры показана на рис. 8.

Изменяя напряжение с помощью потенциометра, вы можете влиять на значение TCR. Визуально проверить температуру можно с помощью амперметра, шкала которого отградуирована в градусах.

Принцип работы термистора

Во многих случаях явление зависимости сопротивления от температуры вредно. Так малое сопротивление нити накала лампы накаливания в холодном состоянии вызывает перегорание в момент ее включения. Изменение величины сопротивления постоянных резисторов при нагреве или охлаждении приводит к изменению параметров цепи.

Разработчики борются с этим явлением, резисторы выпускаются с пониженным ТКС — температурным коэффициентом резистора. Такие товары стоят дороже обычных. Но есть такие электронные компоненты, где зависимость сопротивления от температуры ярко выражена и нормирована. Эти элементы называются термисторами (терморезисторами) или термисторами.

Виды и устройство терморезисторов

Термисторы можно разделить на две основные группы в зависимости от их реакции на изменения температуры:

  • если при нагреве сопротивление уменьшается, такие термисторы называются термисторами NTC (с отрицательным температурным коэффициентом);
  • если при нагреве сопротивление увеличивается, терморезистор имеет положительную ТКС (положительную характеристику) — такие элементы еще называют позисторами.

Тип термистора определяется свойствами материалов, из которых он изготовлен. При нагревании металлы увеличивают свое сопротивление, поэтому на их основе (точнее, на основе оксидов металлов) изготавливают терморезисторы с положительным ТКС. Полупроводники имеют обратную зависимость, поэтому из них изготавливают элементы NTC.

Термозависимые элементы с отрицательным ТКС теоретически могут быть изготовлены на основе электролитов, но на практике такой вариант крайне нецелесообразен. Его ниша — лабораторные исследования.

Конструкция термисторов может быть разной. Выпускаются в виде цилиндров, бус, дисков и т.п с двумя проводами (как обычный резистор). Вы можете выбрать наиболее удобную форму установки на рабочем месте.

Типы по принципу действия

Термисторы различаются по принципу действия. Есть два типа:

  1. КОНСУЛЬТИРУЙТЕСЬ. В эту категорию входят термопары, датчики температуры, наполненные термометры и термометры биметаллического типа.
  2. БЕСКОНТАКТНЫЙ. К этой группе относятся термисторы, построенные по инфракрасному принципу действия. Их активно используют в оборонной сфере, благодаря способности обнаруживать тепловое излучение инфракрасных и оптических лучей (выделяемых газами и жидкостями).

Классификация по температурному срабатыванию

Термисторы различаются по температуре, на которую они реагируют при срабатывании. В данной товарной позиции выделяются следующие типы деталей:

  1. НИЗКАЯ ТЕМПЕРАТУРА. Такие элементы работают при температуре ниже 170 Кельвинов (минус 1020С). 1 Кельвин = минус 272,150С.
  2. СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА. Здесь рабочий диапазон выше и лежит между 170 и 510 Кельвинами.
  3. ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА. Термисторы этого класса работают при температурах от 570 Кельвинов.
  4. ОТДЕЛЬНЫЙ КЛАСС. Также будет выделяться отдельная группа высокотемпературных терморезисторов, работающих в диапазоне от 900 до 1300 К.

Независимо от типа (позисторы, термисторы) термисторы могут работать в различных температурных режимах и условиях окружающей среды. При эксплуатации в условиях частых перепадов температур исходные параметры детали могут измениться.

Речь идет о двух параметрах — сопротивлении детали при комнатной температуре и коэффициенте сопротивления.

Главные параметры терморезисторов

При выборе детали важно ориентироваться на ее эксплуатационные характеристики и характеристики, которые варьируются в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей.

При выборе товара необходимо выяснить основные параметры и выяснить, подходят они для решения поставленной задачи или нет.

Параметры термистора:

  1. РАЗМЕРЫ. При покупке убедитесь, что деталь подходит по размеру и помещается на плате (в схеме).
  2. СОПРОТИВЛЕНИЕ RT и RT. Параметры измеряются в Омах и указываются по отношению к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвина. Если деталь предназначена для работы при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.
  3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ Τ (СЕК). Параметр отражает тепловую инерцию. В расчете учтено время, необходимое для изменения температуры термического сопротивления на 63 % от разницы t между деталью и окружающим воздухом. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусам Цельсия.
  4. ТКС (в % на градус Цельсия). Как правило, этот показатель назначают для той же температуры t, что и хладостойкость. В такой ситуации в обозначении используются другие цифры — у
  5. Мощность рассеяния Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до которого в полупроводнике не происходят необратимые изменения (параметры остаются прежними). При этом исключается температура, превышающая tmax при достижении Pmax.
  6. Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором свойства термистора остаются неизменными в течение длительного времени (на уровне, указанном изготовителем).
  7. Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/процентах*R). Обозначение — G. Показатель отражает усилие, которое необходимо распределить на детали, чтобы уменьшить параметр R на один процент.
  8. Коэффициент рассеяния (измеряется в ваттах на градус Цельсия). Обозначается символом Н. Параметр отражает мощность, рассеиваемую тепловым сопротивлением при разнице температурных условий детали и окружающего воздуха на один градус.

Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик используемого полупроводника и характеристик теплообмена между продуктом и окружающей средой. Параметры связаны между собой специальной формулой — G=H/100a.

  1. Теплоемкость (измеряется в джоулях на градус Цельсия). Символ C. Индикатор отражает количество тепла (энергии), необходимое для нагрева термистора на один градус.

Некоторые оцениваемые параметры связаны друг с другом. В частности, постоянная времени τ равна отношению теплоемкости к коэффициенту рассеяния.

При покупке позитрона, помимо вышеперечисленных параметров, необходимо учитывать диапазон положительной термостойкости и разнообразие изменения R в положительном секторе ТКО.

Проверка мультиметром

Работоспособность термистора отображается на мультиметре. Тест основан на измерениях сопротивления, таких как изменения температуры. Алгоритм:

  1. Переводим тестер в измерения Ом (например на отметке 200К).
  2. Щуп — к ногам ТР, полярность значения не имеет.
  3. Записываем результат.
  4. Нагреваем элемент: подносим паяльник, проще к термистору, но соблюдаем дистанцию, можно погрузить в воду или просто подержать несколько секунд пальцами.
  5. Снова измеряем количество омов: если это PTC, число должно увеличиваться, термистор (NTC) падает.
  6. Сравниваем с номиналом, если, например, ПТК имеет в своих характеристиках 6,9 Ом в обычном режиме, а после нагрева значение увеличивается на 2 Ом, то можно с большой долей уверенности утверждать, что изделие в хорошем состоянии. Разумеется, такая проверка будет приблизительной, для точности необходимо сравнить, как соотносятся уровни повышения R и t° (есть специальные таблицы и графики). Но TR определенно пробит, если сопротивление резко скачет или вообще не реагирует.

Проверьте термистор, погрузив его в горячую воду и измерив сопротивление тестером:

Как подключить, схемы

Рассмотрим основные схемы подключения резистора PTC в зависимости от того, для каких целей он используется. Чаще элементы подключаются последовательно, но иногда их можно подключать и параллельно, например к реле стартера.

Как сенсор температуры, термокомпенсации

Ниже приведен принцип температурной компенсации: когда транзистор смещен, используется термистор R. При перегреве первого t° также повышается на втором, а при преодолении его значения точки Кюри ТР переходит в высокоомный режим, схема сдвинется, транзистор выключится.

Если PTC выступает в роли детектора перегрева, при запросе температурной компенсации устройство не меняет сопротивление на входе, как термистор NTC, учитывая последовательное соединение входной цепи. Это отлично подходит для вариантов последних, требующих описанного нюанса: для импульсных линий, региональных усилителей, измерительных блоков.

Несколько позисторов в схеме

Два или более PTC могут обслуживать несколько активных сегментов компаратора. Ниже приведена схема последовательного включения увеличенного количества ТР: при обнаружении хотя бы одного перегрева микросхемой компаратора демонстрируется резкое значение термостойкости. Такая компоновка позволяет легко менять количество ПТК или измерять t° на всей базовой схеме.

Защита перегрева двигателя

PTC используется для контроля перегрева электродвигателей, обмоток трансформаторов, несущих конструкций, силовых транзисторов. Ниже приведен пример датчика PTC, обнаруживающего чрезмерный нагрев двигателя и отключающего его с помощью реле.

Непосредственно позистором можно блокировать цепи с малыми нормальными токами, а если большими и постоянными, включают в линию реле, тиристор.

Компонент контроля

PTC, как электронный компонент в управлении током, показан в простейшем решении ниже:

При превышении установленной температуры загорается диод. Если ограничение по току нарушено, термистор среагирует и немедленно активирует защиту.

Опция задержки может быть реализована через динамические свойства ТР, есть два способа: подключение параллельно или последовательно с реле. Также возможно управление пусковыми токами с помощью розистора, например при смене источников питания, которые обычно имеют значительное значение при первом пуске.

PTC можно использовать вместо NTC или простого резистора в качестве ограничителя пускового тока. Деталь нагревается от перегрузки по току при выходе из строя реле или тиристора, и срабатывает от высокого сопротивления, ток тут же блокируется.

Помимо вышеперечисленного удобно использовать ПТК для схемы пуска двигателя в качестве бесконтактного пускателя, например для компрессора холодильников, кондиционеров и т.п.

Базовые характеристики терморезисторов

При оценке термисторов необходимо учитывать и анализировать их характеристики:

  1. Вольт-амперная характеристика представляет собой кривую на графике, показывающую зависимость напряжения на образце от тока, проходящего через терморезистор. График построен с учетом теплового равновесия с окружающей природой. Для позисторов и термисторов графики разные.
  2. Температурная характеристика. При построении графика снимается зависимость сопротивления от температуры в том или ином режиме. По оси R параметр задается по десятикратному принципу (10X), а по оси времени пропускается участок в диапазоне от нуля до 223 Кельвинов.
  3. Тепловая характеристика. С помощью графика можно увидеть параметры терморезисторов, работающих по косвенному принципу. Другими словами, кривая отражает зависимость сопротивления части подводимого к ней тока. При указании графика сопротивление масштабируется относительно 10X.

Читайте также: Расцепитель автоматического выключателя и его виды: тепловой, электромагнитный, комбинированный, полупроводниковый, электронный или независимый

Основные характеристики

Важнейшей характеристикой любого термистора является его температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Он показывает, насколько изменится сопротивление при нагревании или охлаждении на 1 градус Кельвина.

Хотя изменение температуры, выраженное в градусах Кельвина, равно изменению в градусах Цельсия, в свойствах термического сопротивления все же используется Кельвин. Это связано с широким использованием в расчетах уравнения Стейнхарта-Харта, и оно включает температуру в К.

TCR является отрицательным для термисторов NTC и положительным для термисторов PTC.

Еще одной важной характеристикой является номинальное сопротивление. Это значение сопротивления при 25°C. Зная эти параметры, легко определить применимость термического сопротивления для той или иной цепи.

Такие свойства, как номинальное и максимальное рабочее напряжение, также важны для использования термисторов. Первый параметр определяет напряжение, при котором элемент может работать длительное время, а второй — напряжение, выше которого работоспособность термического сопротивления не гарантируется.

Для позиторов важным параметром является эталонная температура — точка на графике зависимости сопротивления от нагрева, где происходит изменение характеристики. Он определяет рабочий диапазон резистора PTC.

При выборе термистора обратите внимание на диапазон температур. Вне диапазона, указанного производителем, его характеристика не нормируется (это может привести к ошибкам в работе оборудования) или там вообще термистор выходит из строя.

Условно-графическое обозначение

На схемах УГО термистора может незначительно отклоняться, но основным признаком термического сопротивления является символ t рядом с прямоугольником, обозначающим сопротивление. Без этого обозначения невозможно определить, от чего зависит сопротивление — например, варисторы (сопротивление определяется приложенным напряжением) и другие элементы имеют аналогичные УГО.

Иногда для УГО используют дополнительное обозначение, определяющее категорию термистора:

  • NTC для элементов NTC;
  • PTC для термисторов.

Это свойство иногда указывается стрелками:

  • выпрямитель для PTC;
  • многоходовой для NTC.

Буквенное обозначение может быть разным — Р, РК, ТХ и т.д.

Как проверить термистор на работоспособность

Первая проверка термистора заключается в измерении номинального сопротивления обычным мультиметром. Если измерение проводить при комнатной температуре, не сильно отличающейся от +25°С, измеренное сопротивление не должно существенно отклоняться от указанного на корпусе или в документации.

Если температура окружающей среды выше или ниже указанного значения, необходимо внести небольшую поправку.

Можно попробовать снять температурную характеристику термистора — сравнить с указанной в документации или восстановить для элемента неизвестного происхождения.

Есть три температуры, которые можно создать с достаточной точностью без измерительных приборов:

  • тающий лед (можно взять в холодильник) – около 0°С;
  • тело человека – около 36°С;
  • кипяток – около 100°С.

По этим точкам можно провести примерную зависимость сопротивления от температуры, но для позисторов это может не сработать — на графике их ТКС есть участки, где R не определяется температурой (ниже эталонной температуры). При наличии термометра можно снять характеристику в нескольких точках — погрузив терморезистор в воду и нагрев его.

Через каждые 15…20 градусов необходимо измерять сопротивление и наносить значение на график. Если нужно взять параметры выше 100 градусов, вместо воды можно использовать масло (например, автомобильное — двигатель или коробка передач).

SMD и встроенные терморезисторы

Есть также еще два типа термисторов, о которых вам следует знать:

  1. SMD — детали с особым типом крепления (для наружного монтажа). Внешне они мало чем отличаются от SMD-конденсаторов из керамики. Габариты соответствуют стандартному диапазону – 1206, 0805, 0603 и так далее. По внешнему виду такие изделия практически невозможно отличить от термисторов SMD
  2. Часть. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.

Кроме того, следует сказать, что в электронике наряду с термисторами используются тепловые реле и термопредохранители, работающие по аналогичному принципу и также устанавливаемые в электронных устройствах.

Где применяются

Наиболее очевидное использование термисторов — датчики температуры. Для этой цели подходят термисторы NTC и PTC. Нужно только подобрать элемент по рабочему участку и учесть характеристику термистора в измерительном блоке.

Можно построить тепловое реле — при сравнении сопротивления (точнее падения напряжения на нем) с заданным значением, и при превышении порога выход переключается. Такое устройство можно использовать в качестве устройства термоконтроля или пожарного извещателя.

Создание термометров основано на явлении косвенного нагрева — когда терморезистор нагревается от внешнего источника.

Прямой нагрев применяется и при использовании терморезисторов — термистор нагревается за счет проходящего через него тока. Резисторы NTC можно использовать таким образом для ограничения тока — например, при зарядке больших конденсаторов при их включении, а также для ограничения пускового тока электродвигателей и т д.

В холодном состоянии термически зависимые элементы имеют большое сопротивление. При частичном заряде конденсатора (или выходе двигателя на номинальные обороты) терморезистор успеет нагреться от протекающего тока, сопротивление упадет, и на работу схемы это уже не повлияет.

Точно так же вы можете продлить срок службы лампы накаливания, включив термистор последовательно с ней. Он ограничит ток в самый сложный момент — при включении напряжения (именно в это время большинство ламп выходит из строя). После нагрева он перестанет влиять на лампу.

Наоборот, термисторы с положительной характеристикой используются для защиты электродвигателей во время работы. Если ток в цепи обмотки возрастает из-за остановки двигателя или чрезмерной нагрузки на вал, резистор PTC нагревается и ограничивает этот ток.

Термисторы NTC также можно использовать в качестве тепловых компенсаторов для других компонентов.

Так, если параллельно резистору, задающему режим транзистора, и имеющему положительный ТКС, установить терморезистор NTC, то изменение температуры повлияет на каждый элемент противоположным образом. В результате компенсируется влияние температуры, а рабочая точка транзистора не смещается.

Существуют комбинированные устройства, называемые термисторами с непрямым нагревом. В одном корпусе такого элемента размещены термозависимый элемент и нагреватель. Между ними есть тепловой контакт, но они гальванически развязаны. Изменяя ток через нагреватель, можно регулировать сопротивление.

Термисторы с различными характеристиками широко используются в технике. Помимо стандартных приложений, их объем работы может быть расширен. Все ограничивается только фантазией и квалификацией разработчика.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector