Терморезисторы с отрицательным ТКС / Нелинейные полупроводниковые резисторы / Продукция / АО «НИИ Гириконд»

Раздел: НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ                                         Терморезисторы с отрицательным температурным                                         коэффициентом сопротивления         Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ОТКС) имеют экспоненциальную температурную зависимость сопротивления, при этом значения номинального сопротивления можно изменять в очень широких пределах (от единиц Ом до единиц МОм).         Области применения: измерение и регулирование температуры (в частности, в качестве высокостабильных датчиков температуры), температурная компенсация элементов электрических цепей в диапазоне — 60 °С … + 180 °С, а также ограничение пусковых токов систем (например, в источниках питания) на рабочий ток 0,2 …15 А.          АО «НИИ «Гириконд» разрабатывает и производит терморезисторы в различном конструктивном исполнении, ведутся разработки терморезисторов в чип исполнении. Основные параметры и характеристики   Rн — номинальное сопротивление — сопротивление терморезисторов при определенной температуре окружающей среды, обычно — это 25°С или 20°С. α — температурный коэффициент сопротивления — характеризует изменение сопротивления терморезистора в % при изменении температуры на 1 градус, обычно указывается для той же температуры, что и номинальное сопротивление. Постоянная В — величина, характеризующая температурную чувствительность терморезисторов в определенном диапазоне температур. Определяется физическими свойствами полупроводникового материала, вычисляют по формуле:                                       , где R1 — сопротивление терморезистора, измеренное при температуре Т1, Ом; R2 — сопротивление терморезистора, измеренное при температуре Т2, Ом. Рмах — максимальная мощность рассеяния — это допустимая мощность при температуре 25°С (или другой указанной в ТУ), при которой в течение заданного времени (минимальной наработки) параметры терморезисторов остаются в пределах норм, установленных в ТУ.   ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС Тип Номинальное сопротивление (Т=25°С)  ТКС  % на 1°С, (Т=25°С)  Постоянная «В», К  Макс. мощность рассеяния, Вт Максимальный ток, А (Т=25°С)  Конструкция ТР-1   15 кОм  33 кОм -(4,1±0,2) -(4,2±0,2) 3200…3600 (-60…0)°С 3470…3900 (0…150)°С 0,05 – Бусинковые ТР-2  1,0 кОм …1 МОм -(2,9±0,35) … -(4,8±0,35) 3200…3600 (-60…0)°С 2270…4580 (0…155)°С 0,02 – Бусинковые ТР-4  1,0 кОм -(2,0±0,2) 1600…1960 (0…+200)°С 0,09 – Бусинковые ТР-15  1,0 … 2200 Ом -3,27 … -4,50 3000…4000 (-25…155)°С 0,5…4,0 0,15 … 11 Дисковые выводные ТР-16  1,0 … 330 Ом -3,37 … -4,39 2650…4000 (-60…0)°С 2900…3900 (0…155)°С 0,8…5,4 0,5 … 17 Дисковые выводные ТР-19 НОВАЯ РАЗРАБОТКА 47 … 1000000 Ом ±5 2500 … 5000 (-60 … 125)°С 0,3; 0,8  — Многослойные терморезисторы в ЧИП-исполнении НОВАЯ РАЗРАБОТКА МНОГОСЛОЙНЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ В ЧИП-ИСПОЛНЕНИИ ТР-19

Терморезисторы с отрицательным ткс

Терморезисторами с отрицательным ТКС называются полупроводниковые резисторы, сопротив­ление которых падает при повышении температуры, У таких терморезисторов ТКС составляет около 3…6%/К, что примерно в 10 раз больше, чем у пла­тиновых или никелевых датчиков. Терморезисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов, например F

2О₃ (шпинель), Zn₂TiO₄, MgCr₂O₄, TiO₂ или NiO и СоО с Li₂O. Процесс спекания осуществляется при 1000…1400°С. За­тем изготовляют контакты путем вжигания серебряной пасты. Для обеспечения высокой стабильности сопротивления, прежде всего при длительных измере­ниях, терморезисторы после спекания подвергают еще искусственному старению. С помощью специальных режимов обработки достигается высокая стабильность сопротивления.

Температурная характеристика терморезистора описывается следующим уравнением: R_Т = R_N ехр[В(1/Т – 1/Т

N)], где R_T и R_N — соответственно сопротивление при тем­пературах Т и T_N (в градусах Кельвина), В — кон­станта материала терморезистора, имеющая размер­ность К.

Тогда ТКС терморезистора оказывается равным α_R = -В/Т².

Температурная характеристика терморезистора при различных значениях В показана на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Рабочие характеристики терморезисторов с отрица­тельным ТКС, отличающихся значением В

Рис. 7.20. Различные конструкции терморезисторов с отрица­тельным ТКС. используемых в качестве датчиков температуры: а, б, д — остеклованные; в — миниатюрные; г — дискообразные; е, ж — капсулированные.

В продаже имеются терморезисторы в различных конструктивных исполнениях, в том числе и миниа­тюрные для обеспечения быстрого реагирования на изменение температуры. На рис. 7.20 показаны наи­более распространенные конструкции терморезисто­ров: дискообразные, стержневидные и миниатюрные.

Рис. 7.21. Вольт-амперной характеристика терморезистора с отрица­тельным ТКС

Важным параметром терморезисторов является вольт-амперная характеристика (рис. 7.21). Она опи­сывает связь между током через датчик и падением напряжения на нем. При токе около 1 мА вольт-амперная характеристика этих датчиков прямолинейна так как еще не происходит изменения сопротивления из-за самонагрева. Если же ток через датчик увеличить, то его сопротивление изменится (станет мень­ше) и падение напряжения на нем уменьшится. В ре­зультате при определенном значении тока I характе­ристика имеет максимум, а при дальнейшем возрастании тока отклоняется вниз.

Отмеченные на характеристике точки отражают изменение температуры датчика из-за самонагрева.

Рис. 7.22 Изображение в линейных координатах вольт-амперной характеристики датчика в различных средах.

Нагрев датчика, а вместе с тем и ход характеристики сильно зависят от рабочей среды. На рис 7.22 показана вольт-амперная характеристика типичного терморезистора на воздухе и в воде. Поскольку в воде теплоотвод лучше, чем на воздухе, при размещении датчика в воде его характеристика проходит выше, чем на воздухе. Этот эффект можно использовать, на­пример, для простого измерения уровня жидкости.

Если датчик работает на постоянном токе (около 10 мА), то падение напряжения на нем составляет около 6,8 В. Но в воде из-за более высокого сопро­тивления оно уже оказывается равным примерно 13 В. Следовательно, как только датчик вступает в контакт с наполняющей средой (водой), напряжение скачком возрастает с 6,8 до 13 В. Этот скачок напря­жения можно использовать для регулирования. Та­ким образом, на основе измерения температуры полу­чается датчик уровня.

а) б)

Рис. 7.23. Временная характеристика срабатывания миниатюр­ного (а) и дискообразного (б) терморезисторов с отрицательным ТКС.

Быстрота электронной индикации этого скачка тем­пературы (постоянная времени) зависит от геомет­рии датчика. На рис. 7.23 показана реакция на рез­кое изменение температуры миниатюрного датчика с малой массой и дискообразного терморезистора с от­рицательным ТКС.

Если к терморезистору подключить еще резистор с не зависящим от температуры сопротивлением, то температурную характеристику терморезистора мож­но изменить, как показано на рис. 7.24, а для последовательного (R_S) и параллельного (R_P) добавочных сопротивлений. Сочетание R_P и R_S дает возможность изменять ход характеристики температура сопротивление, как показано на рис. 7.24,б.

а) б)

Рис. 7.24. Линеаризация характеристики терморезистора с отри­цательным ТКС посредством параллельного и последовательного включения дополнительного термонезависимого сопротивления.

Рис. 7.25. Рабочие характеристики терморезистора с отрицательным ТКС и резистора с постоянным сопротивлением R_P, а также характеристика их параллельного соединения.

Путем удачного подбора сопротивления R_P (параллельное сопротивление) характеристику можно до некоторой степени линеаризировать (рис. 7.25), так как S-образная характеристика имеет некоторую точ­ку перегиба (T_W). Наилучшая линеаризация дости­гается, когда эта точка перегиба находится в середине требуемого диапазона измерения температур. Сопротивление R_P линеаризирующего резистора опре­деляется по формуле R_P = Rт_M (В – Т_М)/(В + 2Т_М), где Rт_M — сопротивление терморезистора при температуре Т_М (Т_М – T_W), В — константа материала термо­резистора.

Рис 7.26. Схема линеаризации, использующая термозависимый делитель напряжения для компенсации температурных погрешностей выходного сигнала датчика на терморезисторе с отрицательным ТКС.

Интересное применение такого линеаризованного терморезистора с отрицательным ТКС иллюстри­руется рис. 7.26. Здесь R_T, R₁ и R₂ образуют термозависимый делитель напряжения. Эта схема может быть использована, например, для температурной компенсации других выходных сигналов датчиков, подверженных сильному искажающему влиянию тем­пературы. В точке перегиба S-образной кривой снова справедливо выражение R = Rт_М(В – 2Т)/(В + 2Т), где R = R₁ R₂/(R₁ + R₂).

Отсюда можно получить зависящее от температуры изменение напряжения ∆U/∆Т = [R₂/(R₁ + R₂)] [U₀(-B/T²)] [R_Th/R] [1/(1 + R_T/R)².

Соотношением плеч делителя напряжения R₂/(R₁ + R₂)можно установить, следовательно, любую крутизну характеристики U(T)/U₀, т.е. зависимости изменения напряжении от изменения температуры.

Терморезисторы можно использовать также для задержки времени срабатывания реле (рис. 7.27). При подаче напряжения переключения U_B ток I протекает через реле и резистор R_T. Из-за высокого сопротив­ления терморезистора ток I меньше тока переключе­ния I_S. В результат самонагрева терморезистора егосопротивление снижается, ток возрастает до величины тока переключения I_S и контакт S2 замыкается.

При этом время задержки τ определяется по фор­муле τ ~ 1/U_Bⁿ,и где n принимает значения от 2 до 3.

Рис. 7.27. Задержка включения реле (R_R) с помощью терморезистора с отрицательным ТКС (R_T). R_Last — нагрузочное сопро­тивление.

4.5. Терморезисторы с положительным ткс

Терморезисторами с положительным ТКС называют, согласно стандарту ФРГ DIN 44080, зависящие от температуры резисторы из легированной титанатной керамики. Эти резисторы во вполне определенных областях температур имеют очень высокий положительный ТКС (_R), обусловленный взаимодействием полупроводниковых и сегнетоэлектрических свойств титанатной керамики. При изготовлении датчиков этого типа из смеси карбоната бария с оксидами стронция и титана путем прессования получают диски или стержни. Изменяя состав смеси, можно варьировать электрические свойства резистора. Материал спекают путем отжига заготовки при температурах в диапазоне 1000–1400 С. Затем изготовливают контакты.

На характеристике сопротивление – температура (рис. 4.14) ясно видно резкое возрастание сопротивления при температурах выше 110 С. При этом кривую можно разделить на отдельные участки в разных температурных диапазонах. Температура, при которой характеристика сопротивление – температура обладает явно выраженным положительным ТКС, называется температурой реагирования Т_N. Обычно за Т_N принимают температуру, при которой сопротивление терморезистора в два раза превышает минимальное значение R_min, т.е. R_N = 2R_min. При некоторой температуре Т_М температурный коэффициент такого терморезистора (_R ) описывается касательной к характеристике сопротивление – температура в точке, соответствующей этой температуре.

Рис.4.14. Рабочая характеристика терморезистора с положительным ТКС

Рис. 4.15. Вольт-амперная характеристика терморезистора

с положительным ТКС

Из статистической вольт-амперной характеристики типичного терморезистора с положительным ТКС (рис. 4.15) отчетливо видно его ограничивающее ток действие. При малых напряжениях, согласно закону Ома, получается линейная зависимость между U и I. Однако, как только из-за большой потери мощности возникает самонагрев терморезистора, ток начинает быстро спадать и в итоге стабилизируется. Этот процесс зависит от окружающей температуры и теплоотвода от терморезистора в рабочую среду.

4.6. Кремниевые датчики температуры

Измерение температуры с помощью кремниевых датчиков представляет собой интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент. Недостатками кремниевых датчиков являются меньший диапазон измеряемых температур и большая нелинейность. Однако для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение.

На рис. 4.16 приведена характеристика кремниевого датчика температуры. Она довольно точно соответствует следующему квадратичному уравнению

(4.12)

где R_Т – сопротивление при температуре Т(С), R₂₅ – сопротивление при эталонной температуре Т_B = 25 С, Т – разность температур (T = Т – Т_В),  и  – температурные коэффициенты с типичными значениями 0,78·10^-2 и 1,84·10^-5 С^-2 соответственно.

Для более точных измерений с помощью кремниевого датчика температуры его квадратичная характеристика должна быть линеаризована. Проще всего это достигается включением не зависящего от температуры сопротивления R_L параллельно кремниевому датчику, если схема питается постоянным током. При питании постоянным напряжением R_L включается последовательно с датчиком R_Th (рис. 4.17). Измеряемое напряжение U_М рассчитывается следующим образом

(4.13)

. (4.14)

В результате преобразования уравнений получается выражение для линеаризующего сопротивления R_L

(4.15)

где Т_М = Т_М – Т_В и Т_В = 25 С.

Сопротивление R_L зависит, таким образом, от выбора средней температуры T_М. Величина сопротивления R_L одинакова как при постоянном токе, так и при постоянном напряжении.

Пример

Датчик температуры типа KTY 81 должен быть линеаризован для средней температуры 25 С.

При R₂₅=1 кОм, =0,78·10^-2С^-1, =1,84·10^-5С^-2, Т_М=25С-25С=0 получаем

Рис. 4.16. Характеристика кремниевого датчика

Рис.4.17. Схема, линеаризующая характеристику кремниевого

датчика температуры в диапазоне измерений (Т_min< T < T_max)

На рис. 4.18. изображена полная схема формирования измерительного сигнала для кремниевого датчика KTY 81. Датчик размещен в плече измерительного моста, состоящего из резисторов R₅ – R₉. Резистор R₅ служит для линеаризации датчика R₆. Измерительный мост питается напряжением 2.7 В, стабилизированным с помощью диода Зенера.

Рис. 4.18. Измерительная схема для кремниевого датчика

температуры KTY 81 (R₆)

Это напряжение выбрано таким малым, что измерительный ток не превышает 1 мА во избежание возникновения заметных погрешностей из-за самонагрева. Чувствительность измерительного моста составляет 4 мВ/С и повышается усилителем до 50 мВ/С на выходе. В диапазоне измерений 0 – 100 С в этом случае получается аналоговый сигнал от 0 до 5 В.

Терморезистор — Вики

Термисторы с аксиальными выводами

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1—10 микрометров до нескольких сантиметров.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient») и положительным (PTC-термисторы, от слов «Positive Temperature Coefficient» или позисторы) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для NTC-термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.

Терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC-термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных, легированных полупроводников (Ge и Si), и других материалов. PTC-термисторы изготовляют из твёрдых растворов на основе BaTiO₃, что даёт положительный ТКС.

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

• номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;
• температурного коэффициента сопротивления.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор и гальванически развязанный от него нагревательный элемент, задающий температуру терморезистора, и, соответственно, его электросопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого