Термосопротивление

Термосопротивление, термистор или терморезистор – это три названия одного и того же прибора, сопротивление которого меняется в зависимости от его нагрева или охлаждения.

Термосопротивление

Термосопротивление

Достоинства терморезистора:

  • простота изготовления;
  • отличная работоспособность при больших нагрузках;
  • стабильная работа;
  • небольшие размеры изделия позволяют использовать его в миниатюрных датчиках;
  • малая тепловая инертность.
Миниатюрные терморезисторы

Миниатюрные терморезисторы

Типы термисторов и принцип их действия

Основой датчика является резистивный элемент, для изготовления которого используют полупроводники, металлы или сплавы, то есть элементы, у которых наблюдается выраженная зависимость сопротивления от температуры. Все материалы, которые используются при их создании, должны иметь высокий удельный температурный коэффициент сопротивления.

Для производства терморезисторов применяют следующие материалы и их оксиды:

  • платина;
  • никель;
  • медь;
  • марганец;
  • кобальт.

Также могут применяться галогениды и халькогениды определённых металлов.

Если используется металлический резистивный элемент, то он изготавливается в виде проволоки. Если полупроводниковый, то – чаще всего в виде пластинки.

Дисковый терморезистор

Дисковый терморезистор

Важно! Материалы, из которых изготавливается термосопротивление, должны обладать большим температурным отрицательным (NTC) или положительным (PTK) коэффициентом сопротивления.

Если коэффициент отрицательный, то при нагревании сопротивление термистора падает, если положительный – увеличивается.

Металлические терморезисторы

Ток в металлах образуется за счёт движения электронов. Их концентрация при нагреве не увеличивается, но возрастает скорость хаотического движения. Таким образом, при нагревании растёт величина удельного сопротивления проводника.

Зависимость сопротивления металлов от температуры нелинейная и имеет вид:

Rt = R0(1 + А·t + В·t2 + …), где:

  • Rt и R0 – сопротивление проводника при температуре t и 0°С соответственно,
  • A, B – коэффициенты, которые зависят от материала. Коэффициент А называют температурным коэффициентом.

Если температура не превышает 100°С, то сопротивление проводника рассчитывают по следующей формуле:

Rt = R0(1 + A·t),

а остальными коэффициентами пренебрегают.

У каждого типа термисторов есть определённые ограничения для использования. Так, например, медные датчики можно использовать в температурном диапазоне от -50°С до +180°С, платиновые – от -200 до +650°С, никелевые приборы – до 250-300°С.

Условное изображение терморезистора на схеме

Условное изображение терморезистора на схеме

Полупроводниковые термисторы

Для изготовления терморезисторов используются оксиды CuO, CoO, MnO и т.д. При изготовлении порошок спекают в деталь нужной формы. Чтобы в процессе работы резистивный элемент не был повреждён, его покрывают защитным слоем.

В полупроводниковых приборах зависимость удельного сопротивления от температурных показателей также не является линейной. При её повышении в датчике резко падает значение R из-за увеличения концентрации носителей электрического заряда (дырок и электронов). В этом случае говорят о датчиках с отрицательным температурным коэффициентом. Однако, имеются терморезисторы с положительным коэффициентом, которые при нагревании ведут себя как металлы, т.е. R увеличивается. Такие датчики называются позисторами (PTC датчики).

Формула зависимости сопротивления полупроводникового термистора от температуры имеет вид:

где:

  • A – постоянная, характеризующая сопротивление материала при t = 20°С;
  • T – абсолютная температура в гра­дусах Кельвина (T = t + 273);
  • B – постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника.

Конструкция металлических терморезисторов

Существует два основных типа конструкции прибора:

  • намоточная;
  • тонкоплёточная.

В первом случае датчик выполняется в виде спирали. Проволоку либо наматывают на цилиндр, выполненный из стекла или керамики, либо размещают внутри него. Если намотка выполняется по цилиндру, то сверху она обязательно покрывается защитным слоем.

Во втором случае используют тонкую подложку из керамики, сапфира, оксида меди, циркония и т.д. На неё напыляется металл тонким слоем, который сверху дополнительно изолируется. Металлический слой выполняется в виде дорожки и называется меандр.

К сведению. Для защиты терморезистора его размещают в металлическом корпусе или сверху покрывают специальным изолирующим слоем.

Типы металлических терморезисторов

Типы металлических терморезисторов

Принципиальных различий в работе обоих видов датчиков нет, но плёночные приборы работают в более узком температурном диапазоне.

Сами приборы могут быть выполнены не только в виде стержней, но и бусинок, дисков и т.д.

Применение термисторов

Если термосопротивление разместить в какой-либо среде, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена между ним и средой. Это зависит от ряда факторов: физических свойств среды (плотность, вязкость и т.д.), скорости движения среды, изначального соотношения температурных показателей среды и термистора и т.д.

Таким образом, зная зависимость сопротивления проводника от температуры, можно определять количественные показатели самой среды, например, скорость, температуру, плотность и т.д.

Одной из важных характеристик терморезистора является его точность измерения, то есть насколько реальные показания термистора отличаются от лабораторных. Точность прибора характеризуется классом допуска, который определяет величину максимального отклонения от заявленных показателей. Класс допуска задаётся как функция, зависящая от температуры. Например, значения допуска платиновых датчиков класса АА составляют ± (0,1 + 0,0017 |T|), класса А – ±(0,15 + 0,002 |T|).

Важно! Естественно, что при создании термосопротивления разработчики стремятся к тому, чтобы при работе минимизировать потери, связанные с теплопроводностью и лучеиспусканием самого прибора.

Термисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике, системах теплового контроля, пожарных системах и т.д.

Видео

Оцените статью:
Оставить комментарий