Терморезисторы: конструкция, виды, технические параметры, обозначение на схемах

Что такое терморезистор?

Обычный резистор имеет относительно стабильное сопротивление. Конечно, электрическое сопротивление обычного резистора может измениться при значительном нагреве (в пределах допусков). Но в штатном режиме показания этих устройств стабильны, чего, собственно, и добиваются разработчики.

При изготовлении термисторов сознательно выбираются материалы, сопротивление которых зависит от температуры. То есть термистор — это полупроводниковый прибор с температурной зависимостью его сопротивления. Можно сказать, что путем нагрева или охлаждения таких полупроводниковых устройств можно контролировать их сопротивление.

Рис. 1. Термистор и его изображение на схемах

Температурные зависимости полупроводниковых резисторов широко используются на практике, о чем будет сказано ниже. Отметим только, что термисторы — это, по сути, переменные резисторы, сопротивление которых не меняется механически, а зависит от степени нагрева и температурных характеристик используемых полупроводниковых материалов. И неважно, изменились ли температурные показатели при прямом или косвенном нагреве.

PTC термистор термочувствительное защитное устройство — термистор

Термисторы PTC

Термистор относится к термочувствительным устройствам встроенной тепловой защиты электродвигателя. Они расположены в специально предусмотренных для этого гнездах в передних частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от тепловой перегрузки). Термистор — это полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Термисторы обычно делятся на два класса: тип PTC — полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления; Полупроводниковые резисторы типа NTC с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Для защиты электродвигателей в основном используются термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), которые обладают свойством резко увеличивать свое сопротивление при достижении определенной характеристической температуры (см. Рис. 1). Для двигателя это максимально допустимая температура нагрева обмоток статора для данного класса изоляции.

Три (для двухобмоточных двигателей — шесть) термисторов PTC соединены последовательно и подключены ко входу электронного блока защиты. Блок настроен таким образом, что при превышении общего сопротивления цепи срабатывает контакт выходного реле, которое управляет выключателем машины или катушкой магнитного пускателя.

Термисторная защита предпочтительнее в тех случаях, когда невозможно с достаточной точностью определить температуру двигателя по току. Это особенно актуально для двигателей с длительным временем пуска, частых пусков и остановок (непостоянный режим) или двигателей с регулируемой скоростью (с использованием преобразователей частоты).

Термисторная защита также эффективна в случае сильно загрязненных двигателей или отказа системы принудительного охлаждения.

Рис.1 Сопротивление термистора PTC в зависимости от температуры	PTC — полупроводниковый резистор

Недостатком этого типа защиты является то, что не все типы двигателей выпускаются с датчиками. Особенно это касается двигателей отечественного производства. Датчики можно устанавливать только в стационарных мастерских.

Температурная характеристика термистора довольно инерционная и сильно зависит от температуры окружающей среды и условий эксплуатации самого двигателя.

Для них требуется специальный электронный блок: устройство термисторной защиты двигателя, тепловое или электронное реле перегрузки, которое содержит блоки настройки и регулирования, а также выходные электромагнитные реле, которые используются для отключения катушки стартера или электромагнитного расцепителя.

Описание прибора

Датчики температуры широко используются в электротехнике. Практически во всех механизмах используются аналоговые и цифровые микросхемы термометров, термопары, датчики сопротивления и термисторы. Префикс в названии устройства указывает на то, что термистор — это устройство, которое зависит от влияния температуры. Количество тепла в окружающей среде является доминирующим показателем в его работе. Из-за нагрева или охлаждения параметры элемента изменяются, появляется сигнал, доступный для передачи на управляющие или измерительные механизмы.

Термистор — это электронное устройство, в котором значения температуры и сопротивления обратно пропорциональны.

Есть еще одно название для этого — термистор. Но это не совсем правильно, так как на самом деле термистор является одним из подвидов термистора. Изменение тепла может повлиять на сопротивление резистивного элемента двумя способами: увеличивая его или уменьшая.

Таким образом, термометры сопротивления делятся по температурному коэффициенту на PTC (положительный) и NTC (отрицательный). РТС — резисторы называются позисторами, а NTC — термисторами.

Отличие устройств RTS от NTC заключается в изменении их свойств при воздействии климатических условий. Сопротивление позисторов прямо пропорционально количеству тепла в окружающей среде. При нагревании устройств NTC его значение уменьшается.

Внешний вид термистора на схемах подключения аналогичен виду обычного резистора. Отличительная особенность — наклонная прямая, проходящая через элемент. Таким образом, демонстрируя, что сопротивление не является постоянным, но может изменяться в зависимости от повышения или понижения температуры окружающей среды.

Основное вещество для создания позиторов — титанат бария. Технология изготовления устройств NTC более сложна из-за смешения различных веществ — полупроводников с примесями и оксидами стекловых металлов.

 

Классификация

По характеру изменения сопротивления при изменении температуры термисторы делятся на две группы:

• Термистор (термистор NTC), термистор с отрицательным TCS — сопротивление уменьшается при нагревании;
• Термистор PTC, термистор PTC: сопротивление увеличивается по мере нагрева.

По способу нагрева термисторы делятся на две группы:

• прямой нагрев — сопротивление которого изменяется при прохождении непосредственно через ЧЭ;
• косвенный нагрев — сопротивление изменяется при прохождении тока через специальный нагреватель, расположенный в непосредственной близости от ЧЭ.

Ключевым отличием термистора косвенного и прямого нагрева является гальваническая изоляция цепи нагрева от цепи измерения.

Разница между термистором и другими датчиками

Помимо термисторов, используются еще несколько типов датчиков температуры. Наиболее распространены резистивные датчики температуры (RTD) и интегральные схемы (IC), такие как типы LM335 и AD590. Какой датчик лучше всего подходит для конкретного применения, зависит от многих факторов. В таблице ниже представлено быстрое сравнение преимуществ и недостатков каждого из них.

Параметр	Термистор	RTD	LM335	AD592
Разница температур	В пределах ~ 50 ° от заданной внутренней температуры	От −260 ° C до + 850 ° C	От -40 ° C до + 100 ° C	От -20 ° C до + 105 ° C
Относительная стоимость	Экономическая	Дорогой	Дорогая	Дорогая
Постоянное время	От 6 до 14 секунд	От 1 до 7 секунд	От 1 до 3 секунд	От 2 до 60 секунд
Стабильность	Очень стабильный, 0,0009 ° C	~ 0,05 ° С	~ 0,01 ° С	~ 0,01 ° С
Чувствительность	Высокий	Короткий	Короткий	Короткий
Преимущества	Прочный Длительная продолжительность Чрезвычайно чувствительный Маленький размер Ниже Лучшая стоимость для одноточечных измерений температуры	Лучшее время отклика Линейный выход Широчайший диапазон рабочих температур Идеально подходит для измерения диапазона температур	Умеренно дорого Линейный выход	Умеренно дорого Линейный выход
Недостатки	Нелинейный выход Ограниченный температурный диапазон Медленное время отклика	Дорогая Низкая чувствительность	Ограниченный температурный диапазон Низкая чувствительность Большой размер	Более медленное время отклика Ограниченный температурный диапазон Низкая чувствительность Большой размер

Температурный диапазон: приблизительный общий температурный диапазон, в котором можно использовать датчик данного типа. В определенном диапазоне температур одни датчики работают лучше, чем другие.

Относительная стоимость: относительная стоимость при сравнении этих датчиков друг с другом. Например, термисторы дешевы по сравнению с RTD, отчасти потому, что платина является предпочтительным материалом для RTD.

Постоянная времени: приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, в течение которого термистор достигает 63,2% разницы температур от начального до окончательного показания.

Стабильность: способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи от датчика температуры.

Чувствительность: степень реакции на изменение температуры.

Область применения

Использование приборов зависит от их стоимости и точности измерения. Более дорогие позисторы используются в сложных отраслях промышленности, как и предохранители. Например, их подключают к исполнительному реле, при нагреве цепь отключается. Термисторы намного доступнее по цене, что позволяет широко использовать их в быту.

Термодатчик воздуха

Откалиброванный соответствующим образом резистор NTC может использоваться для управления нагревом окружающего воздуха. В этом случае точность измерений, как на производстве, не требуется — достаточно регулировки с шагом в 1 градус Цельсия.

Самодельный датчик температуры воздуха

Автомобильный термодатчик

Обычно используется для защиты двигателя автомобиля от перегрева. ТП подключается к реле, которое отключает двигатель в случае угрозы перегрева. Имея достаточные знания, вы можете подключить устройство к бортовому компьютеру, чтобы просматривать температуру на дисплее.

Датчик пожара

Из термистора и биметаллических элементов стартера можно сделать конструкцию, похожую на пожарную сигнализацию. Для этого подходят простые бисерные ТУ. Кроме того, датчик может сработать, если необходимо исключить срабатывание по дыму, например сигаретному дыму.

Термистор как регулятор пускового тока

Есть ряд устройств, которые подвергаются чрезмерному току при первом запуске: лампы, двигатели и трансформаторы. Для их ограничения в схему встроен термистор. Вместо резких скачков ток регулируется в соответствии с нагрузкой, поскольку термистор нагревается и сопротивление уменьшается.

Конструкция

Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых проводников. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (контур конструкции показан на рисунке 2).

Оксиды металлов используются как термочувствительный материал. Для защиты конструкции используется стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

Рис. 2. Конструкция простого термистора

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используется медь или платина. Эти материалы имеют высокие значения TCR металлов в диапазоне рабочих температур. Однако их использование ограничено из-за высокой стоимости платины и ее нелинейного преобразования.

Использование медных термисторов ограничивается низкой коррозионной стойкостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Они используются для температур не выше 180 ºC.

Еще одним недостатком металлических терморезисторов является их инерционность, которая может достигать нескольких минут. Такие конструкции не очень подходят для поддержания теплового режима электроприборов, но идеальны в качестве датчиков для измерения температуры.

Для уменьшения тепловой инерции термисторы состоят из микроволокон, заключенных в стеклянную колбу (см. Рис. 3). Такие датчики герметичны, стабильны, их инерция не превышает долей секунды.

Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе

Широко используются типы сенсоров на основе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников эти материалы насыщаются электронами и дырками, что приводит к снижению сопротивления.

Существуют конструкции плоских термисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.

Рис. 4. Конструкция плоского термистора

Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых применяется метод монтажа SMT. Для этих целей промышленность выпускает термисторы SMD различных номиналов (см. Рис. 5).

Рис. 5. Термисторы для микроэлектроники

В большинстве конструкций термостойкий элемент изготавливается методом порошковой металлургии. Для этих целей используются материалы:

• халькогениды;
• оксиды металлов;
• галогениды и другие.

Контур резистивных элементов может быть в виде бусинок, стержней, трубок, пластин и т.д.

Какая бы конструкция ни была выбрана, принцип работы остается неизменным — зависимость сопротивления от температуры. Товары различаются только параметрами.

NTC

Продукция этого типа имеет отрицательную TCC. Их отличие в том, что внутреннее сопротивление термистора может уменьшаться с увеличением t0 и наоборот. Если тепловая нагрузка t0 уменьшается, сопротивление R увеличивается.

Эти характеристики важны в случаях, когда необходимо ограничить пусковой ток до:

• запуск электродвигателя;
• защита литий-ионных аккумуляторов.

Также в блоке питания необходим термистор для уменьшения зарядных токов.

Термисторы NTC также используются в автомобильной промышленности в качестве датчиков для автоматического управления системой кондиционирования воздуха. Или как датчик для контроля перегрева двигателя. При превышении допустимого безопасного режима управляющая команда отправляется на управляющее реле, и двигатель автоматически отключается.

Элементы типа NTC — могут использоваться в пожарных системах в качестве пожарного датчика, который обнаруживает быстрое повышение температуры и вызывает пожарную тревогу.

Эти мини-устройства можно маркировать буквами или цветами в виде полосок или колец. Внешний вид изображения зависит от того, где изготовлен компонент, его типа и ряда других параметров.

Например, расшифруем маркировку 4Д-21.

4D: показывает, что его рейтинг рассчитан для температуры до 24 градусов Цельсия. Число 21 — диаметр элемента.

Для правильного выбора этого элемента существуют специальные таблицы с рассчитанными рабочими параметрами. Например, как для термисторов серии SCN:

Подобные таблицы помогают выбрать элемент в необходимом рабочем диапазоне для ваших задач.

Алмаз и родственные материалы – особые терморезисторы

На рынке термисторов существует особый класс устройств на основе монокристаллов алмаза, композитов и �