Что такое ntc на плате

Что такое NTC термисторы

Термисторы NTC- это особый тип резистора, который имеет отрицательный температурный коэффициент. Это его основная особенность, которая понятна из самого слова «термо». Его внутреннее сопротивление сокращается по мере роста температуры. Обычно, эти радиодетали используются в температурных датчиках из-за своих токоограничивающих свойств.

Величина этого коэффициента у термистора выше в несколько раз, чем у силисторов – температурных датчиков, изготовленных на кремниевой основе и более чем на порядок выше( то есть в 10 раз), чем у датчиков RTD. Рабочий диапазон термистора лежит в диапазоне от -50 до +200 градусов. В данной статье описаны все особенности и отличия, устройство и схема подключения этой радиодетали, а также как и где их можно применять. Статья также содержит видеоролик и одну научную статью, посвященную рассматриваемому вопросу.

Различные термисторы

Характеристики термисторов NTC

В отличие от RTD (температурные детекторы сопротивления), изготовленные из металлов, термисторы NTC обычно изготавливаются из керамики или полимеров. Различные используемые материалы приводят к различным температурным откликам, а также к другим характеристикам. Хотя большинство термисторов NTC обычно подходят для использования в температурном диапазоне от -55 ° C до 200 ° C, где они дают наиболее точные показания, существуют специальные семейства термисторов NTC, которые могут использоваться при температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15 ° C), а также те, которые специально предназначены для использования выше 150 ° C. Температурная чувствительность датчика NTC выражается как «процентное изменение на градус C». В зависимости от используемых материалов и особенностей производственного процесса типичные значения чувствительности к температуре колеблются от -3% до -6% на ° С.

Термистор NTC – термочувствительный резистор, сопротивление которого демонстрирует большое, точное и прогнозируемое снижение по мере того, как температура ядра резистора увеличивается в диапазоне рабочих температур.

Три различных термистора NTC

Характеристическая кривая NTC

Как видно из рисунка, термисторы NTC имеют гораздо более крутой наклон сопротивления-температуры по сравнению с RTD платинового сплава, что приводит к лучшей температурной чувствительности. Тем не менее, RTD остаются наиболее точными датчиками, точность которых составляет ± 0,5% от измеренной температуры, и они полезны в температурном диапазоне от -200 ° C до 800 ° C, что намного шире, чем у датчиков температуры NTC.

Таблица основных характеристик NTC термисторов.

Сравнение с другими датчиками температуры

По сравнению с RTD, NTC имеют меньший размер, более быстрый отклик, большую устойчивость к ударам и вибрации и имеют более низкую себестоимость. Они немного менее точны, чем RTD. По сравнению с термопарами точность, полученная от обоих, аналогична; однако термопары выдерживают очень высокие температуры (порядка 600 ° C) и используются вместо термисторов NTC, где их иногда называют пирометрами. Тем не менее, термисторы NTC обеспечивают большую чувствительность, стабильность и точность, чем термопары при более низких температурах, и используются с меньшими затратами электроэнергии и, следовательно, имеют более низкие общие затраты.

Стоимость дополнительно снижается из-за отсутствия необходимости в схемах формирования сигнала (усилители, переводчики уровня и т. д.), Которые часто необходимы при работе с RTD и всегда необходимы для термопар.

• Температурный диапазон:приблизительный общий диапазон температур, в которых может использоваться тип датчика. В пределах заданного температурного диапазона некоторые датчики работают лучше, чем другие.
• Относительная стоимость:относительная стоимость, поскольку эти датчики сравниваются друг с другом. Например, термисторы недороги по отношению к термометрам сопротивления, отчасти потому, что предпочтительным материалом для термопреобразователей сопротивления является платина.
• Постоянная времени:приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое термистору требуется для достижения 63,2% разницы температур от начального показания до окончательного.
• Стабильность:способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.
• Чувствительность:степень реакции на изменение температуры.

Эффект самонагрева

Эффект самонагрева — это явление, которое происходит, когда ток протекает через термистор NTC. Поскольку термистор в основном является резистором, он рассеивает энергию в виде тепла, когда через него протекает ток. Это тепло генерируется в сердечнике термистора и влияет на точность измерений. Степень, в которой это происходит, зависит от количества протекающего тока, окружающей среды (будь то жидкость или газ, есть ли какой-либо поток над датчиком NTC и т. д.), Температурный коэффициент термистора, общее количество термистора области и т. д. Тот факт, что сопротивление датчика NTC и, следовательно, ток протекания через него, зависит от окружающей среды и часто используется в резервуарах для хранения жидкости.

Теплоемкость

Теплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры термистора на 1 ° C и обычно выражается в мДж / ° C. Знание точной теплоемкости имеет большое значение при использовании датчика термистора NTC в качестве ограничителя пускового тока, поскольку он определяет скорость отклика датчика температуры NTC.

Выбор и расчет кривой

Тщательный процесс отбора должен учитывать константу рассеяния термистора, постоянную времени термической обработки, значение сопротивления, кривую сопротивления-сопротивления и допуски, чтобы учесть в наиболее важных факторах.

[stextbox зависимость между сопротивлением и температурой (кривая R-T) сильно нелинейна, в практических схемах системы должны использоваться определенные приближения.[/stextbox]

Приближение первого порядка

Одним приближением и простейшим в использовании является приближение первого порядка, в котором говорится, что:

формула приближения первого порядка: dR = k * dT

Где k — отрицательный температурный коэффициент, ΔT — разность температур, ΔR — изменение сопротивления, возникающее в результате изменения температуры. Это приближение первого порядка справедливо только для очень узкого температурного диапазона и может быть использовано только для таких температур, где k почти постоянна во всем диапазоне температур.

Другое уравнение дает удовлетворительные результаты с точностью ± 1 ° C в диапазоне от 0 ° C до + 100 ° C. Он зависит от единственной константы материала β, которая может быть получена путем измерений. Уравнение можно записать в виде:

Бета-уравнение: R (T) = R (T0) * exp (бета * (1 / T-1 / T0))

Где R (T) — сопротивление при температуре T в Кельвине, R (T0) является точкой отсчета при температуре T0. Бета-формула требует двухточечной калибровки и обычно не более чем ± 5 ° C по всему полезному диапазону термистора NTC.

Наилучшим приближением, известным на сегодняшний день, является формула Штейнхарта-Харта, опубликованная в 1968 году:

Уравнение Штейнхарта для точного приближения: 1 / T = A + B * (ln (R)) + C * (ln (R)) ^ 3.

Где ln R — естественный логарифм сопротивления при температуре T в Кельвине, а A, B и C — коэффициенты, полученные из экспериментальных измерений. Эти коэффициенты обычно публикуются поставщиками термисторов в составе таблицы данных. Формула Штейнхарта-Харта, как правило, составляет около ± 0,15 ° С в диапазоне от -50 ° С до + 150 ° С, что является большим для большинства применений. Если требуется высокая точность, диапазон температур должен быть уменьшен, а точность лучше, чем ± 0,01 ° C в диапазоне от 0 ° C до + 100 ° C.

Термисторы

Выбор правильного приближения

Выбор формулы, используемой для получения температуры из измерения сопротивления, должен основываться на доступной вычислительной мощности, а также на фактических требованиях допуска. В некоторых приложениях приближение первого порядка более чем достаточно, в то время как в других случаях даже уравнение Штейнхарта-Харта удовлетворяет требованиям, а термистор должен быть откалиброван по пунктам, делая большое количество измерений и создавая таблицу поиска.

Конструкция и свойства термисторов NTC

Материалами, обычно используемыми при изготовлении NTC-резисторов, являются платина, никель, кобальт, железо и оксиды кремния, используемые в виде чистых элементов или керамики и полимеров. Термисторы NTC можно разделить на три группы, в зависимости от используемого производственного процесса.

Терморезисторы

Форма бисера или шарика. Эти термисторы NTC изготовлены из свинцовых проводов из платинового сплава, непосредственно спеченных в керамический корпус. Они обычно обеспечивают быстрое время отклика, лучшую стабильность и позволяют работать при более высоких температурах, чем дисковые и чип-датчики NTC, однако они более хрупкие. Обычно они запечатывают их в стекле, чтобы защитить их от механических повреждений во время сборки и улучшить их стабильность измерений. Типичные размеры колеблются от 0,075 до 5 мм в диаметре.

Термисторы с различными техническими характеристиками

Преимущества и недостатки NTC и PTC

Термисторы NTC прочны, надежны и стабильны, и они оборудованы для работы в экстремальных условиях окружающей среды и помехоустойчивости в большей степени, чем другие типы датчиков температуры.

• Компактный размер: варианты упаковки позволяют им работать в небольших или ограниченных пространствах; тем самым занимая меньше места на печатных платах.
• Быстрое время отклика: небольшие размеры позволяют быстро реагировать на изменение температуры, что важно, когда требуется немедленная обратная связь.
• Экономичность: термисторы не только дешевле, чем другие типы датчиков температуры; Если приобретенный термистор имеет правильную кривую RT, никакая другая калибровка не требуется во время установки или в течение срока ее эксплуатации.
• Совпадение точек: способность получить определенное сопротивление при определенной температуре.
• Соответствие кривой: сменные термисторы с точностью от +.

Термистор на схеме

Термисторы просты в использовании, недороги, прочны и предсказуемо реагируют на изменения температуры. Хотя они не очень хорошо работают при чрезмерно высоких или низких температурах, они являются предпочтительным датчиком для применений, которые измеряют температуру в желаемой базовой точке. Они идеальны, когда требуются очень точные температуры. Некоторые из наиболее распространенных применений термисторов используются в цифровых термометрах, в автомобилях для измерения температуры масла и охлаждающей жидкости, а также в бытовых приборах, таких как духовки и холодильники, но они также встречаются практически в любом приложении, где для обеспечения безопасности требуются защитные контуры отопления или охлаждения.

[stextbox более сложных приложений, таких как детекторы лазерной стабилизации, оптические блоки и устройства с зарядовой связью, встроен термистор. Например, термистор 10 кОм является стандартом, который встроен в лазерные пакеты.[/stextbox]

Диск и чип-термисторы

Термистор в виде диска. Терморезисторы NTC имеют металлизированные поверхностные контакты. Они больше и, как результат, имеют более медленное время реакции, чем резисторы NTC типа шариков. Однако из-за их размера они имеют более высокую константу диссипации (мощность, необходимая для повышения их температуры на 1 ° C), и поскольку мощность, рассеиваемая термистором, пропорциональна квадрату тока, они могут обрабатывать более высокие токи намного лучше, чем шариковый тип термисторов. Термисторы с типом диска производятся путем прессования смеси оксидных порошков в круглую матрицу, которые затем спекаются при высоких температурах. Чипы обычно изготавливают методом литья под давлением, где суспензию материала распределяют в виде толстой пленки, сушат и разрезают в форму. Типичные размеры колеблются от 0,25 до 25 мм в диаметре.

Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытием

Это датчики температуры NTC, запечатанные в воздухонепроницаемом стеклянном пузыре. Они предназначены для использования при температурах выше 150 ° C или для монтажа на печатной плате, где требуется прочность. Инкапсуляция термистора в стекле повышает стабильность датчика, а также защиту датчика от окружающей среды. Они изготавливаются герметично уплотняющими резисторами типа NTC в стеклянный контейнер. Типичные размеры колеблются от 0,4 до 10 мм в диаметре.

Типичные области применения

Термисторы NTC используются в широком спектре применений. Они используются для измерения температуры, температуры управления и температурной компенсации. Они также могут использоваться для обнаружения отсутствия или наличия жидкости, в качестве устройств ограничения тока в цепях питания, мониторинга температуры в автомобильных агрегатах и многих других. Датчики NTC можно разделить на три группы, в зависимости от электрической характеристики, используемой в агрегатах и устройствах.

Характеристика сопротивления-температуры

Приложения, основанные на характеристике сопротивления-времени, включают измерение температуры, контроль и компенсацию. К ним также относятся ситуации, в которых используется термистор NTC, так что температура датчика температуры NTC связана с некоторыми другими физическими явлениями. Эта группа агрегатов требует, чтобы термистор работал в условиях нулевой мощности, что означает, что ток проходящий через него поддерживается как можно на более низком уровне, чтобы избежать нагрева зонда.

Устройствами, основанными на характеристике текущего времени, являются: временная задержка, ограничение пускового тока, подавление перенапряжений и многое другое. Эти характеристики связаны с теплоемкостью и постоянной диссипации используемого термистора NTC. Схема обычно полагается на термистор NTC, нагреваясь из-за проходящего через него тока. В какой-то момент это вызовет какое-то изменение в схеме, в зависимости от устройства, в котором оно используется.

Характеристика напряжения

Устройства, основанные на характеристике напряжения и тока термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения схемы, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от применения это может использоваться для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.

Одинаковые термисторы

Какие типы и формы термистора доступны на рынке

Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа. Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей.

Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.

Практические советы по выбору и использованию NTC термисторов компании TDK

Множество электрических и электронных устройств, таких как импульсные источники питания, электродвигатели или трансформаторы имеют значительные пусковые токи, возникающие при включении этих устройств, и которые могут привести к выходу из строя других компонентов или срабатыванию (отключению) автоматических выключателей защиты. Специально разработанные для ограничения пусковых токов, NTC термисторы компании TDK соединяются последовательно с нагрузкой, и позволяют существенно снизить эти токи. Особенностью NTC термисторов является высокое сопротивление в холодном состоянии. При протекании тока нагрузки через термистор, он разогревается, и его сопротивление уменьшается от 10 до 50 раз. Тем самым NTC термисторы позволяют управлять пусковым током более эффективно, чем резистор с фиксированным (постоянным) сопротивлением при той же мощности.

Влияние NTC термистора на пусковой ток в цепи постоянного тока

Термистор NTC типа всегда соединяется последовательно с нагрузкой. Пример простейшей защиты от пускового тока представлен на рисунке:

Базовая цепь защиты от пускового тока с NTC термистором

Если одного термистора NTC недостаточно для ограничения пускового тока, то последовательно устанавливаются два и более термисторов. Распараллеливание нескольких термисторов NTC недопустимо, так как ток нагрузки в этом случае будет распределяться неравномерно. Термистор, пропускающий наибольшую часть тока, будет нагреваться до тех пор, пока через него не пойдет весь возможный ток (что может привести к его разрушению), в то время как другие термисторы в параллельной цепи останутся холодными. Типовая схема защиты входной цепи от пускового тока, включая место альтернативной установки, представлена на рисунке:

Типовая защита входной цепи с помощью NTC термисторов

Выбор наиболее подходящей серии и модели термистора NTC является предварительным условием для эффективной защиты цепи. Первым, и наиболее важным, критерием является максимальный ток при непрерывной работе, который определяется нагрузкой.

Самонагрев ограничителя пускового тока во время работы зависит от приложенной нагрузки. Несмотря на то, что некоторое количество тепла рассеивается, температура термистора NTC в крайних случаях может достигать среднего значения до 250°C. Тепло, выделяющееся во время работы, также будет рассеиваться через подводящие провода. Поэтому при монтаже термисторов NTC следует учитывать, что контактные поверхности также могут сильно нагреваться при максимальной нагрузке.

Возможности управления мощностью термистора NTC не могут быть полностью использованы во всем диапазоне температур. Приведенный ниже график зависимости тока от температуры предоставляет информацию о степени, в которой ток нагрузки должен быть уменьшен при определенной температуре окружающей среды (Ta). На примере NTC термисторов серий S237 и других:

График зависимости тока от температуры для серий S237

Расчетное значение тока в процентах от максимального тока по графику для этих серий термисторов можно определить по формуле:

Расчетная формула тока в процентах от максимального тока, где Ta – температура окружающей среды, более 25°С.

Для NTC термисторов серий S153, S235, S236, S238, S364 график будет иметь зависимость с более широкими температурными пределами:

График зависимости тока от температуры для серий S153, S235, S236, S238, S364

Расчетное значение тока в процентах от максимального тока по графику можно определить по формуле:

Расчетная формула тока в процентах от максимального тока, где Ta – температура окружающей среды, более 65°С.

Значение максимального тока Imax определено в Спецификации на серию NTC термисторов и обозначает максимально допустимый непрерывный ток (постоянный DC или среднеквадратичные значения RMS для синусоидального переменного тока AC) в диапазоне температур от 0°C до 65°C.

Когда нагрузка выключена, NTC термистор медленно остывает. Его сопротивление неуклонно возрастает, но полное значение сопротивления достигается только через 1-2 минуты (в зависимости от типа). Поэтому в некоторых приложениях может оказаться полезным предусмотреть цепь обхода (bypass) термистора для перезапуска. В этом случае, работа конечного устройства может быть возобновлена быстрее, и состояние термистора не повлияет на производительность системы.

Термисторы NTC типа компании TDK доступны в различных размерах и номинальных сопротивлениях, чтобы оптимально соответствовать конечному применению. Линейка продуктов варьируется от малогабаритного термистора серии S153 с максимальной мощностью 1.4Вт до самого большого в настоящее время термистора серии S464 с максимальной мощностью 6.7Вт. При этом максимальные непрерывные токи в цепях переменного тока AC могут быть до 20А.

Что такое терморезистор?

Одним из вариантов для измерения температуры является использование термисторов. Среди преимуществ термистора можно выделить большое значение температурного коэффициента, то есть значительное изменение сопротивления в зависимости от температуры (порядка 2-10% на Кельвин). Термисторы бывают двух типов: с положительным температурным коэффициентом (PTC, Positive Temperature Coefficient), то есть увеличивающие своё сопротивление с увеличением температуры, и с отрицательным (NTC, Negative Temperature Coefficient) – уменьшающие сопротивление с возрастанием температуры. Речь в данной статье пойдёт про вторые, и про их использования для измерения температуры в сочетании с микроконтроллерами AVR

Характеристика NTC термистора

Термисторы характеризуются рядом параметров, такими, как максимальный допустимый ток, точность, сопротивление при определённой температуре (как правило, при 25°С). Одним из параметров, характеризующим степень изменения сопротивления в зависимости от температуры является коэффициент температурной чувствительности

, обозначаемый
B
. Этот коэффициент рассчитывается на основе значений сопротивления при двух конкретных значениях температур. Во многих случаях этими температурами выбираются 25°С и 100°С. Обычно температуры, использованные при вычислении коэффициента указываются после буквы, например
B25/100
. Коэффициент B измеряется в Кельвинах и вычисляется по следующей формуле:
B = (ln(R1) – ln(R2)) / (1 / T1 — 1 / T2)[1]
,

где R1 и R2 — значения сопротивлений при температурах соответственно T1 и T2, выраженных в Кельвинах.

Из этой формулы следуют и обратные:
R1 = R2 * e(B * (1 / T1 — 1 / T2))[2]
. и
T1 = 1 / ((ln(R1) – ln(R2)) / B + 1 / T2)[3]
.

Главные параметры

При выборе детали важно ориентироваться на ее показатели и характеристики, меняющиеся в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей. При выборе изделия нужно выяснить главные параметры и определить, подходят они для решения поставленной задачи или нет.

При покупке нужно быть уверенным, что деталь подходит по размеру и поместится на плате (в схеме). Параметры измеряются в Омах и указываются применительно к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвинах. Если деталь рассчитана на работу при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.

Параметр отражает тепловую инерционность. При расчете учитывается время, которое необходимо для изменения температуры термического резистора на 63% от разницы t детали и окружающего воздуха. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусов Цельсия. ТКС (в % на один градус Цельсия).

Будет интересно➡ Как рассчитать резистор для светодиода?

Как правило, этот показатель прописывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление. В такой ситуации при обозначении используются другие цифры — at. Мощность рассеивания Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до достижения которого в полупроводнике не происходит необратимых изменений (параметры остаются прежними). При этом превышение температуры tmax при достижении Pmax исключено.

Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором характеристики терморезистора длительное время остаются без изменений (на установленном производителем уровне). Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/проценты*R). Обозначение — G. Показатель отражает мощность, которую необходимо рассеять на детали для снижения параметра R на один процент.

Коэффициент рассевания (измеряется в Вт на один градус Цельсия). Условное обозначение — H. Параметр отражает мощность, которая рассеивается на термическом резисторе при разнице в температурных режимах детали и окружающего воздуха на один градус. Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик применяемого полупроводника и особенностей обмена тепла между изделием и окружающей его средой. Параметры связаны друг с другом через специальную формулу — G=H/100а.

Вычисление температуры

Термисторы обладают высокой степенью нелинейности параметров, и термисторы различных моделей, даже при одинаковых значениях параметра B25/100 могут по разному изменять сопротивление в зависимости от температуры. Поэтому формула [3]

может лишь приблизительно оценить температуру. Кроме того, такая формула подразумевает сложные вычисления, которые требуют много процессорного времени, что часто является неприемлемым. Более простым и эффективным подходом является хранение таблицы, в которую заносятся предварительно рассчитанные значения, возвращаемые АЦП при тех, или иных температурах. Для экономии памяти можно хранить значения только для некоторых точек, искать их в таблице двоичным поиском, а промежуточные значения получать линейной интерполяцией. Для измерений температуры окружающего воздуха с точностью до 0.3°C, достаточно хранить значения с шагом 5°C. Если значения лежат в пределах 16 бит (и занимают 2 байта), то для хранения такой таблицы для диапазона измеряемых температур от -30 до 70 градусов потребуется всего 40 байт. Точность измерений можно повысить, уменьшив шаг таблицы. Так при шаге 2°C можно добиться точности до 0.1°C на широком диапазоне измерений.

Производители термисторов, как правило, приводят таблицы показывающие изменение сопротивления в зависимости от температур. Значения в этих таблицах также привязаны к сетке температур с некоторым шагом (например, 5°C). Используя формулы [1]

и
[2]
можно с достаточной точностью интерполировать табличные значения.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 С.

Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)3O4, (ABC)3O4 лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni0.2Mn0.8)3O4. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора r (25 C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок.

Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием. Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Схемы подключения

Подключение термистора

Схема A

Схема B

Схема C

Схема D

Наиболее простым вариантом подключения является схема A. При выборе номинала резистора RA примерно равным сопротивлению термистора в районе измеряемых температур, значения U будут изменяться ближе к линейным, что обеспечит большую точность при интерполяции табличных значений.

Выбирая номиналы RA и термистора, следует учесть, что протекающий через термистор ток вызывает его нагрев и, как следствие, искажение показаний. Желательно чтобы мощность на термисторе не превышала 1 мВт. А значит, при напряжении U0 = 5В, RA должен быть как минимум, 10 килоОм. Сопротивление термистора в измеряемом диапазоне должно иметь примерно тот же порядок.

Схема B призвана ограничить мощность, рассеиваемую на термисторе.

Схемы C и D являются обратными к A и B. Их имеет смысл использовать, если требуется измерять низкие температуры, когда референтное значение АЦП (Uref) ниже U0.

Подключение к АЦП микроконтроллера ATmega

Подключение АЦП микроконтроллеров ATmega

У контроллеров ATmega для снижения шумов используется отдельная линия питания для модуля АЦП. Инструкция рекомендует подключать эти входы через фильтр: индуктивность L = 10мкГн, и конденсатор C2 = 0,1мкФ.

Микроконтроллер может использовать либо внешнее референтное напряжение для АЦП, либо внутреннее (2,56В или 1,1В), либо, в качестве такового, использовать напряжение питания АЦП: AVCC. При использовании внешнего напряжения, оно должно быть подано на вход AREF. При использовании AVCC, или внутреннего напряжения 2,56В, между этим входом и землёй должен быть размещён конденсатор (на схеме C1). Инструкция не даёт чёткого указания для выбора ёмкости конденсатора, рекомендую использовать керамический конденсатор 0,1мкФ и более.

Для снижения измеряемых шумов, рекомендую термистор также подключать к фильтрованному напряжению параллельно AVCC, и настроить на использование этого напряжения в качестве референтного.

Дополнительно, для подавления шумов возникающих на линиях, можно установить конденсатор C3 в диапазоне 1-100нФ.

Следует учесть, что помимо модуля АЦП, вход AVCC запитывает также некоторые из портов ввода/вывода (как правило, на тех же выводах, что используются для АЦП). Использование этих портов на вывод и подключение к ним нагрузки может создать дополнительные шумы в работе АЦП.

Чтобы нивелировать шумы, возникающие на АЦП, рекомендую провести замеры несколько раз подряд и просуммировать полученные значения. В микроконтроллерах ATmega АЦП – 10-разрядный. Просуммировав результаты 64 подряд идущих измерений, результат остаётся в пределах 16-битного беззнакового целого, что не потребует дополнительной памяти для сохранения таблицы значений. При большем числе измерений также можно оставаться в пределах 16 бит, соответствующим образом сдвигая или деля результат.

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:

• напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;
• структурные изменения в полупроводнике;
• внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;
• нарушение адгезии металлической пленки;
• миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике. Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 С).

Будет интересно➡ Как прочитать обозначение (маркировку) резисторов

Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 С). Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 С. Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.

Материал по теме: Как проверить варистор мультиметром.

Расчёт таблицы значений

Вашему вниманию предлагаю скрипт для онлайн расчёта таблицы значений АЦП.

Расчёт значений ведётся либо по двум значениям температур и сопротивлений, либо вводится списком, либо используется одна из предзагруженных R/T характеристик. В настоящее время загружены R/T характеристики термисторов фирмы Siemens/EPCOS. Выберите подходящую из списка.

Загруженные характеристики даны с шагом 5°С, при выборе меньшего шага сетки, значения получаются путём интерполяции по формулам [1]

и
[2]
двух ближайших значений из таблицы.

При построении таблицы автоматически соответствующим образом обновляется пример исходного кода под ней.

Так как параметры термисторов в значительной мере нелинейны, расчёт по двум значениям сопротивлений, либо по значению и коэффициенту будет очень приблизительным. Вычисленное значение температуры при измерении высоких, или низких температур в таком случае может значительно (на десятки градусов) отличаться от актуальной.

Чтобы узнать подходящий тип R/T характеристики для вашего термистора, скачайте документацию, данную заводом изготовителем.

Сводная таблица для некоторых моделей термисторов Siemens/Epcos приведена ниже. Нажмите на код R/T характеристики, чтобы подгрузить параметры в форму ниже:

Код	Сопротивление при 25°С, кОм	R/T характеристика	B25/100, К
B57891S , выводной 4,5мм (datasheet, pdf)
B57891S0222+008	2,2	1008	3560
B57891S0502+008	5	2003	3980
B57891S0103+008	10	4901	3950
B57891S0203+008	20	2904	4300
B57891S0104+008	100	4003	4450
B57891M , выводной 3,5мм (datasheet, pdf)
B57891M0102+000	1	1009	3930
B57891M0152+000	1,5	1008	3560
B57891M0222+000	2,2	1013	3900
B57891M0332+000	3,3	2003	3980
B57891M0472+000	4,7	2003	3980
B57891M0682+000	6,8	2003	3980
B57891M0103+000	10	4901	3950
B57891M0153+000	15	2004	4100
B57891M0223+000	22	2904	4300
B57891M0333+000	33	2904	4300
B57891M0473+000	47	4012	4355
B57891M0683+000	68	4012	4355
B57891M0104+000	100	4003	4450
B57891M0154+000	150	2005	4600
B57891M0224+000	220	2005	4600
B57891M0334+000	330	2007	4830
B57891M0474+000	470	2006	5000
B57164K , выводной 5,5мм (datasheet, pdf)
B57164K0471+000	0,47	1306	3450
B57164K0681+000	0,68	1307	3560
B57164K0102+000	1	1011	3730
B57164K0152+000	1,5	1013	3900
B57164K0222+000	2,2	1013	3900
B57164K0332+000	3,3	4001	3950
B57164K0472+000	4,7	4001	3950
B57164K0682+000	6,8	2903	4200
B57164K0103+000	10	2904	4300
B57164K0153+000	15	1014	4250
B57164K0223+000	22	1012	4300
B57164K0333+000	33	1012	4300
B57164K0473+000	47	4003	4450
B57164K0683+000	68	2005	4600
B57164K0104+000	100	2005	4600
B57164K0154+000	150	2005	4600
B57164K0224+000	220	2007	4830
B57164K0334+000	330	2006	5000
B57164K0474+000	470	2006	5000
B57540G , выводной, стеклянный «капля» 0,8мм (datasheet, pdf)
B57540G0502+000, +002	5	8402	3497
B57540G1103+000, +002	10	8307	3492
B57540G1103+005, +007	10	7003	3625
B57540G0203+000, +002	20	8415	4006
B57540G1303+005, +007	30	7002	3988
B57540G0503+000, +002	50	8403	4006
B57540G1104+000, +002	100	8304	4092
B57540G0234+000, +002	230	8405	4264
B57540G0145+000, +002	1400	8406	4581
B57551G , выводной, стеклянный «капля» 1,8мм (datasheet, pdf)
B57551G0202+000, +002	2	8401	3436
B57551G1103+000, +002	10	8307	3492
B57551G1103+005, +007	10	7003	3625
B57551G1303+005, +007	30	7002	3988
B57551G1104+000, +002	100	8304	4092
B57621С5 , SMD 3,2х1,6мм (datasheet, pdf)
B57621C5102+062	1,0	3206	3450
B57621C5472+062	4,7	1309	3520
B57621C5103+062	10	1010	3530
B57621C5153+062	15	1008	3560
B57621С0 , SMD 3,2х1,6мм (datasheet, pdf)
B57621C0222+062	2,2	1308	3060
B57621C0332+062	3,3	1309	3520
B57621C0472+062	4,7	1309	3520
B57621C0103+062	10	1010	3530
B57621C0153+062	15	1008	3560
B57621C0223+062	22	1008	3560
B57621C0333+062	33	2003	3980
B57621C0473+062	47	2001	3920
B57621C0683+062	68	2001	3920
B57621C0104+062	100	4901	3950
B57621C0154+162	150	2903	4200
B57621C0224+062	220	2903	4200
B57621C0334+062	330	1014	4250
B57621C0474+062	470	1014	4250
B57703M , выводной 10мм, с «ухом» 8,5×3,7мм (datasheet, pdf)
B57703M0502G040	5	8016	3988
B57703M0103G040	10	8016	3988
B57703M0303G040	30	8018	3964

Форма для он-лайн расчёта значений АЦП

Данные для таблицы	*Из-за нелинейности параметров термистора, расчёт температуры на основе таблицы, построенной по двум точкам, будет грубым и полученное значение может на десятки градусов отличаться от действительного при измерении высоких и низких температур. Для точного измерения в широком диапазоне выберите одну из предзагруженных R/T характеристик, соответствующую вашему термистору, или перечислите список значений R/R1 вручную.
T1	°С
R1, cопротивление при T1	кило Ом
T2	°С
R2, сопротивление при T2	кило Ом
Данные для таблицы:R/R1 начиная с T2, с выбранным шагом сетки. Разделитель значений — запятая.
BT1/T2	K
Схема включения термистора
Номинал резистора RA	кило Ом
Номинал резистора RB	кило Ом
Разрядность АЦП
Множитель результата АЦП
U0, напряжение на входе	В
Uref, референтное напряжение АЦП	В
Рассчитать с	°С по °С
Шаг сетки

T,°С

R/R1

R,килоОм

U,В

I,мкА

P,мВт

U/Uref

ADC

E,°С

Пояснения к таблице:

выделены значения R/R1 и R, полученные на основе табличных. Обычным шрифтом обозначены значения полученные интерполяцией или экстраполяцией по формулам.

– округлённое значение на выходе АЦП, с учётом множителя. Значения, выходящие за предел измерений АЦП, не отображаются.

— мощность, рассеиваемая на термисторе.

– эвристическая оценка возможной погрешности вычисленной температуры, вызванной использованием линейной интерполяции табличных значений, и ограниченной точностью АЦП. Позволяет выбрать параметры и схему включения таким образом, чтобы в области измеряемых значений погрешность была минимальна. Эта оценка не учитывает возможный шум, возникающий на АЦП, а также погрешность, вызванную нагревом термистора из-за протекающих токов. Погрешность можно уменьшить выбрав меньший шаг таблицы, используя АЦП большей разрядности, или путём усреднения большего числа измерений, а также подбором номиналов сопротивлений в цепи.

Код, соответствующий таблице

#include #include // Значение температуры, возвращаемое если сумма результатов АЦП больше первого значения таблицы #define TEMPERATURE_UNDER 0 // Значение температуры, возвращаемое если сумма результатов АЦП меньше последнего значения таблицы #define TEMPERATURE_OVER 0 // Значение температуры соответствующее первому значению таблицы #define TEMPERATURE_TABLE_START 0 // Шаг таблицы #define TEMPERATURE_TABLE_STEP 50 // Тип каждого элемента в таблице, если сумма выходит в пределах 16 бит — uint16_t, иначе — uint32_t typedef uint16_t temperature_table_entry_type; // Тип индекса таблицы. Если в таблице больше 256 элементов, то uint16_t, иначе — uint8_t typedef uint8_t temperature_table_index_type; // Метод доступа к элементу таблицы, должна соответствовать temperature_table_entry_type #define TEMPERATURE_TABLE_READ(i) pgm_read_word(&termo_table
) /* Таблица суммарного значения АЦП в зависимости от температуры. От большего значения к меньшему Для построения таблицы использованы следующие парамертры: */ const temperature_table_entry_type termo_table[] PROGMEM = < 0 // Нажмите «Построить таблицу» на форме выше, чтобы заполнить этот массив >; // Функция вычисляет значение температуры в десятых долях градусов Цельсия // в зависимости от суммарного значения АЦП. int16_t calc_temperature(temperature_table_entry_type adcsum) < temperature_table_index_type l = 0; temperature_table_index_type r = (sizeof(termo_table) / sizeof(termo_table[0])) — 1; temperature_table_entry_type thigh = TEMPERATURE_TABLE_READ(r); // Проверка выхода за пределы и граничных значений if (adcsum <= thigh) < #ifdef TEMPERATURE_UNDER if (adcsum < thigh) return TEMPERATURE_UNDER; #endif return TEMPERATURE_TABLE_STEP * r + TEMPERATURE_TABLE_START; >temperature_table_entry_type tlow = TEMPERATURE_TABLE_READ(0); if (adcsum >= tlow) < #ifdef TEMPERATURE_OVER if (adcsum > tlow) return TEMPERATURE_OVER; #endif return TEMPERATURE_TABLE_START; >// Двоичный поиск по таблице while ((r — l) > 1) < temperature_table_index_type m = (l + r) >> 1; temperature_table_entry_type mid = TEMPERATURE_TABLE_READ(m); if (adcsum > mid) < r = m; >else < l = m; >> temperature_table_entry_type vl = TEMPERATURE_TABLE_READ(l); if (adcsum >= vl) < return l * TEMPERATURE_TABLE_STEP + TEMPERATURE_TABLE_START; >temperature_table_entry_type vr = TEMPERATURE_TABLE_READ(r); temperature_table_entry_type vd = vl — vr; int16_t res = TEMPERATURE_TABLE_START + r * TEMPERATURE_TABLE_STEP; if (vd) < // Линейная интерполяция res -= ((TEMPERATURE_TABLE_STEP * (int32_t)(adcsum — vr) + (vd >> 1)) / vd); >return res; >

Пример использования

В примере ниже используется вывод на семисигментный индикатор.

Описание работы с индикатором смотрите в другой моей статье.

Вывод значения температуры на идникатор СС56-12GWA

ADMUX = 0b01000111; // референтное напряжение — Vcc, вход ADC7, реузультат по правому краю ADCSRA = 0b10000111; // 1/128 делитель частоты, включение АЦП while(1) < temperature_table_entry_type summ = 0; for (uint8_t i = 0; i < 64; i++) < ADCSRA |= _BV(ADSC); loop_until_bit_is_clear(ADCSRA, ADSC); summ += ADC; >int16_t t = calc_temperature(summ); ledind_num(t, 1, 0b01010011); // Вывод значения на индикатор с префиксом в виде буквы t _delay_ms(250); >

Все про терморезисторы, назначение, виды, устройство, принцип действия

Самое очевидное применение терморезисторов – в качестве датчиков для измерения температуры. Для этой цели пригодны как термисторы с характеристикой NTC, так и PTC. Надо лишь выбрать элемент по рабочему участку и учесть характеристику термистора в измерительном приборе.

Можно построить термореле – когда сопротивление (точнее, падение напряжения на нём) сравнивается с заданным значением, и при превышении порога происходит переключение выхода. Такой прибор можно применять в качестве устройства теплового контроля или пожарного датчика. Создание измерителей температуры основано на явлении косвенного нагрева – когда терморезистор нагревается от внешнего источника.

Также в сфере использования термосопротивлений используется прямой нагрев – термистор нагревается током, проходящим через него. NTC-резисторы таким способом можно применить для ограничения тока – например, при зарядке конденсаторов большой ёмкости при включении, а также для ограничения тока пуска электродвигателей и т.п. В холодном состоянии термозависимые элементы имеют большое сопротивление. Когда конденсатор частично зарядится (или электродвигатель выйдет на номинальные обороты), термистор успеет нагреться протекающим током, его сопротивление упадет, и он перестанет оказывать влияние на работу схемы.

Таким же способом можно продлить срок службы лампы накаливания, включив последовательно с ней терморезистор. Он ограничит ток в самый сложный момент – при включении напряжения (именно в это время большинство ламп выходит из строя). После прогрева он перестанет оказывать влияние на лампу.

Для защиты электродвигателей во время работы служат, наоборот, термисторы с положительной характеристикой. Если ток в цепи обмотки будет повышаться из-за заклинивания двигателя или превышения нагрузки на валу, PTC-резистор нагреется и ограничит этот ток.

Термисторы с отрицательным ТКС, также можно использовать в качестве компенсаторов нагрева других компонентов. Так, если параллельно резистору, задающему режим транзистора и имеющему положительный ТКС, установить NTC-термистор, то изменение температуры подействует на каждый элемент противоположным образом. В результате действие температуры компенсируется, и рабочая точка транзистора не сместится.

Существуют комбинированные приборы, называемые терморезисторами с косвенным нагревом. В одном корпусе такого элемента расположены термозависимый элемент и нагреватель. Между ними существует тепловой контакт, но гальванически они развязаны. Изменяя ток через нагреватель, можно управлять сопротивлением.

Терморезисторы с различными характеристиками широко используются в технике. Наряду со стандартными применениями, их сферу работы можно расширять. Все ограничивается только фантазией и квалификацией разработчика.

Предыдущая
РазноеКак проверить напряжение мультимером?

Особенности конструкций

По своей природе терморезисторы являются аналоговыми и делятся на два вида:

• металлические (позисторы),
• полупроводниковые (термисторы).

Позисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к этим устройствам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен обладать высоким ТКС.

Для таких требований подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Практически широко применяются медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное применение, не более 180 градусов.

Позисторы PTC предназначены для ограничения тока при нагревании от более высокой рассеиваемой мощности. Поэтому их размещают последовательно в цепь переменного тока, чтобы уменьшить ток. Они (буквально любой из них) становятся горячими от слишком большого тока. Эти приспособления используют в устройстве защиты цепи, таком как предохранитель, в качестве таймера в схеме размагничивания катушек ЭЛТ-мониторов.

Для информации. Что такое позистор? Прибор, электрическое сопротивление которого растет в зависимости от его температуры, называется позистором (PTC).

Термисторы

Устройство с отрицательным температурным коэффициентом (это когда, чем выше температура, тем ниже сопротивление) называется терморезистором NTC.

Для информации. Все полупроводники имеют меняющееся сопротивление по мере увеличения или уменьшения температуры. В этом проявляется их сверхчувствительность.

Характеристики и обозначение термистора

Термисторы NTC широко используются в качестве ограничителей пускового тока, самонастраивающихся сверхтоковых защит и саморегулируемых нагревательных элементов. Обычно эти приборы устанавливаются параллельно в цепь переменного тока.

Их можно встретить повсюду: в автомобилях, самолетах, кондиционерах, компьютерах, медицинском оборудовании, инкубаторах, фенах, электрических розетках, цифровых термостатах, переносных обогревателях, холодильниках, печах, плитах и других всевозможных приборах.

Термистор используется в мостовых цепях.

Описание прибора

Датчики температуры широко используются в электротехнике. Почти во всех механизмах применяются аналоговые и цифровые микросхемы термометров, термопары, резистивные датчики и термисторы. Приставка в названии прибора говорит о том, что термистор — это такое устройство, которое зависит от влияния температуры. Количество тепла в окружающей среде — главенствующий показатель в его работе. Благодаря нагреванию или охлаждению, меняются параметры элемента, появляется сигнал, доступный для передачи на механизмы контроля или измерения.

Термистор — это прибор электроники, у которого значения температуры и сопротивления связаны обратной пропорциональностью.

Существуют и другое его название — терморезистор. Но это не вполне правильно, так как на самом деле термистор является одним из подвидов терморезистора. Изменение теплоты может влиять на сопротивление резистивного элемента двумя способами: либо увеличивая его, либо уменьшая.

Поэтому термосопротивления по температурному коэффициенту подразделяются на РТС (положительные) и NTC (отрицательные). РТС — резисторы получили название позисторов, а NTC — термисторов.

Отличие РТС и NTC приборов состоит в изменении их свойств при воздействии климатических условий. Сопротивление позисторов прямо пропорционально количеству тепла в окружающей среде. При нагреве NTC — приборов его значение уменьшается.

Вид терморезистора на электрических принципиальных схемах похож на обыкновенный резистор. Отличительной чертой является прямая под наклоном, которая перечёркивает элемент. Тем самым показывая, что сопротивление не постоянно, а может изменяться в зависимости от увеличения или уменьшения температуры в окружающей среде.

Основное вещество для создания позисторов — титанат бария. Технология изготовления NTC — приборов более сложная из-за смешивания различных веществ: полупроводников с примесями и стеклообразных оксидов переходных металлов.

Принцип работы терморегулятора

Датчик термостата для теплого пола фиксирует температуру нагревательных элементов и пересылает данные термостату.

Он имеет следующее устройство: медный проводник длиной 3 м соединяется с термосопротивлением. Чтобы оградить датчик от внешних воздействий, он помещен в стеклянную колбу, а провод изолирован ПВХ. Если это необходимо, то устройство может быть уменьшено либо увеличено до 50 м.

Когда температура повышается, сопротивление датчика снижается. Происходит сравнение фактической и заданной температуры, и в зависимости от результата подогрев останавливается или включается. Обычно пол начинает нагреваться, когда температура становится ниже заданной на 0,5°С.

Все фирмы производят датчики с разными показателями сопротивления, поэтому при выходе из строя одной детали практически во всех случаях придется заменить всю систему целиком, или приобрести новый датчик этого же производителя. В противном случае он может выключаться раньше, чем температура станет равна заданной, например, различие в 3 кОм будет примерно равно 5°С.

Например, если регулятор температуры теплого пола выставлен на температуру 30°С, то по достижении этого значения подогрев будет отключен. Система вновь включится, когда температура опустится до 29,5°С. Таким образом всегда будет комфортная температура.

Протяженность такого цикла зависит от нескольких факторов:

• температура в помещении;
• толщина слоя стяжки;
• качество теплоизоляции.

Определение при помощи мультиметра

Перед измерением резистора необходимо визуально определить его целостность: осмотреть его на предмет обгоревшего внешнего покрытия — краски или лака, а также проверить надписи на корпусе, если они просматриваются. Определить номинал можно по таблицам рядов или цветовых кодов, после чего при помощи мультиметра можно замерить сопротивление.

Для прозвонки можно использовать простой измерительный прибор, например, DT-830B. В первую очередь необходимо установить переключатель измерений в режим проверки минимального сопротивления — 200 Ом, после чего соединить щупы между собой. Индикатор прибора при соединённых щупах должен показывать минимальное значение R, которое стремится к нулю, например, 0,03 Ома. После так называемой калибровки можно приступить к измерениям.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 С.

Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)3O4, (ABC)3O4 лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni0.2Mn0.8)3O4. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора r (25 C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок.

READ Программируемые контроллеры simatic s7-200

Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием. Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Схема подключений

Для того, чтобы узнать значение сопротивления его надо измерить. Сделать это можно с помощью включения его в измерительную цепь. Для этого используют 3 типа схем, которые отличаются между собой количеством проводов и достигаемой точностью измерений:

• 2-проводная цепь. Содержит минимальное количество проводов, а значит, самый дешевый вариант. Однако, при выборе данной схемы достичь оптимальной точности измерений не получится — к сопротивлению термометра будет прибавляться сопротивление используемых проводов, которые и будут вносить погрешность, зависимую от длины проводов. В промышленности такая схема применяется редко. Используется лишь для измерений, где не важна особая точность, а датчик находится в непосредственной близости от вторичного преобразователя. 2-проводная схема изображена на левом рисунке.
• 3-проводная цепь. В отличии от предыдущего варианта здесь добавляется дополнительный провод, накоротко соединённый с одним из двух других измерительных. Его основная цель — возможность получить сопротивление подключенных проводов и вычесть это значение (компенсировать) из измеренного значения от датчика. Вторичный прибор, кроме основного измерения, дополнительно измеряет сопротивление между замкнутыми проводами, получая тем самым значение сопротивления проводов подключения от датчика до барьера или вторичника. Так как провода замкнуты, то это значение должно быть равно нулю, но по факту из-за большой длины проводов, это значение может достигать нескольких Ом. Далее эта погрешность вычитается из измеренного значения, получая более точные показания, за счёт компенсации сопротивления проводов. Такое подключение применяется в большинстве случаев, поскольку является компромиссом между необходимой точностью и приемлемой ценой. 3-х проводная схема изображена на центральном рисунке.
• 4-проводная цепь. Цель такая же, что и при использовании трехпроводной схемы, но компенсация погрешности идёт обоих измерительных проводов. В трехпроводной схеме значение сопротивления обоих измерительных проводов принимается за одинаковое значение, но по факту оно может незначительно отличаться. За счет добавления ещё одного четвёртого провода в четырехпроводной схеме (закороченного со вторым измерительным проводом), удается получить отдельно его значение сопротивления и почти полностью компенсировать всё сопротивление от проводов. Однако, данная цепь является более дорогой, так как требуется четвёртый проводник и поэтому реализуется или на предприятиях с достаточным финансированием, или при измерении параметров, где нужна большая точность. 4-х проводную схему подключений вы можете увидеть на правом рисунке.

Основные сведения

Сопротивление NTC-терморезисторов уменьшается при нагреве, их ТКС отрицательный. Зависимость сопротивления от температуры изображена на графике ниже.

Здесь вы можете убедиться, что при нагреве сопротивление NTC-терморезистора уменьшается.

Такие термисторы изготавливают из полупроводников. Принцип действия заключается в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация носителей зарядов, электроны переходят в зону проводимости. Кроме полупроводников используются оксиды переходных металлов.

Обратите внимание на такой параметр как бета-коэффициент. Учитывается при использовании терморезистора для измерения температуры, для усреднения графика сопротивления от температуры и проведения расчетов с помощью микроконтроллеров

Бета-уравнение для приближения кривой изменения сопротивления термистора вы видите ниже.

Интересно: в большинстве случаев термисторы используют в диапазоне температур 25-200 градусов Цельсия. Соответственно могут использоваться для измерений в этих диапазонах, в то время как термопары работают и при 600 градусах Цельсия.

Где используется

Терморезисторы с отрицательным ТКС часто используют для ограничения пусковых токов электродвигателей, пусковых реле, для защиты от перегрева литиевых аккумуляторов и в блоках питания для уменьшения зарядных токов входного фильтра (емкостного).

На схеме выше приведен пример использования термистора в блоке питания. Такое применение называется прямым нагревом (когда элемент сам разогревается при протекании тока через него). На плате блока питания NTC-резистор выглядит следующим образом.

На рисунке ниже вы видите, как выглядит NTC-терморезистор. Он может отличаться размерам, формой, а реже и цветом, самый распространенный – это зелёный, синий и черный.

Ограничение пускового тока электродвигателей с помощью NTC-термистора получило широкое распространение в бытовой технике благодаря простоте реализации. Известно, что при пуске двигателя он может потреблять ток в разы и десятки раз превышающий его номинальное потребление, особенно если двигатель пускается не в холостую, а под нагрузкой.

Принцип работы такой схемы:

Когда термистор холодный его сопротивление велико, мы включаем двигатель и ток в цепи ограничивается активным сопротивлением термистора. Постепенно происходит разогрев этого элемента и его сопротивление падает, а двигатель выходит на рабочий режим. Термистор подбирается таким образом, чтобы в горячем состоянии сопротивление было приближено к нулю. На фото ниже вы видите сгоревший терморезистор на плате мясорубки Zelmer, где и используется такое решение.

Недостаток этой конструкции состоит в том, что при повторном пуске, когда термистор еще не остыл – ограничения тока не происходит.

Есть не совсем привычное любительское применение терморезистора для защиты ламп накаливания. На схеме ниже изображен вариант ограничения всплеска тока при включении таких лампочек.

Если терморезистор используется для измерения температуры – такой режим работы называют косвенным нагревом, т.е. он нагревается от внешнего источника тепла.

Интересно: у терморезисторов нет полярности, так что их можно использовать как в цепях постоянного, так и переменного тока не опасаясь переполюсовки.

Маркировка

Терморезисторы могут маркироваться как буквенным способом, так и содержать цветовую маркировку в виде кругов, колец или полос. При этом различают множество способов буквенной маркировки – это зависит от производителя и типа конкретного элемента. Один из вариантов:

На практике, если он применяется для ограничения пускового тока чаще всего встречаются дисковые термисторы, которые маркируются так:

Где первая цифра обозначает сопротивление при 25 градусах Цельсия – 5 Ом, а «20» — диаметр, чем он больше – тем большую мощность он может рассеять. Пример такого вы видите на рисунке ниже:

Для расшифровки цветовой маркировки можно воспользоваться таблицей, изображенной ниже.

Из-за обилия вариантов маркировки можно ошибиться в расшифровке, поэтому для точности расшифровки лучше искать техническую документацию к конкретному компоненту на сайте производителя.

Зависимость сопротивления и температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

где T – температура в К;

R – сопротивление в Ом;

a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 С.

Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 С близкие к следующим значениям:

• a = 1,03 10-3
• b = 2,93 10-4
• c = 1,57 10-7

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 С в диапазоне от 0 до 70 С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром.

В диапазоне от 0 до 100 С сличение проводится в точках с интервалом 20 С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 –5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 С), точка плавления галлия (29,7646 С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток

При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК). Для начала определимся с таким типом радиодеталей, как термисторы (или, как их еще называют – терморезисторы)

Они представляют собой полупроводниковый элемент, у которого меняется сопротивление в зависимости от температуры. Эта зависимость может быть:

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

1. Прямой(чем больше температура, тем выше сопротивление) – это тип PTC (от англ. Positive Temperature Coefficient, то есть позитивный/положительный температурный коэффициент). Альтернативное название “позисторы”.
2. Обратной(сопротивление увеличивается при уменьшении температуры и наоборот) – это тип NTC (от англ. Negative Temperature Coefficient, то есть негативный/отрицательный температурный коэффициент).

Терморезисторы часто разделят по диапазонам рабочих температур:

• Низкотемпературные (ниже 170 К);
• Среднетемпературные (170-510 К);
• Высокотемпературные (свыше 510 К).

Обозначение термистора указано на рисунке ниже.

Зависимость сопротивления и температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

где T – температура в К;

R – сопротивление в Ом;

a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 С.

Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 С близкие к следующим значениям:

• a = 1,03 10-3
• b = 2,93 10-4
• c = 1,57 10-7

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 С в диапазоне от 0 до 70 С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром.

В диапазоне от 0 до 100 С сличение проводится в точках с интервалом 20 С. Погрешность интерполяции обычно не превышает 1 –5 мК при использовании модифицированного уравнения Стейнхарта и Харта:

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)2 + d(lnR)3

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 С), точка плавления галлия (29,7646 С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток

При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК). Для начала определимся с таким типом радиодеталей, как термисторы (или, как их еще называют – терморезисторы)

Они представляют собой полупроводниковый элемент, у которого меняется сопротивление в зависимости от температуры. Эта зависимость может быть:

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

1. Прямой(чем больше температура, тем выше сопротивление) – это тип PTC (от англ. Positive Temperature Coefficient, то есть позитивный/положительный температурный коэффициент). Альтернативное название “позисторы”.
2. Обратной(сопротивление увеличивается при уменьшении температуры и наоборот) – это тип NTC (от англ. Negative Temperature Coefficient, то есть негативный/отрицательный температурный коэффициент).

Терморезисторы часто разделят по диапазонам рабочих температур:

• Низкотемпературные (ниже 170 К);
• Среднетемпературные (170-510 К);
• Высокотемпературные (свыше 510 К).

Обозначение термистора указано на рисунке ниже.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что

1. возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры;
2. изменяется их концентрация при нагревании проводника.

Опыт показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:

\rho_t = \rho_0 (1 + \alpha t) ,\)
\(

R_t = R_0 (1 + \alpha t) ,\)

где ρ, ρ_t — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °С и t °C; R, R_t — сопротивления проводника при 0 °С и t °С, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К-1). Для металлических проводников эти формулы применимы начиная с температуры 140 К и выше.

Температурный коэффициент сопротивления вещества характеризует зависимость изменения сопротивления при нагревании от рода вещества. Он численно равен относительному изменению сопротивления (удельного сопротивления) проводника при нагревании на 1 К.

\mathcal h \alpha \mathcal i\) — среднее значение температурного коэффициента сопротивления в интервале ΔΤ.

Для всех металлических проводников α > 0 и слабо изменяется с изменением температуры. У чистых металлов α = 1/273 К-1. У металлов концентрация свободных носителей зарядов (электронов) n = const и увеличение ρ происходит благодаря росту интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки.

Для растворов электролитов α α = -0,02 К-1. Сопротивление электролитов с ростом температуры уменьшается, так как увеличение числа свободных ионов из-за диссоциации молекул превышает рост рассеивания ионов при столкновениях с молекулами растворителя.

Формулы зависимости ρ и R от температуры для электролитов аналогичны приведенным выше формулам для металлических проводников. Необходимо отметить, что эта линейная зависимость сохраняется лишь в небольшом диапазоне изменения температур, в котором α = const. При больших же интервалах изменения температур зависимость сопротивления электролитов от температуры становится нелинейной.

Графически зависимости сопротивления металлических проводников и электролитов от температуры изображены на рисунках 1, а, б.

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), сопротивление многих металлов скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Металл переходит в сверхпроводящее состояние.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве термометрического тела такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры достаточно изучена.

Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.

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.

NTC-термисторы и позисторы

По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа: