Измерение температуры и датчики температуры. часть 4. термисторы

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.

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

Разъёмы

Разъёмы, содержащие драгметаллы.

• Разъёмы отечественного производства всех серий только с жёлтыми контактами!
• Разъёмы отечественного производства в пластиковых корпусах не надо разбирать, так как на корпусе разъёмов стоит маркировка и год выпуска. Это напрямую влияет на цену разъёмов.
• Контакты (лигатура) от отечественных разъёмов с жёлтым покрытием контактных частей, в том числе от разъёмов круглого сечения 2РМ, ШР, СНЦ, ОНЦ и подобных в алюминиевых корпусах.
• Все разъёмы с посеребренными (белого цвета) контактами необходимо разбирать на лигатуру, в целом виде данные разъёмы не покупаем. Лигатура — это извлечённые из корпуса разъёма контакты.
• Разъёмы импортного производства определённых марок с полностью жёлтыми контактами.
• Разъёмы с материнских плат и подобные разъёмы не покупаем в целом виде не покупаем, необходимо разбирать на контакты (лигатуру).
• Ламели жёлтого и серого (стального) цвета от плат отечественного и импортного производства.
• Посеребренные ламели не подходят для продажи. Посеребренные ламели, как правило, ещё и частично покрыты чёрным налётом (окислом).
• Дополнительную информацию по данным радиодеталям смотрите на странице «Разъёмы».

Как устроен термистор

Очень просто. Настолько просто, что даже не требуется отдельная иллюстрация. Обычно это небольшой «брусок» из специальных материалов, на концах которого закреплены выводы. «Брусок» может быть прямоугольным или круглым, диском, просто небольшой «капелькой».

Он не обязательно однородный. И может иметь не только выводное, но и SMD исполнение. По сути это полупроводниковый резистор (полупроводник это материал, а не p-n переход!). «Специальные материалы» зачастую основываются на оксидах металлов (марганца, никеля, кобальта) и по механическим свойствам близки к керамике.

Термисторы покрывают защитными покрытиями. Это может быть краска или лак, стекло, различные компаунды и пластики. Они могут помещаться в специальные корпуса для механической защиты или удобства крепления. В этом случае в корпусах они тоже заливаются компаундами. Некоторые варианты показаны на иллюстрации в начале статьи.

Конструкция

Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых выводов. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (Схема строения показана на рисунке 2).

В качестве термочувствительного материала используют оксиды металлов. Для защиты конструкции используют стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

Рис. 2. Конструкция простого термистора

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используют медь или платину. Эти материалы обладают высокими показателями ТКС металлов в рабочем диапазоне температур. Однако их применение ограничено по причине дороговизны платины и ее нелинейности преобразования.

Использование медных терморезисторов ограничивается низкой коррозионной сопротивляемостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Применяются для температур не выше 180 ºC.

Еще одним недостатком металлических термосопротивлений является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции мало пригодны для поддержания теплового режима электроприборов, но они идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.

С целью уменьшения тепловой инерционности терморезисторы изготавливают из микропроводов, которые заключают в стеклянную колбочку (см. рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, отличаются стабильностью, а их инерционность не превышает долей секунд.

Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе

Широкое распространение получили типы датчиков на базе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников происходит насыщение этих материалов электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.

Существуют конструкции плоских терморезисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.

Рис. 4. Конструкция плоского терморезистора

Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых применен способ SMT монтажа. Для этих целей промышленность выпускает SMD-терморезисторы разных номиналов (см. рис. 5).

Рис. 5. Терморезисторы для микроэлектроники

В большинстве конструкций терморезистивный элемент изготовляют методом порошковой металлургии. В этих целях используют материалы:

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

Очертание резистивных элементов может иметь форму бусинок, стержней, трубочек, пластинок и т. п.

Какую конструкцию вы бы не выбрали, принцип работы остается неизменным – зависимость сопротивления от температуры. Отличаются изделия только параметрами.

Общий принцип действия

Терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды.

В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала.

При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов.

Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали. Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других)

Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре

Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре.

Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.

При росте температуры атомы двигаются активнее. При таких обстоятельствах исходный актом быстрее столкнется с другим элементом. В результате возникает дополнительное сопротивление.

После снижения рабочей температуры электроны «падают» в нижние валентные уровни и переходят в невозбужденное состояние. Иными словами, они меньше перемещаются и не создают такого сопротивления.

В случае повышения температуры растет и показатель R. Но здесь нужно учесть тип терморезистора, от которого зависит принцип повышения и роста сопротивления при изменении температурного режима.

По виду нагрева

По способу нагревания терморезисторы делятся на два типа:

1. ПРЯМОГО НАГРЕВА. Подразумевается изменение температуры детали под действием окружающего воздуха или тока, протекающего через деталь. Устройства с прямым нагревом чаще всего применяются для решения двух задач — изменения температуры или восстановления нормального режима. Такие терморезисторы применяются в градусниках, ЗУ, термостатах и других устройствах.
2. КОСВЕННОГО НАГРЕВА. В отличие от прошлого типа здесь нагрев происходит из-за элементов, находящихся в непосредственной близости от резистора. Узлы никак не взаимосвязаны. При таком подходе сопротивление полупроводника обуславливается изменением тока, который проходит через близлежащий элементы. Терморезисторы, работающие на косвенном принципе, нашли применение в мультиметрах (комбинированных приборах).

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.

Переключатели, тумблера, кнопки

Переключатели, содержащие драгметаллы.

• ПГ2, ПГ5, ПГ7, ПР1, ПР2, ПМ2-1, ПкП2-1, ПКН4-1, П2КнТА, ПК1С, ПК1Э, ПК2С, П1Т3-1В, П1Т4-1В, П1М9-1В, П1М11-1, П1М12-1, ПТ 2-40, ПТ 3-40В, ПТ 33; 55, ПКн-2,4-1В, ПМ2-1В, ПКн-4-1В, ПТ 8-1В,3В, ПТ 8-1В,3В, ПТ 8-1В,3В, ПТ 8-1В,3В, ПТ9-1, ПТ11-1, ПТ13-1, ПТ23-1, ПТ25-1, ПТ27-1, МП-12, П1Т-1-1, П2Т-1-1В, П2Т-1,7,14Т,19, П2Т-1,7,14Т,19, П2Т-1,7,14Т,19, ОСП2Т-1,2,7, ПКн-8-1В, ПКн-8-2В, ПКн-8-3В, ПКн-8-4В, ПКн-19-1В, ПКн-105-1В, ПКн-107-8В, ПКн-115-1В, ПКн-125, ПКн-150-1, П2Кн-1В,3В и П2КнТА-1,2,3,4В, П2Кн-1В,3В, П2КнТА-1,2,3,4В, П2Кн-1В,3В, П2КнТА-1,2,3,4В, П2КнТ3В,Т4В, П2КнТ1,3,4В, П3ПН-20, ПП6, ПП8, ПП9, ПП11, ППК-2-20, ТВ1-2, ТВ1-4, ВБТ, ВДМ, ШИВ-25/4, ШИВ-50/4.
• Перечисленные переключатели и кнопки подходят до определённого месяца и года выпуска. Определённые серии переключателей изготавливались с белыми и жёлтыми выводами, подходят только с жёлтыми выводами. С белыми выводами — необходим анализ.
• Переключатели серий МТ, определённых серий МП и подобные в целом виде не покупаем, необходимо разбирать на посеребренные детали.
• По другим переключателям необходим анализ.

Измерение температуры с помощью термисторов

В общем и целом, как и в случае термометров сопротивления, измерение температуры сводится к измерению сопротивления. Но, поскольку их чувствительность гораздо выше, это сделать немного проще.

При этом остаются актуальными два основных момента.

Саморазогрев датчика

Как я уже говорил в предыдущей статье, протекающий через измерительный элемент ток вызывает нагрев измерительного элемента, что искажает измерения.

Для расчета ошибки измерения в документации приводится параметр, эквивалентный тепловому сопротивлению. Для термисторов EPCOS/TDK это параметр называется Dissipation factor. Например, для термисторов B57861S (S861) он равен 1.5 мВт/К для жестких выводов впаиваемых в плату и 3.2 мВт/К для гибких выводов из монтажного провода.

Иногда указывают и максимальный ток, при котором измерения имеют допустимую погрешность. Причем ток может быть весьма малым.

Лианеризация

Несмотря на то, что зависимость сопротивления от температуры для NTC термисторов не линейна, это затруднение не так сложно обойти.

Разумеется, если температуру измеряет микроконтроллер, то достаточно разместить в его памяти калибровочную таблицу, и задача решена. Причем для калибровочной таблицы не требуется большого объема памяти.

Если же такая «цифровая лианеризация» по каким то причинам невозможна, например, в чисто аналоговой схеме, то можно использовать схемотехнические решения. Например, усилитель с нелинейной передаточной характеристикой.

Есть и другие способы. Например, подключить параллельно термистору резистор с сопротивлением

Здесь RT1 это сопротивление термистора в нижней точке температурного диапазона, RT3 — в верхней точке, RT2 — в средней. Фактически, это аппроксимация участка характеристики термистора прямой линией.

У метода есть очевидные ограничения. Во первых, он применим только для относительно узких рамок измеряемой температуры и неприемлем для полного диапазона. Во вторых, погрешность измерения будет разной в пределах лианеризованного диапазона температур. В третьих, чувствительность такого «комбинированного» датчика будет заметно ниже чувствительности термистора.

Один из вариантов лианеризации предложен в книге Texas Instruments «Analog Engineer’s Circuit: Amplifiers» (декабрь 2018 года). Я не буду перерисовывать схему, просто приведу фрагмент книги. Так что не удивляйтесь нестандартному обозначению компонентов

Эта схема предназначена для подключения к АЦП, но может использоваться и в чисто аналоговых конструкциях. На схеме показаны уже рассчитанные параметры элементов, включая опорное напряжение.

Выходное напряжение схемы определяется формулой

По сути, здесь используется та же самая идея замены участка характеристики прямой. Только напряжение на вход усилителя подается не с термистора, а с второго резистора делителя. И точно так же, она не обеспечивает лианеризации полного диапазона температур.

Сопротивление резистора R1 вычисляется как среднее геометрическое сопротивлений термистора при минимальной и максимальной температурах диапазона измерений.

После чего можно рассчитать минимальное и максимальное напряжения на входе ОУ. Необходимый коэффициент усиления определяется как отношение ΔUвых/ΔUвх. После этого можно рассчитать сопротивления R2 и R3, как это обычно делается для ОУ.

Остается рассчитать опорное напряжение подставив все рассчитанные значения в формулу для выходного напряжения, которая приведена выше.

Применение

В основном терморезисторы используют для защиты оборудования и различных устройств от перегрева и от возможных перегрузок. Реже зависимостью сопротивления стабилизируют работу нагревательного элемента.

Примеры использования:

• защита электромоторов от перегрева;
• тепловая защита обмоток трансформаторов;
• в системах размагничивания кинескопов и старых моделей мониторов;
• в электронных схемах современных автомобилей.

В большинстве схем используется способность термисторов преобразовывать внутреннюю энергию в электрический сигнал, который считывается автоматикой.

В нагревательных приборах терморезистор довольно часто используется в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Его сопротивление возрастает при достижении критической температуры и в результате этого электрическая цепь размыкается.

После остывания прибор восстанавливает работоспособность. Сферы применения можно перечислять очень долго, но и эти примеры показывают, насколько востребованными оказались термисторы и термисторы.

ТРАНЗИСТОРЫ

• 2Т(КТ)117 Г
• 2Т 203 (А, Б)
• КТ 203 Б
• 2Т208(А, Б, В, Г)
• КТ3102А, Б, Г
• 2Т(КТ)3117А
• 2Т312В
• КТ312В
• 2Т312Б
• КТ312Б
• КТ 312 Б (желтые)
• 2Т313(А, Б)
• КТ313А, Б
• 41 С 8
• КТ501 И
• КС 508
• БСАР 77 А
• ЗЕ WN (импортные)
• ЗЕХ2 (5, 7) (импортные)
• 2У(КУ)101 (А, Б, Е, Г)
• АОТ110А
• П 309
• Серия КТ 505
• Серия 2Т6 551
• КТ(2Т)603(А,Б)
• 2Т 603 А (белые)
• КТ(2Т)608(А,Б)
• КТ 608 Б(белые)
• 2Т 635 А
• 2Т6 821
• 2Т831 Б(830 Б)
• TESLA КРУ 18 (импортные)
• TESLA КРУ 18 (импортные)
• TESLA KF 508 (импортные)
• TESLA KF 517 (импортные)
• SSY 20 В (импортные)
• SF 129 С (импортные)
• SF129C (импортные)
• SF129C
• МП 13, 14, 15,20,21,26
• 1Т308( А, Б, В)
• 1Т403Г(ГТ403Г)
• П416А
• 2Т(КТ) 602 Б (желтые)
• 2Т(КТ) 602 А,Б (белые)
• Серий 13В44.87ХЗ, 19С17
• КТ 909 Б
• КТ(2Т)914А
• Транзисторы в металлопластиковом корпусе
• Серия 800
• Серия 900
• Транзисторы

SMD и встроенные терморезисторы

Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:

1. SMD — детали с особым типом монтажа (для внешнего крепления). Внешне они не сильно отличаются от конденсаторов SMD, изготовленных из керамики. Габариты соответствуют стандартному ряду — 1206, 0805, 0603 и т. д. По виду отличить такие изделия от терморезисторов SMD почти невозможно.
2. Встроенные. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.

Как выбрать стабилизатор напряжения для дома и дачи, 220 и 12 вольт, какой лучше

В дополнение стоит сказать, что в электронике вместе с терморезисторами используются термореле и термические предохранители, которые работают на похожем принципе и также устанавливаются в электронных приборах.

<

Классификация по температурному срабатыванию

Терморезисторы отличаются по температуре, на которую они реагируют при срабатывании. С этой позиции выделяются следующие типы деталей:

1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Такие элементы срабатывают при температуре ниже 170 Кельвинов (минус 102С). 1 Кельвин = минус 272,15С.
2. СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Здесь диапазоне работы выше и находится между 170 и 510 Кельвинами.
3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Терморезисторы такого класса работают при температурах от 570 Кельвинов.
4. ОТДЕЛЬНЫЙ КЛАСС. Выделятся также индивидуальная группа высокотемпературных термических резисторов, работающих в диапазоне от 900 до 1300 К.

Вне зависимости от вида (позисторы, термисторы) терморезисторы могут работать в разных температурных режимах и внешних условиях. При эксплуатации в условиях частых изменений температур первоначальные параметры детали могут меняться.

Речь идет о двух параметрах — сопротивлении детали в условиях комнатной температуры и коэффициенте сопротивления.

Режим работы терморезисторов

В зависимости от конструкторских замыслов, термисторы могут работать в системах с разными температурными режимами. Однако для каждой модели существует своя номинальная шкала температур.

По этому признаку их можно классифицировать следующим образом:

• терморезисторы низкотемпературного класса (до 170 К);
• изделия среднетемпературного класса (применяются в диапазоне температур 170 – 510 К);
• модели высокотемпературного класса (в пределах от 570 К и выше).

В отдельный класс выделены терморезисторы, способные работать при нагревах от 900 до 1300 К. Эти модели используют в качестве датчиков температуры различных нагревательных элементов.

Все термисторы выдерживают существенные токовые нагрузки. Правда, при работе в жестких термоцикличных режимах, их термоэлектрические характеристики, могут изменяться. Со временем изменения коснутся номинального сопротивления и коэффициента сопротивления.

Что становится причиной выхода из строя резистора

Надежная электроника имеет свой ресурс. Отработав положенный срок, она утилизируется. Основными причинами отказа являются:

• резкие смены температурных режимов, высокая влажность;
• постоянные вибрации, механические нагрузки, удары;
• скачки напряжения, короткие замыкания, удары молний.
• некачественная установка, нарушение эксплуатационных режимов.

Преимущества сотрудничества с нашей компанией

• Хорошие расценки на рыке приема радиодеталей с драгоценными металлами.
• Высокий профессионализм персонала индивидуальная работа с частниками и государственными предприятиями.
• Широкая сеть представителей во всех регионах страны ускоряет приемку, отгрузку, транспортировку, оплату.
• По требованию клиента предоставляем все необходимые документы.

Оформление заказа за пятнадцать минут. Воспользуйтесь автодозвоном или заполните формуляр на сайте. Администратор ответит немедленно, даст необходимые разъяснения, поможет определить предварительную стоимость.

Резисторы переменные

Резисторы, содержащие драгметаллы.

• СП5-1, СП5-2, СП5-3, СП5-4, СП5-14, СП5-15, СП5-16, СП5-17, СП5-18, СП5-20, СП5-21, СП5-22, СП5-24, СП5-37, СП5-39, СП5-44.
• СП3-19, СП3-37, СП3-39, СП3-44.
• ПП3-40, ПП3-41, ПП3-43, ПП3-44, ПП3-45, ПП3-47.
• Перечисленные серии резисторов, кроме ПП3-40 и подобных, покупаем до 1990 года, после необходима проверка на подходимость, так как подходят не все.
• Резисторы СП3-39 необходимо разбирать, покупаем с бегунком стального цвета. С медным бегунком не подходят, такие не покупаем.
• Все другие резисторы с маркировкой, которая начинается с СП3-0, СП3-3 и так далее не покупаем.
• Резисторы ПП3-40, ПП3-43 и подобные подходят до 03.92 года, после этой даты необходима проверка, многие не подходят.
• Резисторы МЛТ, ОМЛТ и подобные в настоящее время не покупаем.

Лампы генераторные серий ГИ, ГМИ, ГС, ГУ

Лампы, содержащие драгметаллы.

• ГС-23Б, ГС-36Б, ГИ-19Б, ГМИ-2Б, ГМИ-4Б, ГМИ-5, ГМИ-6, ГМИ-6-1, ГМИ-7, ГМИ-7-1, ГМИ-10, ГМИ-11, ГМИ-14Б, ГМИ-19Б, ГМИ-21-1, ГМИ-24Б, ГМИ-26Б, ГМИ-27А, ГМИ-27Б, ГМИ-32Б, ГМИ-32Б1, ГМИ-38, ГМИ-42Б, ГМИ-83В, ГМИ-89, ГМИ-90
• ГУ-19-1, ГУ-29, ГУ-34Б, ГУ-34Б1, ГУ-43А, ГУ-43Б, ГУ-50, ГУ-70Б, ГУ-71, ГУ-72, ГУ-73Б, ГУ-73П, ГУ-74Б, ГУ-78Б, ГУ-84Б
• ГКД1-600/5, ТГИ1-2500/50, ТГИ1-2000/35, ЛИ-604 К-1, ЛИ-705, ЛИ-702-1, ЛИ-703, 5МГЦ резонатор, Кварц К3, Разрядник РР-7, Клистрон К-12, Клистрон К-351, Клистрон К-352
• Генераторные лампы покупаем до 01.1991 года выпуска. На цену ламп влияет наличие знака «ромб» и ряд других факторов.
• Радиолампы от телевизоров СССР без упаковки и б/у радиолампы не покупаем. Более подробно на странице «Лампы».