Терморезистори - Фізичні основи вимірювальних перетворювачів
Терморезистори
Терморезистор є провідником або напівпровідником, опір якого досить сильно залежить від температури. Більшість хімічно чистих металів має позитивний температурний коефіцієнт опору ТКС. Для виготовлення терморезисторів застосовують матеріали, що мають:
лінійною залежністю опору від температури;
інертністю до дії довкілля;
гарною відтворюваністю властивостей.
До таких матеріалів насамперед відносяться платина та мідь. Застосовуються також вольфрам та нікель.
Платинові терморезистори застосовуються в діапазоні температур від -2000 до +6500С і вище. Мідні терморезистори застосовуються в діапазоні температур від -500 до +2000С. При більш високих температурах мідь окислюється. Залежність опору температури платинових терморезисторів практично лінійна. При розрахунку опору користуються формулою:
де а = 3,96847 · 10 -3 1/град; b = -5,847 · 10 7 1/град. Т-температура 0 С
Для мідних терморезисторів ця залежність має вигляд:
де а = 4,26 · 10 -3 1/град; R0 - опір при 00С
Для більшості чистих металів а? 4 · 10 -3 1/град.
Напівпровідникові терморезистори мають більш високу чутливість. Температурний коефіцієнт опору напівпровідникових терморезисторів 3 · 10 -2 - 4 · 10 -2 1/град. Він негативний і зменшується пропорційно квадрату абсолютної температури.
У вузькому температурному інтервалі залежність опору температури напівпровідникових терморезисторів виражається рівнянням:
R = A exp або lnR = A + , (10)
де А та В - постійні коефіцієнти, що залежать від фізичних властивостей провідника.
Для виготовлення напівпровідниковихтерморезисторів застосовують кристали деяких металів (наприклад, германію) та оксиди титану, магнію, нікелю, міді та ін.
Форма, габарити та конструктивні особливості напівпровідникових терморезисторів дуже різноманітні: їх виконують у вигляді дисків, мініатюрних бусинок, плоских прямокутників та ін.
Залежно від типу використовуваного напівпровідникового матеріалу та габаритів чутливого елемента вихідний опір терморезисторів становить від кількох Ом до десятків мега. Якщо взяти найпростішу електричну схему, що складається з послідовно з'єднаних терморезистора і лінійного резистора, величина якого не залежить від температури, і прикласти до цього ланцюга напругу, то в ній встановиться деякий струм I. Залежність падіння напруги на терморезисторі від цього струму в режимі, що встановився вольтамперну характеристику терморезистора Вольтамперна характеристика складається із трьох основних ділянок. Середня ділянка далека від лінійного і показує, що зі зростанням струму температура терморезистора підвищується, а його опір (внаслідок збільшення числа електронів та дірок провідності у матеріалі напівпровідника) зменшується. При подальшому збільшенні струму зменшення опору виявляється настільки значним, що зростання струму веде до зменшення напруги терморезисторі. Це дозволяє використовувати деякі типи терморезисторів для стабілізації напруги. Характерним для ланцюга, що містить терморезистор і лінійний резистор є різке, стрибкоподібне наростання або зменшення струму, викликане зміною опору терморезистора. Це явище отримало назву релейного ефекту. Релейний ефект може статися внаслідок зміни температури навколишнього середовища або величини прикладеного до ланцюга напруги. Припідвищенні навколишньої температури від Т1 до Т2 струм спочатку зростає плавно, а далі при невеликому підвищенні температури стрибком зростає і стійко зберігає своє значення за сталості температури. Це називається прямим релейним ефектом. Зменшення температури призводить до плавного і в кінці до стрибкоподібного зменшення струму. Це називається зворотним релейним ефектом. Релейний ефект використовується у різноманітних схемах теплового захисту, температурної сигналізації, автоматичного регулювання температури. Крім вольтамперної характеристики найважливішою характеристикою терморезистора є залежність його опору від температури (температурна характеристика). Найважливішими параметрами терморезисторів є: номінальний (холодний) опір-опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20 °С і температурний коефіцієнт опору, що виражає у відсотках зміну абсолютної величини опору робочого тіла терморезистора при зміні температури на 1 °С
Температурний коефіцієнт опору можна позначити бт.
Тоді бт = -В/Т? (11)
Де В-коефіцієнт температурної чутливості, що залежить від фізичних властивостей матеріалу.
В = Т1 * Т2 / Т1-Т2 * Ln Rт1 / Rт2 (12)
Т1-вихідна температура робочого тіла, Т2-кінцева температура робочого тіла, на яку визначається значення бт.
Rт1 і Rт2-опір робочого тіла терморезистора при температурах відповідно Т1 та Т2.
Також важливим параметром терморезистора є найбільша потужність розсіювання-потужність при якій терморезистор, що знаходиться при температурі 20 ° С, розігріється струмом, що протікає, до максимальної робочої температури.
Максимальна робоча температура-температура при якійПоказники терморезистора залишаються стабільними тривалий час (протягом зазначеного терміну служби).
Параметр ф-характеризує теплову інерцію терморезистора. Тобто час, протягом якого температура терморезистора стає рівною 63°С при перенесенні його з повітряного середовища з температурою 0°С у повітряне середовище з температурою 100°С.
Терморезистори з негативним температурним коефіцієнтом використовуються для вимірювання та регулювання температури, термокомпенсації різних елементів електричного ланцюга, що працюють у широкому інтервалі температур, вимірювання потужності високочастотних коливань та індикації променистої енергії, стабілізації напруги в ланцюгах постійного та змінного струмів, як регульовані безконтакти. Терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом (позистори) виготовляють на основі титану барію, легованого спеціальними домішками, які у певному інтервалі температур збільшують свій питомий опір на кілька порядків. Існуючі технології дозволяють виготовляти позистори з позитивним біт, що становить 0,15-0,2 (1°С). За своїм конструктивним оформленням позистори аналогічні терморезисторам таблеточного типу, діаметром близько 5мм. Опір позистора зростає зі зростанням його температури, що використовується для обмеження струму в ланцюзі навантаження.