Терморезисторы
Термистор был открыт Самьюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.
Разработаны следующие разновидности терморезисторов:
Термистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.
Позистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.
Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.
Терморезистор косвенного подогрева, разогревается от специального дополнительного встроенного нагревателя.
Болометр – терморезистор, чувствительный к воздействию теплового и оптического излучений, содержащий в своем составе активную и компенсационную части.
Широко известны температурные зависимости электропроводности металлов, собственных и примесных полупроводников (германий, кремний и др.). Однако в терморезисторах эти материалы не нашли применения из-за:
недостаточно сильной зависимости подвижности носителей заряда от температуры в проводниках и примесных полупроводниках;
несоответствия типовому диапазону рабочих температур от -60 0 С до +60 0 С областей экспоненциального изменения концентрации носителей в примесных полупроводниках (область истощения примесей – менее 100 К, область перехода к собственной проводимости – более 400 К);
высокой нестабильности величин сопротивлений технически изготавливаемых собственных полупроводников.
Терморезисторы — ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
Принцип действия терморезисторов
Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор.
Измерения показывают, что температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температур или в его части аппроксимируется выражением:
Для практических расчетов удобно исключить постоянную А. Написав формулу для RT для двух температурТ1иТ2и разделив одно на другое, получим:
Из этой формулы можно рассчитать величину сопротивления терморезистора при любой температуре Т2(в интервале рабочих температур), зная значение постояннойВи сопротивление образца при какой-то температуреТ1.
Величина Вопределяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурахТ1иТ2. Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить
где ΔlgR=lgRT2-lgRT1,а Δ(1/T) = 1/Т2-1/Т1. В – это коэффициент температурной чувствительности, чаще используется размерностьВ в Кельвинах.
Если определить ТКС терморезистора α как это обычно принято: ТКС = αT= (1/R)(dR/dT), то следует, что αT= —B/T 2 .
Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону:
где А– постоянная, α – температурный коэффициент сопротивления при температуре 1°С в абсолютных единицах.
Материал термисторов
Материал подавляющего большинства термисторов — это полупроводниковая керамика. Процесс ее изготовления заключается в спекании порошков нитридов и оксидов металлов при высоких температурах. В итоге получается материал, состав оксидов которого имеет общую формулу (AB)3O4 или (ABC)3O4, где A, B, C — металлические химические элементы. Чаще всего используют марганец и никель.
Если предполагается, что термистор будет работать при температурах меньших, чем 250 °С, тогда в состав керамики включают магний, кобальт и никель. Керамика такого состава показывает стабильность физических свойств в указанном температурном диапазоне.
Важной характеристикой термисторов является их удельная проводимость (обратная сопротивлению величина). Проводимость регулируется добавлением в состав полупроводниковой керамики небольших концентраций лития и натрия.
Термисторы Принцип Действия Основные Характеристики и Параметры
Отличие от платиновых детекторов
Помимо полупроводниковых термисторов, существует другой тип детекторов температуры, рабочим материалом которых является платина. Эти детекторы изменяют свое сопротивление при изменении температуры по линейному закону. Для термисторов же эта зависимость физических величин носит совершенно иной характер.
Преимуществами термисторов в сравнении с платиновыми аналогами являются следующие:
- Более высокая чувствительность сопротивления при изменении температуры во всем рабочем диапазоне величин.
- Высокий уровень стабильности прибора и повторяемости полученных показаний.
- Маленький размер, который позволяет быстро реагировать на температурные изменения.
Терморезисторы
Терморезистор (от термо. и англ, resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — это прибор, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от изменения температуры.
Их применяют для измерения сравнительно невысоких температур (нс более 650 °С).
Терморезисторы отличает простота устройства, способность работать в разных климатических условиях при различных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.
Терморезисторы изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Размеры терморезисторов варьируются в пределах от 1 — 10 мкм до 1 — 2 см.
Различают терморезисторы металлические и полупроводниковые, с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
ТКС металлов составляет от 0,004 (никель) до 0,006 «СТ 1 (железо), для полупроводников этот коэффициент при температуре 20 °С примерно равен -0,04 °С _| .
Для проводников из чистых металлов зависимость электрического сопротивления от температуры в области низких температур от -200 до 0 °С описывается уравнением
где R и R„ — сопротивления терморезистора, соответствующие температурам / и О °С; А, В и С — коэффициенты. Например, для платины с ТКС, равным 0,00385 °СА = 3,9083• 10 3 , В = = -5,775-10 7 и С = -4,18310 12 «(Г 1 (ГОСТ Р 8.625-2006).
В диапазоне температур от 0 до 180 °С зависимость сопротивления от температуры описывается уравнением
где а = tg/? — температурный коэффициент сопротивления металла.
Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления R с последующим переходом к температуре t по формулам или градуировочным таблицам. На рис. 3.6 показана статическая характеристика термо- рсзистора.
Рис. 3.6. Статическая характеристика терморезистора
По устройству тсрморсзисторы близки к термоэлектрическим термометрам (см. п. 3.5).
Рис. 3.7. Чувствительный элемент терморезистора:
1 — проволока; 2 — каркас; 3 — выводы; 4 — чехол
Выводы 3 от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Обмотку терморезистора заключают между двух слюдяных прокладок и помещают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали 4.
