Температурные датчики. Терморезисторы в схемах на МК. Обозначение термистор на схеме

мир электроники - Терморезистор

Электронные компоненты

материалы в категории

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры.

Главный параметр терморезистора это большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов)- то есть его сопротивление очень сильно зависит от температуры и может изменяться в десятки а то и сотни раз.

Достоинства терморезисторов- простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, относительно невысокая долговременная стабильность характеристик.

Основная область применения терморезисторов это температурные датчики в различных устройствах или защитные функции (при большом токе через него происходит разогрев и изменение сопротивления)

Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2 см.

Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Терморезисторы по своим рабочим параметрам делятся на две категории:1. При нагреве сопротивление уменьшается. Такие терморезисторы называют термистор или NTC-термисторы (Negative temperature coefficient).2. При нагреве сопротивление увеличивается. Такие терморезисторы называют позистор или PTC-термисторы (Positive temperature coefficient). Они применяются в системе размагничивания кинескоп телевизоров

Обозначение терморезисторов на схеме

На схеме терморезисторы (не важно термистор это или позистор) обозначается так:

терморезистор обозначение Терморезисторы бывают низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–106 Ом.

Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

radio-uchebnik.ru

это... Определение, принцип работы и обозначения

Термистор - это прибор, предназначенный для измерения температуры, и состоящий из полупроводникового материала, который при небольшом изменении температуры сильно изменяет свое сопротивление. Как правило, термисторы имеют отрицательные температурные коэффициенты, то есть их сопротивление падает с увеличением температуры.

Общая характеристика термистора

Слово "термистор" - это сокращение от его полного термина: термически чувствительный резистор. Этот прибор является точным и удобным в использовании сенсором любых температурных изменений. В общем случае существует два типа термисторов: с отрицательным температурным коэффициентом и с положительным. Чаще всего для измерения температуры используют именно первый тип.

Обозначение термистора в электрической цепи приведено на фото.

Материалом термисторов являются оксиды металлов, обладающие полупроводниковыми свойствами. При производстве этим приборам придают следующую форму:

дискообразную;
стержневую;
сферическую подобно жемчужине.

В основу работы термистора принцип сильного изменения сопротивления при небольшом изменении температуры положен. При этом при данной силе тока в цепи и постоянной температуре сохраняется постоянное напряжение.

Чтобы воспользоваться прибором, его подсоединяют в электрическую цепь, например, к мосту Уитстона, и измеряют силу тока и напряжение на приборе. По простому закону Ома R=U/I определяют сопротивление. Далее смотрят на кривую зависимости сопротивления от температуры, по которой точно можно сказать, какой температуре соответствует полученное сопротивление. При изменении температуры величина сопротивления резко изменяется, что обуславливает возможность определения температуры с высокой точностью.

Материал термисторов

Материал подавляющего большинства термисторов - это полупроводниковая керамика. Процесс ее изготовления заключается в спекании порошков нитридов и оксидов металлов при высоких температурах. В итоге получается материал, состав оксидов которого имеет общую формулу (AB)3O4 или (ABC)3O4, где A, B, C - металлические химические элементы. Чаще всего используют марганец и никель.

Если предполагается, что термистор будет работать при температурах меньших, чем 250 °С, тогда в состав керамики включают магний, кобальт и никель. Керамика такого состава показывает стабильность физических свойств в указанном температурном диапазоне.

Важной характеристикой термисторов является их удельная проводимость (обратная сопротивлению величина). Проводимость регулируется добавлением в состав полупроводниковой керамики небольших концентраций лития и натрия.

Процесс изготовления приборов

Сферические термисторы изготавливаются путем нанесения их на две проволоки из платины при высокой температуре (1100 °С). После этого проволока режется для придания необходимой формы контактам термистора. Для герметизации на сферический прибор наносится стеклянное покрытие.

В случае же дисковых термисторов, процесс изготовления контактов заключается в нанесении на них металлического сплава из платины, палладия и серебра, и его последующая припайка к покрытию термистора.

Отличие от платиновых детекторов

Помимо полупроводниковых термисторов, существует другой тип детекторов температуры, рабочим материалом которых является платина. Эти детекторы изменяют свое сопротивление при изменении температуры по линейному закону. Для термисторов же эта зависимость физических величин носит совершенно иной характер.

Преимуществами термисторов в сравнении с платиновыми аналогами являются следующие:

Более высокая чувствительность сопротивления при изменении температуры во всем рабочем диапазоне величин.
Высокий уровень стабильности прибора и повторяемости полученных показаний.
Маленький размер, который позволяет быстро реагировать на температурные изменения.

Сопротивление термисторов

Эта физическая величина уменьшает свое значение при увеличении температуры, при этом важно учитывать рабочий температурный диапазон. Для температурных пределов от -55 °C до +70 °C применяют термисторы с сопротивлением 2200 - 10000 Ом. Для более высоких температур используют приборы с сопротивлением, превышающим 10 кОм.

В отличие от платиновых детекторов и термопар, термисторы не имеют определенных стандартов кривых сопротивления в зависимости от температуры, и существует широкое разнообразие выбора этих кривых. Это связано с тем, что каждый материал термистора, как датчика температуры, обладает собственным ходом кривой сопротивления.

Стабильность и точность

Эти приборы являются химически стабильными и не ухудшают свои рабочие характеристики со временем. Термисторы-датчики являются одними из самых точных приборов по измерению температуры. Точность их измерений во всем рабочем диапазоне составляет 0,1 - 0,2 °C. Следует иметь в виду, что большинство приборов работает в температурном диапазоне от 0 °C до 100 °C.

Основные параметры термисторов

Следующие физические параметры являются основными для каждого типа термисторов (приводится расшифровка наименований на английском языке):

R25 - сопротивление прибора в Омах при комнатной температуре (25 °С ). Проверить эту характеристику термистора просто с использованием мультиметра.
Tolerance of R25 - величина допуска отклонения сопротивления на приборе от его установленного значения при температуре 25 °С. Как правило, эта величина не превышает 20% от R25.
Max. Steady State Current - максимальное значение силы тока в Амперах, которое в течение продолжительного времени может протекать через прибор. Превышение этого значения грозит быстрым падением сопротивления и, как следствие, выходом термистора из строя.
Approx. R of Max. Current - эта величина показывает значение сопротивления в Омах, которое приобретает прибор при прохождении через него тока максимальной величины. Это значение должно быть на 1-2 порядка меньше, чем сопротивление термистора при комнатной температуре.
Dissip. Coef. - коэффициент, который показывает температурную чувствительность прибора к поглощаемой им мощности. Этот коэффициент показывает величину мощности в мВт, которую необходимо поглотить термистору, чтобы его температура увеличилась на 1 °C. Эта величина имеет важное значение, поскольку показывает, какую мощность нужно затратить, чтобы разогреть прибор до его рабочих температур.
Thermal Time Constant. Если термистор используется в качестве ограничителя пускового тока, то важно знать, за какое время он сможет остыть после выключения питания, чтобы быть готовым к новому его включению. Так как температура термистора после его выключения спадает согласно экспоненциальному закону, то вводят понятие "Thermal Time Constant" - время, за которое температура прибора уменьшится на 63,2% от величины разности рабочей температуры прибора и температуры окружающей среды.
Max. Load Capacitance in μF - величина емкости в микрофарадах, которую можно разряжать через данный прибор без его повреждения. Данная величина указывается для конкретного напряжения, например, 220 В.

Как проверить термистор на работоспособность?

Для грубой проверки термистора на его исправность можно воспользоваться мультиметром и обычным паяльником.

Первым делом следует включить на мультиметре режим измерения сопротивления и подключить выходные контакты термистора к клеммам мультиметра. При этом полярность не имеет никакого значения. Мультиметр покажет определенное сопротивление в Омах, его следует записать.

Затем нужно включить в сеть паяльник и поднести его к одному из выходов термистора. Следует быть осторожным, чтобы не сжечь прибор. Во время этого процесса следует наблюдать за показаниями мультиметра, он должен показывать плавно спадающее сопротивление, которое быстро установится на каком-то минимальном значении. Минимальное значение зависит от типа термистора и температуры паяльника, обычно, оно в несколько раз меньше измеренной в начале величины. В этом случае можно быть уверенным в исправности термистора.

Если сопротивление на мультиметре не изменилось или, наоборот, резко упало, тогда прибор является непригодным для его использования.

Заметим, что данная проверка является грубой. Для точного тестирования прибора необходимо измерять два показателя: его температуру и соответствующее сопротивление, а потом сравнивать эти величины с теми, что заявил производитель.

Области применения

Во всех областях электроники, в которых важно следить за температурными режимами, применяются термисторы. К таким областям относятся компьютеры, высокоточное оборудование промышленных установок и приборы для передачи различных данных. Так, термистор принтера 3D используется в качестве датчика, который контролирует температуру нагревательного стола либо головки для печати.

Одним из широко распространенных применений термистора является ограничение пускового тока, например, при включении компьютера. Дело в том, что в момент включения питания пусковой конденсатор, имеющий большую емкость, разряжается, создавая огромную силу тока во всей цепи. Этот ток способен сжечь всю микросхему, поэтому в цепь включают термистор.

Этот прибор на момент включения имел комнатную температуру и огромное сопротивление. Такое сопротивление позволяет эффективно снизить скачок силы тока в момент пуска. Далее прибор нагревается из-за проходящего по нему тока и выделения тепла, и его сопротивление резко уменьшается. Калибровка термистора такова, что рабочая температура компьютерной микросхемы приводит к практическому занулению сопротивления термистора, и падения напряжения на нем не происходит. После выключения компьютера, термистор быстро остывает и восстанавливает свое сопротивление.

Таким образом, использование термистора для ограничения пускового тока является рентабельным и достаточно простым.

Примеры термисторов

В настоящее время в продаже имеется широкий ассортимент товаров, приведем характеристики и области использования некоторых из них:

Термистор B57045-K с гаечным креплением, имеет номинальное сопротивление 1 кОм с допуском 10%. Используется в качестве датчика измерения температуры в бытовой и автомобильной электроники.
Дисковый прибор B57153-S, обладает максимально допустимым током 1,8 А при сопротивлении 15 Ом при комнатной температуре. Используется в качестве ограничителя пускового тока.

fb.ru

Температурные датчики. Терморезисторы в схемах на МК

Терморезисторы изготавливаются из специальных полупроводниковых сплавов или чистых металлов, у которых сопротивление значительно изменяется от температуры. Терморезисторы также называют термосопротивлениями или сокращённо термисторами (терм^Р^^истор).

Основным параметром термисторов считается температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Чем он больше, тем легче регистрировать отклонение температуры. Чем он стабильнее во времени, тем достовернее будут показания.

По знаку ТКС различают NTC- и РТС-термисторы.

В термисторах NTC-типа (англ. NTC — Negative Temperature Coefficient) сопротивление уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Типичный NTC-термистор при 0°С имеет сопротивление 7… 16 кОм, а при +100°С — 152…339 Ом (Табл. 3.11).

Таблица 3JL Параметры NTC-термисторов (NTC-Thermistor)

NTC- термисторы	Материал	Диапазон сопротивлений [кОм]	Допуск [%]	Мощность [Вт]	ТКС [%/°С]	Диапазон температур [°С]
КМТ-1	Со, Мп	22… 1000	±20	1	-4.2…-8.4	-60…+ 155
ММТ-1	Си, Мп	1…220	±20	0.6	-2.4…-5.6	-60…+ 125
СТЗ-1	Си, Со, Мп	0.68…2.2	±10; ±20	0.6	-3.35…-3.95	-60…+ 125
«NTC» (фирма EPCOS)	Си, Со, Мп, Ni, Fe	0.001…470	±(1…20)	0.45…2	-2…-6	-40…+200

В термисторах РТС-типа или, по-другому, позисторах (англ. РТС — Positive Temperature Coefficient) сопротивление увеличивается с повышением температуры окружающей среды (Табл. 3.12).

Таблица 3,12, Параметры позисторов (Posistor)

Позисторы	Диапазон сопротивлений [Ом]	Допуск [%]	Мощность [Вт]	ТКС [%/°С]	Диапазон температур [°С]
СТ5-1	20… 150	±20	0.7	+20	-20…+200
«РТС» (импорт)	1…80	±20	1.6…6.7	+ 10	-55…+ 170

ТКС в процентном отношении у позисторов выше, чем у NTC-термисторов. С другой стороны, позисторы не бывают высокоомными. Отсюда вытекает раздел сфер их применения. Термисторы NTC-типа чаще всего используются для измерения температуры, а позисторы — для систем тепловой защиты и ограничения пускового тока в силовых цепях.

Главные достоинства термисторов перед другими датчиками температуры — это низкая стоимость и высокая чувствительность, позволяющая регистрировать быстрые колебания температуры. Недостатки: относительно узкий диапазон рабочих температур, «хрупкость» конструкции и нелинейность характеристики. Если температуру измеряет МК, то нелинейность легко учитывается программным путём.

На Рис. 3.64, а…т приведены схемы подключения NTC-термисторов к МК.

Рис. 3.64. Схемы подключения NTC-термисторов к МК {начало)’.

а) базовая схема измерения температуры через АЦП МК. Зависимость сопротивления тер- мистора от температуры в общем случае носит нелинейный характер, поэтому используется табличный метод с заранее подобранными коэффициентами. Таблица преобразования напряжения АЦП в температуру предварительно заносится в ПЗУ МК;

б) если термистор R} подключается к цепи питания, а не к общему проводу, то изменяется наклон зависимости напряжения АЦП от температуры в противоположную сторону;

в) измерение температуры проводится только при ВЫСОКОМ уровне на выходе МК, что экономит ток через делитель /?/, в ждущем режиме. Резистор /?/должен быть точным;

г) усилитель постоянного тока на транзисторе VT1 повышает чувствительность, но сужает температурный диапазон. Ток базы VT1 может выйти за норму при низком сопротивлении RL Шкалу резистора (характеристика поворота «В») размечают в градусах температуры. МК следит за уровнем на входе и в момент «перескока» включает внешний индикатор;

д) МК измеряет разность напряжений на двух делителях: R1, R2w R3, R4. Используются два канала АЦП в дифференциальном режиме. Термисторы R1 и физически устанавливают в разных местах с разной температурой окружающей среды;

Рис. 3.64. Схемы подключения NTC-термисторов к МК {продолжение)’.

е) сначала конденсатор С1 разряжается через резистор R1 НИЗКИМ уровнем с выхода «О/Z» МК. Затем линии «О/Z» и «1/Z» настраиваются в режим входа, а линия «Z/1» в режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. МК измеряет по таймеру время заряда конденсатора С/ через резистор R2JX0 определённого порога (входом служит линия «О/Z»). Конденсатор вновь разряжается через линию МК, после чего аналогичным образом измеряется время заряда конденсатора через термистор R3. Разность двух отсчётов времени пропорциональна разности температур нагрева резисторов R2w R3, которые должны находиться физически в разных местах. Резистор /?/ можно заменить перемычкой при малой ёмкости конденсатора С/;

ж) метод уравновешивания зарядов. В МК на входе может использоваться АЦП или обычная линия порта с фиксированным порогом срабатывания. Если напряжение на конденсаторе С/больше порогового, то на линии «Z/О» устанавливается НИЗКИЙ уровень и происходит разряд ёмкости через резистор R2. Если напряжение меньше порогового, то линия «Z/О» переводится в режим входа без «pull-up» резистора. Конденсатор С/ заряжается через термистор RI. Среднее число циклов «заряд-разряд» за единицу времени пропорционально температуре. Достоинство метода — компенсация наводок с частотой питающей сети и её гармоник;

з) двухдиапазонное измерение температуры через АЦП МК. При низких температурах используется делитель RI, R3, при высоких — R2, R3. Число диапазонов можно увеличить, задей- ствуя другие выходные линии портов МК. Достоинство — компенсация естественной нелинейности термистора R3, повышенная точность измерений;

и) терморезистор /?/ автоматически включается в разрыв между резистором R2 и общим проводом при соединении с розеткой XSI. Резистором R3 выставляется рабочее напряжение на входе МК, близкое к половине питания. Кроме того, этим резистором можно сымитировать процесс быстрого изменения температуры при тестовых проверках;

к) ОУ DAI включается по схеме повторителя напряжения. NTC-термистор R2 (фирма BCcomponents, номер по каталогу 2322-633-83033) изменяет своё сопротивление от 941 кОм до 191 Ом при температуре от-40 до+200°С. Промежуточные значения указаны вдаташите;

Рис. 3.64. Схемы подключения NTC-термисторов к МК (продолжение): л) точное измерение температуры через 22-битный АЦП DA1. Платиновый термистор R2 W2102 (фирма Omega Engineering) обеспечивает высокую стабильность и линейность;

м) оригинальное включение двух половинок микросхемы DAI. Резистором RI устанавливают температурный порог срабатывания, вплоть до полного отключения термистора

н) измерение температуры при помощи термистора Я2и аналогового компаратора МК; о) аналогичнРис. 3.64, н, но с подключением термистора RI к цепи питания (а не к общему проводу) и с возможностью калибровки температуры подстроечным резистором R2\

п) повыщение точности измерения температуры с помощью интегрального стабилизатора напряжения DA /. Внутренний АЦП М К переводится в режим измерения от внешнего ИОН. Резистор /?/линеаризирует температурную характеристику термистора R3 в узком диапазоне; р) аналогичнРис.3.64, п, но со стабилитроном VD1 и без линеаризации характеристики;

Рис. 3.64. Схемы подключения ЫТС-термисторов к МК {окончание)-. с) резистором R4 производится балансировка моста, содержащего термистор R2. Резисторы /?/, R3, рекомендуется применить высокоточные, например, ± 1 %. Термистор R2— про

волочный ТСМ-ЮОМ (медный, -50…+200°С), ТСМ-ЮОП (платиновый, -200…+750°С) или самодельный, состоящий из 11 м медного провода ПЭВ-0.05. При подборе замены следует знать стандартный ряд номиналов проволочных измерительных термисторов: 100; 500; 1000 Ом;

т) термистор R1 входит в состав делителя, напряжение на котором измеряется через АЦП МК. Конденсатор С/ снижает помехи при значительном удалении /?/ от МК и при большом уровне наводок. Термистор R1 самодельный проволочный с ТКС примерно 10 Ом/°С. Он содержит 1300 витков медного провода ПЭЛ-0.05, намотанных на каркасе диаметром 7 мм. Достоинство проволочного датчика — стабильный и предсказуемый ТКС, широкий диапазон измеряемых температур -100…+500°С. Если требуется расширить диапазон до -200…+850°С, то следует применить промышленный платиновый термистор.

nauchebe.net

Каталог товаров