Терморезисторы назначение параметры конструкция и применение. Терморезисторы: назначение, параметры, конструкция и применение

Что такое терморезистор. Какие бывают виды терморезисторов. Как устроен терморезистор. Для чего применяются терморезисторы. Каковы основные параметры терморезисторов. Как обозначаются терморезисторы на схемах.

Что такое терморезистор и как он работает

Терморезистор — это полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого сильно зависит от температуры. Принцип работы терморезистора основан на свойстве полупроводниковых материалов изменять свою проводимость при изменении температуры.

Существует два основных типа терморезисторов:

• NTC-термисторы (с отрицательным температурным коэффициентом) — их сопротивление уменьшается при нагревании
• PTC-термисторы (с положительным температурным коэффициентом) — их сопротивление увеличивается при нагревании

Конструкция и материалы терморезисторов

Терморезистор обычно имеет следующую конструкцию:

• Чувствительный элемент из полупроводникового материала (оксиды металлов, карбиды, нитриды)
• Контактные площадки
• Выводы
• Защитное покрытие

Для изготовления NTC-термисторов чаще всего используются оксиды марганца, кобальта, никеля и меди. PTC-термисторы изготавливаются на основе титаната бария с добавками.

Основные параметры и характеристики терморезисторов

Ключевыми параметрами терморезисторов являются:

• Номинальное сопротивление при 25°C
• Температурный коэффициент сопротивления
• Диапазон рабочих температур
• Максимальная рассеиваемая мощность
• Постоянная времени
• Коэффициент рассеяния

Важнейшей характеристикой является температурная зависимость сопротивления, которая для NTC-термисторов описывается экспоненциальной функцией.

Применение NTC-термисторов

NTC-термисторы широко используются в различных областях электроники и техники:

• Измерение и контроль температуры
• Температурная компенсация в электронных схемах
• Ограничение пусковых токов
• Датчики потока жидкости и газа
• Датчики уровня жидкости

Рассмотрим подробнее некоторые применения NTC-термисторов:

Измерение и контроль температуры

NTC-термисторы часто используются в качестве датчиков температуры в бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании. Они обеспечивают высокую точность измерений в широком диапазоне температур.

Ограничение пусковых токов

При включении оборудования с большой емкостной нагрузкой (например, импульсных блоков питания) возникают большие пусковые токи. NTC-термистор, включенный последовательно с нагрузкой, ограничивает этот ток за счет высокого начального сопротивления.

Применение PTC-термисторов

PTC-термисторы нашли применение в следующих областях:

• Защита от перегрузки по току
• Саморегулирующиеся нагреватели
• Термостаты
• Датчики уровня жидкости
• Размагничивание кинескопов

Рассмотрим некоторые примеры использования PTC-термисторов:

Защита от перегрузки по току

При превышении допустимого тока PTC-термистор нагревается, его сопротивление резко возрастает, ограничивая ток до безопасного уровня. После устранения перегрузки термистор остывает и восстанавливает свою проводимость.

Саморегулирующиеся нагреватели

PTC-термисторы используются для создания нагревательных элементов с автоматической стабилизацией температуры. При достижении заданной температуры сопротивление термистора возрастает, уменьшая выделяемую мощность.

Обозначение терморезисторов на схемах

На принципиальных электрических схемах терморезисторы обозначаются следующим образом:

• NTC-термистор: буквой R с индексом t и стрелкой вниз
• PTC-термистор: буквой R с индексом t и стрелкой вверх

Рядом с обозначением указывается номинальное сопротивление термистора при 25°C.

Преимущества и недостатки терморезисторов

Терморезисторы обладают следующими достоинствами:

• Высокая чувствительность к изменению температуры
• Широкий диапазон номиналов сопротивления
• Малые размеры и масса
• Простота конструкции
• Невысокая стоимость

К недостаткам терморезисторов можно отнести:

• Нелинейность характеристик
• Разброс параметров
• Гистерезис при циклических изменениях температуры
• Саморазогрев при прохождении измерительного тока

Современные тенденции в развитии терморезисторов

Основные направления совершенствования терморезисторов включают:

• Улучшение стабильности характеристик
• Расширение диапазона рабочих температур
• Уменьшение размеров
• Повышение быстродействия
• Создание многоэлементных сборок
• Разработка терморезисторов для поверхностного монтажа

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные терморезисторы, расширяя сферы их применения в современной электронике.

Выбор терморезистора для конкретного применения

При выборе терморезистора необходимо учитывать следующие факторы:

• Тип терморезистора (NTC или PTC)
• Требуемый диапазон измеряемых температур
• Номинальное сопротивление
• Допустимая мощность рассеяния
• Требуемая точность и стабильность
• Быстродействие
• Условия эксплуатации (влажность, вибрация и т.д.)

Правильный выбор терморезистора обеспечит оптимальную работу устройства в заданных условиях.

Применение компонентов Epcos — компоненты защиты

Автор: Д-Р МАРИТА ТЖАРКС-СОБХАНИ

Электроника вошла в нашу повседневную жизнь и все больше определя­ет эффективность и конкурентоспособность компаний и продукции по всему миру. Но она является благом только до тех пор, пока электрон­ное оборудование работает надежно и безопасно. Компания ЕРСOS предлагает необходимые компоненты защиты для каждого применения.

Каждый год выход из строя электрического и электронного оборудования из-за несоответ­ствующей защиты приносит убытки на миллиарды долларов. Наибольшую опасность представляют чрезмерно высокие температуры, напряжение и ток. Последствия такого воздействия — от раздражаю­щих сбоев в игровой электронике, возникновения серьезных экономических потерь из-за остановки промышленного предприятия до аварий, которые представляют угрозу для жизни человека.

Срок службы оборудования сокращается при его работе вблизи или свыше верхнего предела тем­пературы. Броски напряжения и превышение темпе­ратуры могут также вызывать преждевременный выход из строя интегральных схем. Системы обра­ботки данных особенно подвержены подобному воз­действию. Следовательно, защита электронного оборудования является критически важным требо­ванием рынка и, в то же время, обязательством по отношению к потребителям. Чтобы всегда пред­лагать наиболее надежные и экономичные решения на мировом рынке, необходимы годы опыта, соот­ветствующая квалификация и инновационные усилия. И компания ЕРСOS имеет то, что она заслужи­вает: показатели продаж и проводимые исследова­ния предпочтений потребителей подтверждают, что она является лидером мирового рынка в области за­щитных компонентов для электроники, таких как га­зонаполненные разрядники для защиты от перенап­ряжений, термисторы и варисторы

.

Газонаполненные разрядники для защиты от перенапряжений

Компания ЕРСOS является единственным в мире поставщиком, который предлагает широкий ассор­тимент разрядников от маломощных до сверхмощ­ных типов (70 В. ..5кВ/0.5…60кА), имеющих техни­ческую аттестацию практически от всех операторов электроэнергетической сети.

Разрядники в основном используются для защи­ты абонентских линий, оборудования систем связи и обработки данных, а также линий питания пере­менного тока. Огромным преимуществом разряд­ников является их большой запас перегрузочной способности по току. Другими положительными характеристиками разрядников являются их чрезвы­чайно низкая собственная емкость, составляющая менее 2 пФ, и малый ток утечки, составляющий менее 10 нА. Эти цифры справедливы также и при высоких температурах, поэтому газонапол­ненные разрядники для защиты от перенапряжений практически не оказывают влияния на работу систе­мы и могут использоваться на линиях передачи данных, работающих на самых высоких скоростях. При применении новых технологий передачи, таких как DSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонент­ская линия), которые требуют еще более высокого уровня защиты для сетей связи, эти разрядники обеспечивают высокую перегрузочную способность по току разряда (2.

5…40 кА), низкое импульсное напряжение пробоя (менее 450 В) и чрезвычайно низкую собственную емкость (около 1 пФ) одновре­менно с высоким сопротивлением изоляции (более 1 ГОм).

Объединение газонаполненных разрядников для защиты от перенапряжений и варисторов обеспечивает оптимальную защиту для телекомму­никационного оборудования на центральных теле­фонных станциях и абонентских линиях. Этот гиб­ридный компонент, сочетающий высокую нагрузочную способность по току, присущую газо­вым разрядникам, с высоким быстродействием, свойственным варистору, надежно ограничивает пе­реходные напряжения до приемлемых значений ни­же 350 В (при скорости нарастания напряжения dv/dt, равной 1 кВ/мкс) и защищает от токов перег­рузки вплоть до 20 кА (форма импульса 8/20 мкс) или 1000 А (форма импульса 10/1000 мкс).

Гибридный прибор также обеспечивает надеж­ную защиту от бросков напряжения на линиях элект­ропитания. Варисторы подключаются последова­тельно и ограничивают ток, протекающий через разрядники для защиты от перенапряжений, который в противном случае достигал бы неприем­лемо высоких значений из-за низкого внутреннего сопротивления линии электропитания.

В результате два компонента защиты идеально дополняют друг друга. Кроме того, такой гибридный компонент за­нимает меньше пространства, чем решения на диск­ретных компонентах. Компания EPCOS также пред­лагает несколько типов разрядников, выпускаемых в корпусах для поверхностного монтажа (SMD).

NTC-термисторы

Термисторы используются в качестве датчиков температуры, а также для защиты и переключения. NTC-термисторы (термисторы с отрицательным температурным коэффициентом) защищают от бросков тока в любом оборудовании, содержащем импульсные источники питания (SMPS). Эти огра­ничители пускового тока могут выполнять все функ­ции постоянных резисторов, а также значительно снижать потребление мощности оборудования, в котором они используются. Кроме того, они легче, более компактные и подходят для автоматического размещения.

NTC-термисторы, в основном, применяются в им­пульсных источниках питания для компьютеров и пе­риферийных устройств, аппаратуре игровой элект­роники, флюоресцентных лампах и балластах для мощных газоразрядных ламп. NTC-термисторы за­щищают компоненты, подключенные последова­тельно, например, диоды и переключатели, а также обеспечивают плавный запуск электродвигателей, работающих при постоянных токах до 20 А.

Широкий ассортимент NTC-термисторов с раз­личными размерами дисков и значениями сопро­тивления позволяет обеспечить оптимальный под­бор термисторов для конкретного применения. Этот ассортимент включает как дисковые термисторы с диаметром 8.5 мм и максимальной рассеиваемой мощностью 1.4 Вт при 25°С , так и термисторы с ди­аметром 26 мм и максимальной рассеиваемой мощ­ностью вплоть до 6.7 Вт. Диапазон сопротивлений составляет от 1 до 80 Ом, а максимально-допусти­мые токи — от 1.3 до 20 А. NTC-термисторы могут использоваться как в цепях переменного, так и пос­тоянного тока при напряжениях вплоть до 265 В.

NTC-датчики также контролируют внутреннюю температуру в высокопроизводительных приводах. NTC-термистор располагается на плате управления. Если температура превышает оговоренное макси­мально-допустимое значение, которое обычно составляет 55°С, он может подключить вентилятор охлаждения, снизить скорость работы накопителя на жестких дисках или даже произвести его полное отключение. Высокоточные NTC-термисторы ком­пании EPCOS с допуском до ±0.2 К в диапазоне температур от 0 до 70°С обеспечивают точный конт­роль температуры. Их точность задается при помо­щи параметра В, который определяет крутизну характеристики R(T) (зависимость сопротивления от температуры), а также допуск по сопротивлению и дрейф сопротивления после пайки. Компания EPCOS предлагает термисторы, имеющие разброс значения коэффициента В ±5% при дрейфе сопро­тивления после пайки менее 1%.

NТС-термисторы обеспечивают двой­ную защиту. Напри­мер, в электродвига­телях или источниках питания они исполь­зуются в качестве датчиков температу­ры, которые своевре­менно предупрежда­ют о критичных тем­пературах и защища­ют оборудование от перегрева. В каче­стве ограничителей пускового тока они предотвращают об­рыв предохранителей и защищают нагрузки.

NТС-термисторы компании ЕРСOS выпускаются в широком ассортименте размеров, из различных ма­териалов и с различным исполнением выводов.

РТС-термисторы

РТС-термисторы (термисторы с положительным температурным коэффициентом) защищают обору­дование от перегрузки по току и чрезмерного повы­шения температуры. Их уникальное свойство состо­ит в том, что в холодном состоянии они имеют низкое сопротивление, а при разогреве их сопро­тивление резко возрастает. РТС-термистор подклю­чается последовательно с нагрузкой. Когда чрез­мерный ток протекает через РТС-термистор, его сопротивление резко возрастает, ограничивая ток до безопасного уровня. РТС-термисторы имеют преимущество перед обычными предохранителями, поскольку обладают способностью восстанавливать свое первоначальное состояние. Как только неисп­равность устраняется, они охлаждаются, их сопро­тивление падает и они полностью восстанавливают свои защитные функции без необходимости заме­ны. Небольшие электрические моторы, карты телефонных линий, выходные каскады небольших усилителей и многие другие нагрузки, таким обра­зом, могут быть экономично защищены от пере­грузки по току.

Устройство защиты телекоммуникационной пары (Теlесоm Раiг Ргоtестог — ТТР) представляет собой новейший модуль компании ЕРСОS для за­щиты абонентских линий, содержащий два РТС-тер­мистора в общем 4-выводном корпусе. Он может ус­танавливаться методом поверхностного монтажа и позволяет сэкономить до 40% пространства по сравнению с обычными решениями. Два термистора в одном корпусе предоставляют дополнительные преимущества с точки зрения стоимости и размещения компонентов. Электрическая прочность изоляции между двумя дисками термисторов составля­ет более 3000 В. Кроме того, два РТС-термистора согласованы по сопротивлению, что обеспечивает симметрию линий связи. В ТТР могут применяться различные дисковые РТС-термисторы, таким обра­зом, обеспечивается широкий диапазон сопротив­лений.

РТС-термисторы для тепловой защиты ис­пользуются в электрических двигателях, трансфор­маторах и многих других приложениях, в которых высокие температуры представляют опасность для компонентов или пользователей. Миниатюризация источников питания приводит к необходимости ре­гулирования температуры. Для таких применений компания ЕРСОS предлагает РТС-термисторы для поверхностного монтажа. Если предел температу­ры превышается, сопротивление РТС-термистора резко возрастает. В результате падение напряжения на термисторе уменьшает выходное напряжение, эффективно защищая источник питания от перегре­ва. РТС-термисторы компании ЕРСОS для тепловой защиты выпускаются также и в выводных корпусах (с проволочными выводами и выводами под винт).

Варисторы

Компания ЕРСОS является одним из немногих поставщиков во всем мире, который предлагает полный ассортимент варисторов в виде дисков с ра­диальными выводами, блочных варисторов, варис­торов с ленточными выводами и мощных варисто­ров, а также варисторов для поверхностного монтажа (SМD). Варисторы являются универсаль­ными компонентами: они применяются в автомо­бильной, бытовой и промышленной электронике, в медицинской технике и мобильной связи. Варисто­ры защищают от перенапряжений, которые могут быть вызваны как внутренними причинами, напри­мер, переключением индуктивных нагрузок или иск­рением, так и внешними воздействиями, такими как разряды молний, сильные электромагнитные поля или контакт после электростатического заряда.

Дисковые варисторы защищают импульсные источники питания и другие чувствительные нагруз­ки от бросков напряжения на входе. Дисковые ва­ристоры, в основном, используются в бытовой тех­нике, игровой и промышленной электронике. Они подключаются параллельно с защищаемой элект­ронной схемой и в случае возрастания напряжения образуют шунт с низким сопротивлением. Это пре­дотвращает дальнейшее увеличение напряжения и повреждение нагрузки. Дисковые варисторы отли­чаются высоким поглощением энергии, вплоть до 410 Дж. Их перегрузочная способность по току при форме импульса 8/20 мкс составляет в зависимос­ти от диаметра диска от 0.4 до 12 кА, и они могут выдерживать напряжения от 11 до 1100 В (RМS). Дисковые варисторы имеют низкие токи утечки, ко­торые остаются неизменными в течение длительного периода, обеспечивая, таким образом, продол­жительный срок службы и высокую надежность.

Для применений, требующих еще более высокой перегрузочной способности по току, компания ЕРСОS предлагает серию АdvаnсеD/SuреriоR дисковых варисторов, которые имеют те же разме­ры, что и стандартные диски, но могут поглощать то­ки перегрузки, величина которых больше на 45% (например, S07к150 StаndаrdD — 1200 А, серия АdvаnсеD — 1750 А при форме импульса 8/20 мкс). Поскольку обе серии имеют то же расстояние между выводами, варисторы АdvапсеD могут заме­нить компоненты StаndаrdD без необходимости из­менения разводки печатной платы или конструкции схемы.

Специальные варисторы телекоммуникаци­онного и автомобильного назначения могут вы­держивать большие пусковые токи, поглощать боль­шое количество энергии, особенно при аварийном отключении нагрузки, и работать при температурах вплоть до 125°С.

Новой разработкой компании ЕРСОS являются варисторы серии ЕnеrgеtiQ, которые имеют квадратную, а не круглую форму. Эта конструкция обеспечивает максимальную защиту от тока перег­рузки при минимуме занимаемого пространства. Диапазон номинальных напряжений варисторов ЕnеrgеtiQ — от 130 до 680 В. Они идеальны для при­менения в миниатюрных устройствах или там, где очень важна габаритная высота (например, на полосковых линиях). Промышленные установки и уста­новки, находящиеся в зданиях, требуют защиты с еще более высоким уровнем ограничения по току перегрузки, например, для защиты от разрядов мол­ний. Для этой цели могут использоваться дисковые и ленточные варисторы, соединенные последова­тельно. Входной ток ограничивается ленточными варисторами серии L/LS 40. Уменьшенные токи, посту­пающие на линию, затем ограничиваются дисковыми варисторами. Ленточные варисторы се­рии L/LS 40 имеют более высокую перегрузочную способность по току, в частности 40 кА при форме импульса 8/20 мкс, и более высокую поглощающую способность вплоть до 550 Дж.

Компания ЕРСОS также предлагает широкий ассортимент мощных варисторов с диаметрами от 32 до 99 мм для фарфоровых или силиконовых разрядников и может поставлять необходимые типы этих варисторов для классов 1…5 в соответ­ствии со стандартом IЕС 60099-4.

Многослойные варисторы для поверхностного монтажа наиболее часто используются для защиты от электростатического разряда (ЕSD). Эти варисторы стали применяться по всему миру в качестве стандартных для ЕSD-защиты в мобиль­ной связи. Они выполняют все функции диода для подавления выбросов напряжения (Тгаnsient Vоltage Suppressor — ТVS) и имеют множество дополнительных преимуществ:

• Дальнейшая миниатюризация. Стандартная вер­сия варистора для поверхностного монтажа типо­размера 0603 является только третьей по размеру по сравнению с ТVS-диодами. Более того, функции фильтрации и защиты можно реализовать с по­мощью одного компонента, в результате общее ко­личество применяемых компонентов сокращается.
• Более низкая стоимость. Многослойные варисто­ры для поверхностного монтажа менее дороги, пос­кольку они являются двунаправленными компонен­тами. Для получения двунаправленной защиты с помощью ТVS-диодов необходимо использовать ли­бо два диода, либо соответственно больший по раз­мерам и более дорогой компонент, состоящий из двух элементов в одном корпусе.
• Меньшее время отклика. Благодаря уменьшенным размерам и многослойной конструкции, SMD-варисторы имеют более низкую паразитную индуктив­ность, что приводит к сокращению времени отклика до значения менее 0.5 не. Время отклика ТVS-дио­дов составляет от 0.8 до 3 мс.
• Экономия энергии. SMD-варисторы имеют суще­ственно более низкий ток утечки, чем диоды. Компа­ния ЕРСОS предлагает также версии с особенно низкими токами утечки, что очень важно для порта­тивной аппаратуры игровой электроники.
• Проще при использовании в разработках. SMD-ва­ристоры не подвержены влиянию окружающей температуры вплоть до 125°С, в то время как пара­метры ТVS-диодов ухудшаются при температуре свыше 25°С.
• Более легкая сборка. SMD-варисторы являются двунаправленными и симметричными компонента­ми, при автоматизированной установке которых нет необходимости обращать особое внимание на цоколевку, как при размещении диодов. Кроме того, ва­ристоры менее подвержены выходу из строя.

SMD-варисторы выпускаются в виде дискретных компонентов или матриц. В настоящее время ком­пания ЕРСОS предлагает варисторы типоразмеров 0403…2220.

Для рынка мобильных телефонов компания ЕРСOS разработала специальные многослойные варисторы, которые выполнены в корпусе типоразмера 0402 и осуществляют одновременно три функции: ЕSD-защиты в соответствии со стандартом IЕС 61000-1-4-2, Уровень 4 (контактное напряжение 8 кВ, грозовой разряд 15 кВ), ЕМС-фильтра для двухдиапазонных мобильных телефонов и подавления помех от несу­щей частоты, имеющей два конкретных значения — 1800 и 900 МГц. Еще один новый прибор в корпусе типоразмера 0402 — многослойный варистор с чрезвычайно низкой собственной емкостью, сос­тавляющей менее 3 пФ, который предназначен для использования в качестве антенного варистора с крайне низким вносимым затуханием в ВЧ диапазо­не. Кроме того, важным применением для данного варистора являются карманные компьютеры типа РDА и высокоскоростные линии передачи данных.

Помимо этой линии продукции, компания ЕРСОS разработала совершенно новую серию компонен­тов для защиты от импульсного перенапряжения — СеrаDiodes. Эти компоненты предназначены для современной аппаратуры бытовой электроники, где в некоторых случаях необходимо защищать от электростатического разряда более чем 80 интер­фейсов. Эта недорогая серия состоит из нескольких типов компонентов типоразмера 0603. Помимо этих дискретных компонентов, разрабатывается счетве­ренная матрица типоразмера 0612. Эти компоненты рассчитаны на напряжения от 5.6 до 22 В при емкос­тях от 2 до 470 пФ. Для обеспечения более надежной защиты от электростатического разряда вплоть до 25 кВ в системах, использующих высокоскоростные шины передачи данных, компания ЕРСОS разрабо­тала серию быстродействующих многослойных варисторов, имеющих низкую емкость и способных обеспечить высокий уровень ЕSD-защиты. Благода­ря своей низкой емкости эти варисторы предотвра­щают искажения сигналов на высокоскоростных ли­ниях передачи данных. Специальные типы варисторов были разработаны для эксплуатации при повышенных температурах вплоть до 150°С, например, для гибридных схем, расположенных близко к двигателю. Дополнительными преимуще­ствами данных компонентов являются их компакт­ные размеры, малое время отклика, составляющее менее 0.5 нc, и превосходная паяемость благодаря контактам, выполненным из Аg/Ni/Sn.

ЕМС-фильтры

Роль, выполняемая ЕМС-фильтрами в качестве защитных компонентов, становится все более важ­ной. Например, в промышленной электронике они защищают сети от помех, создаваемых преобразо­вателями и другим оборудованием, работающим на высоких частотах. Компания ЕРСОS предлагает не только самый большой в мире ассортимент ЕМС-компонентов, но также и полный набор услуг по обеспечению электромагнитной совместимости, включая услуги собственной аккредитованной ис­пытательной лаборатории. Кроме того, компания ЕРСОS работает вместе с 30 аккредитованными ис­пытательными центрами по всей Европе. В ближай­шем будущем это партнерство будет расширено до более чем 100 испытательных центров.

Заключение

Как крупнейший мировой поставщик защитных компо­нентов для электроники, компания ЕРСОS предлагает своим потребителям экономичные, надежные и иннова­ционные решения. Ассортимент компонентов для защи­ты включает:

• гибридные приборы (разрядник + варистор)
• ЕМС-фильтры на токи вплоть до 2500 А, предназначенные для всех типов сетей
• газонаполненные разрядники для защиты от перенапряжений
• NТС-термисторы, устройства защиты телекоммуникационной пары
• РТС-термисторы, в том числе для поверхностного монтажа
• дисковые варисторы с радиальными выводами, блочные варисторы, варисторы с ленточными выводами и мощные варисторы, варисторы серии АdvanсеD/SuperioR, специальные варисторы телекоммуникационного и автомобильного назначения, варисторы серии EnergetiQ
• SMD-варисторы, выполненные по многослойной технологии, специальные многослойные варисторы для мобильных телефонов, CeraDiodes, быстродействующие варисторы различных серий

http://epcos. com/products

терморезистор — патент РФ 2058053

Использование: в электронной технике, касается терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и может быть использовано для ограничения пусковых токов ламп накаливания. Сущность изобретения: терморезистор содержит керамическую основу с выводами. Основа представляет собой многокомпонентную шпинель и содержит карбонат марганца, карбонат кобальта и окись хрома. Керамическая основа изготовлена в форме диска с плоскими по всему диаметру диска металлизированными торцевыми поверхностями. Одна из указанных торцевых поверхностей металлизирована полностью, другая частично. Терморезистор ограничивает пусковые токи ламп накаливания и позволяет компенсировать негативное воздействие на лампу накаливания нестабильности питающего напряжения, а неполная металлизация одной из торцевых поверхностей диска терморезистора позволяет осуществить экономию дорогостоящего и остродефицитного металла (например, серебра). 2 ил.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

ТЕРМОРЕЗИСТОР, выполненный в виде диска, изготовленного на керамической основе, состоящей из композиционного материала на основе соединений металлов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, причем торцевые поверхности диска выполнены плоскими по всему диаметру диска и металлизированы, отличающийся тем, что одна из плоских торцевых поверхностей диска металлизирована полностью, а другая частично, при этом в качестве композиционного материала использована многокомпонентная шпинель, выполненная на основе карбоната марганца, карбоната кобальта и оксида хрома.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, в частности к производству терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, и может быть использовано для ограничения пусковых токов ламп накаливания.

Известен терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления [1] для ограничения пусковых бросков тока лампы накаливания, изготовленный на керамической основе из двуокиси ванадия. Для увеличения тепловой массы к контактам терморезисторов присоединены изоляторы (например, бериллиевая керамика) или проводящие материалы. Однако на терморезисторе в момент включения лампы выделяются мощности порядка 1-1,5 КВт, вызывающие его мгновенный разогрев до высокой температуры, вследствие чего в керамике на основе двуокиси ванадия возникают тепловые «нити накаливания» за счет локализации тока в существенно меньшем объеме, чем объем терморезистора, что отрицательно сказывается на электрических параметрах, механической прочности, надежности и безопасности терморезистора. Применение бериллиевой керамики или проводящих материалов для увеличения тепловой массы терморезистора усложняет его конструкцию, снижает надежность и приводит к удорожанию. Кроме того, увеличение массы терморезистора приводит к значительному увеличению потерь мощности на терморезисторе в пусковом и стационарном режимах, а следовательно, и к существенному спаду светового потока и световой отдачи лампы накаливания.

Наиболее близким по технической сущности является терморезистор того же назначения [2] изготовленный на керамической основе из оксидов металлов, имеющих отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Терморезистор выполнен в виде диска, помещенного в мягкий эластичный изоляционный материал, выдерживающий воздействие температуры, имеющий внутреннюю полость и два симметрично расположенных в ней отверстия меньшего диаметра для осуществления контакта терморезистора с лампой и патроном. Торцевые поверхности указанного диска полностью металлизированы и являются плоскими по всему диаметру диска.

Однако данная конструкция терморезистора не обеспечивает достаточного ограничения пусковых токов ламп накаливания.

В предлагаемом терморезисторе, изготовленном на керамической основе, состоящей из композиции металлов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, имеющей форму диска с плоскими по всему диаметру диска и металлизированными торцевыми поверхностями, одна из указанных торцевых поверхностей металлизирована полностью, другая частично, а керамическая основа представляет собой многокомпонентную шпинель (Cr_0,1Mn_0,9Co_2,0)O₄.

Поставленная задача, заключающаяся в создании терморезистора, практически полностью ограничивающего пусковые токи лампы накаливания, сведении к минимуму потерь мощности на терморезисторе в стационарном режиме горения лампы и обеспечении оптимального (для данной массы терморезистора) времени выхода лампы в рабочий режим решена без усложнения конструкции терморезистора с помощью технических средств, которыми является совокупность существенных признаков изобретения, включающая терморезистор в виде диска, имеющего плоские по всему диаметру диска и металлизированные торцевые поверхности, причем одна из указанных торцевых поверхностей металлизирована полностью, а другая частично, изготовленный на керамической основе, состоящей из композиционного материала, содержащего хром, марганец, кобальт.

Эти существенные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата, заключающегося в том, что практически полное ограничение пусковых токов лампы накаливания позволяет увеличить срок службы лампы в 2,5 раза (см. приложение 1), что является особенно важным в условиях дефицита ламп накаливания, кроме того, терморезистор позволяет компенсировать негативное воздействие нестабильности питающего напряжения, что также увеличивает срок службы лампы, к тому же неполная металлизация одной из торцевых поверхностей позволяет осуществить экономию дорогостоящего и остродефицитного металла (например, серебра).

Отличия изобретения от прототипа, включающие частичную металлизацию одной из торцевых поверхностей и полную металлизацию другой торцевой поверхности диска, имеющего керамическую основу, состоящую из композиционного материала, содержащего хром, марганец, кобальт, являются причиной достигаемого технического результата (следствия), что позволяет судить о наличии причинно-следственной связи.

На фиг.1 представлена конструкция терморезистора; на фиг.2 иллюстpирующая изменения тока лампы, включенной последовательно с терморезистором, для случаев полной (1) металлизации обеих торцевых поверхностей диска терморезистора и частичной (2) металлизация одной из торцевых поверхностей.

Терморезистор содержит керамическую основу, изготовленную в форме диска 1 с металлизированной по всему диаметру диска торцевой поверхностью 2 и торцевой поверхностью 3, металлизированной частично, выводы 4, присоединенные к металлизированным покрытиям торцевых поверхностей 2 и 3 диска 1. Терморезистор помещен в корпусе (не показан), который может быть выполнен из металла или мягкого эластичного изоляционного материала, выдерживающего воздействие температуры.

Полупроводниковый материал для терморезисторов должен не только ограничивать пусковые токи ламп, но и обладать повышенной стойкостью к тепловым и электрическим ударным нагрузкам. Указанным требованиям отвечают многокомпонентные шпинели на основе окислов кобальта, марганца хрома. Структурная формула применяемой шпинели (Cr_0,1Mn_0,9Co_2,0)O₄, хром 3,3; марганец 30; кобальт 66,7. Варьируя содержание компонентов в указанной системе, можно получать материал практически с любым заданным значением удельного сопротивления в диапазоне 25-10⁴ Ом^.см, обеспечивающий различные степени ограничения пусковых токов.

Для получения материала терморезистора используются карбонат марганца, карбонат кобальта и оксид хрома. Исходные материалы размельчаютcя и смешиваются в пропорциях, соответствующих структурной формуле шпинели. Терморезисторы изготавливаются по обычной керамической технологии: формовка, обжиг, металлизация контактных поверхностей, припаивание к диску выводов, покрытие заготовки защитной эмалью. Геометрические размеры терморезистора выбираются в зависимости от мощности лампы накаливания, с которой он будет использоваться.

Влияние состава шпинели на достигаемый технический результат можно проиллюстрировать следующей таблицей.

Частичная металлизация одной из торцевых поверхностей диска 1 позволяет без применения дополнительных изоляторов или проводящих материалов увеличить тепловую массу терморезистора и «состыковать» его параметры с параметрами лампы накаливания.

Предлагаемый терморезистор имеет следующие основные электрические параметры: сопротивление при 25^оС- 690 Ом, постоянная времени 170 с, максимальная рабочая температура 180^оС.

Терморезистор, имеющий при комнатной температуре сопротивление, равное 690 Ом, позволяет ограничивать пусковой ток лампы накаливания, к которой он подключен последовательно, в 8 раз, установив его превышение над рабочим током в 1,8 раза.

В стационарном режиме горения лампы мощностью 100 Вт терморезистор потребляет не более 2,6% от номинальной мощности лампы. Спад светового потока лампы при включении с терморезистором не превышает 6,5%

Проектирование с использованием термисторов

Применение датчиков температуры обычно относится к одной из трех основных категорий; мониторинг, управление или компенсация цепи, а также четыре типа датчиков; термопары, термисторы, датчики температуры сопротивления (RTD) и полупроводниковые датчики температуры. При выборе датчика необходимо учитывать некоторые ключевые характеристики, включая температурный диапазон, точность, время отклика, минимальное влияние температуры на измеряемый объект и тип требуемого преобразования сигнала. Другими факторами являются долговременная стабильность, механическая прочность и стоимость.

Неэтилированные термисторные диски NTC часто используются в многочисленных датчиках автомобильных двигателей для измерения температуры воздуха и охлаждающей жидкости. Диски расположены внутри наконечника корпуса, обычно под действием пружины для поддержания контактного давления.

В таблице сравниваются характеристики термистора с другими типами датчиков температуры и показано, что термисторные устройства по существу являются пассивными переменными резисторами и требуют тока возбуждения для создания выходного сигнала. Другими словами, вы не можете просто подключить вольтметр к выводам термистора, прикоснуться датчиком к горячему предмету и ожидать появления напряжения.

Термисторы имеют значительно более высокую чувствительность, чем большинство других датчиков, но они также менее линейны. Хотя специальные высокотемпературные датчики, такие как керамические термисторы на основе оксида хрома производства GE Sensing, могут работать при температурах до 1000 ^o C, обычные устройства имеют относительно узкий температурный диапазон и не являются оптимальным выбором, когда требуется долговременная точность. Однако термисторы обычно дешевле других датчиков и быстрее реагируют на изменения температуры.

Все датчики требуют линеаризации, но каждый в разной степени. Кроме того, для достижения высокой точности схема должна быть откалибрована с подключенным фактическим термисторным датчиком. Эти две задачи можно решить с помощью аналоговых преобразователей и схем калибровки, но они могут быть довольно сложными и требуют ручной калибровки. Если вместо этого используется цифровая схема, сигнал датчика оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а линеаризация и калибровка выполняются в программном обеспечении с минимальным участием оператора.

Основы работы с термисторами
Термисторы представляют собой твердотельные термочувствительные резисторы двух типов: с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и с положительным температурным коэффициентом (PTC). Как следует из названий, сопротивление термистора NTC обратно пропорционально температуре, тогда как сопротивление термистора PTC прямо пропорционально. Сопротивление на клеммах датчиков изменяется при изменении температуры корпуса термистора, которое может происходить из-за тепла окружающей среды, самонагрева из-за тока возбуждения или того и другого.

Термисторы PTC чаще всего используются для защиты цепи от перегрузки, по сравнению с устройствами NTC, которые используются в основном для измерения температуры и компенсации. В этой статье основное внимание уделяется устройствам измерения температуры, поэтому обсуждаются только термисторы NTC.

Сопротивление термистора NTC уменьшается с повышением температуры его тела, однако скорость изменения сопротивления не является линейной. Она максимальна на нижнем пределе температуры и постепенно уменьшается с повышением температуры.

Термисторы NTC представляют собой спеченную смесь оксидов металлов, включая никель, кобальт, марганец и иногда другие оксиды. Элементы формируются в виде шариков, чипсов, дисков, стержней или тонких пленок. Термисторы-шарики представляют собой капли полупроводниковой пасты, нанесенные на две проволоки из платинового сплава, спеченные при высокой температуре. Затем провода обрезаются, чтобы сделать отдельные термисторы. Чиповые и дисковые термисторы изготавливаются в виде тонкого листа материала (пластины) и спекаются при высокой температуре. Стороны посеребрены для крепления выводов, а пластины нарезаны на диски или чипсы. Стержневые термисторы просто выдавливаются.

Элементы термистора могут иметь стеклянную капсулу, эпоксидное покрытие или оставаться непокрытыми (голыми). Неизолированные термисторы быстрее реагируют, меньше по размеру и дешевле, но в них нет средств защиты от окружающей среды и механических воздействий. Эпоксидное покрытие может защитить устройство от окружающей среды, но немного замедляет время отклика и увеличивает стоимость. Стеклянная капсула обеспечивает герметичность, высоковольтную изоляцию и устойчивость к агрессивным средам. Долговременная стабильность деталей, герметизированных стеклом, обычно в десять раз выше, чем стабильность деталей с эпоксидным покрытием.

К монтажным элементам относятся неэтилированные диски, для которых требуются подпружиненные контакты, серебряные или золотые электроды для соединения проводов, а также приспособления для поверхностного монтажа, например, для микросхем SMD. Выводы могут быть осевыми или радиальными, неизолированными или изолированными, прямыми или изогнутыми. Осевые выводы и детали SMD предназначены для оборудования автоматической установки печатных плат и захвата. Устройства с радиальным выводом и неэтилированные диски хорошо подходят для датчиков температуры в сборе.

Неэтилированный дисковый термистор NTC (a.) обычно используется в датчиках температуры. Добавление радиальных выводов к дисковому термистору без покрытия (b) позволяет установить его на печатной плате. Покрытие дискового термистора эпоксидной смолой (c.) защищает его от окружающей среды. Микросхемные термисторы с эпоксидным покрытием и гибкими изолированными выводами идеально подходят для установки в условиях ограниченного пространства.
(Фотографии предоставлены GE Sensing & Inspection Technologies, Биллерика, Массачусетс.)

Тонкопленочные термисторы специального типа наносятся на керамическую или гибкую основу Kapton® толщиной всего несколько десятков тысяч дюймов. Они имеют низкие значения рассеяния и быстрое время реакции из-за их небольшой массы. Например, тонкопленочные термисторы NTC серии TF от Selco Products Company подходят для температурного диапазона от -50 ^o C до +90 ^o C и имеют показатель рассеяния 0,7 мВт/ ^o C с тепловой постоянной времени 2 с, оба в неподвижном воздухе. Они идеально подходят для измерения температуры воздуха и других газов, а также для датчиков в сборе.

Показатели точности сильно различаются для разных устройств в зависимости от приложения. Например, дисковые термисторы общего назначения обычно имеют допуски в диапазоне от ± 20 % до ± 2 %, а сменные термисторы могут иметь точность до ± 0,05 ^o C в узком диапазоне температур. Они доступны для замены датчика без повторной калибровки системы. Например, сверхточный взаимозаменяемый термистор PR103J2 компании U.S. Sensor представляет собой высокоточный и стабильный датчик, который соответствует кривой R-T термистора NTC J-типа с точностью ± 0,05·9. 0011 o C точность от 0 ^o C до 50 ^o C. Также доступны другие значения сопротивления от 2 кОм до 50 кОм.

Несколько терминов, связанных с термисторами, которые перечислены в каталогах и спецификациях, могут помочь вам выбрать детали:

• Сопротивление нулевой мощности , R _или , сопротивление постоянному току, указанное при определенной температуре и токе возбуждения. настолько мало, что самонагревом, вызванным рассеянием мощности, можно пренебречь. Эта особая температура называется стандартной эталонной температурой и обычно составляет 25°С.0011 o C.
• Коэффициент сопротивления Характеристика представляет собой отношение измерений сопротивления при нулевой мощности, выполненных при двух определенных температурах. Обычно это отношение сопротивления при 25 ^o C к сопротивлению при 125 ^o C.
• Термическая постоянная времени , τ, представляет собой время в секундах, необходимое для того, чтобы термистор, рассеивающий нулевую мощность, изменил свое значение. температура тела 63,2% от общего изменения температуры в ответ на ступенчатое изменение температуры окружающей среды. Этот параметр характеризует скорость, с которой термистор может реагировать на быстрые изменения температуры, и помогает сравнивать время отклика различных устройств.
• Постоянная рассеяния , δ, представляет собой отношение изменения рассеиваемой мощности термистора к изменению температуры тела термистора. Измеряется в мВт/ ^o C и указывается при определенной температуре. Как τ, так и δ сильно зависят от измеряемого объекта или среды. Например, постоянная рассеяния термистора со сменной микросхемой GE типа DC95 составляет 8 мВт/ ^o °C в перемешиваемом масле, но только 1 мВт/ ^o °C в неподвижном воздухе. Тепловая постоянная времени составляет 1 секунду в перемешиваемом масле, но в десять раз больше в неподвижном воздухе.
• Максимальная номинальная мощность — еще одна характеристика, связанная с рассеиваемой мощностью. Это максимальная мощность в мВт при температуре окружающей среды 25 ^o C, которую термистор может рассеивать в течение длительного периода времени без ухудшения своих характеристик. Это значение должно быть снижено в зависимости от температуры окружающей среды.
• Температурный коэффициент сопротивления нулевой мощности (TCR), α, представляет собой отношение скорости изменения сопротивления нулевой мощности в любой температурной точке, T, к сопротивлению нулевой мощности в этой точке:

α _T = 1/R _T (dR _T )/(dT)

Где:
α _T = температурный коэффициент сопротивления при температуре T,
Ω / 1 Ω C009 , или %/ ^o C
R _T = сопротивление при температуре T, Ом
dR _T = изменение сопротивления, Ом
dT = изменение температуры, °C

Другой способ выражения температурного коэффициента:

α _T = – Б/Т ²

Где:

B = постоянная материала, ^o K
T = температура, ^o K

К сожалению, температурные коэффициенты термисторов сильно нелинейны во всем рабочем диапазоне, что означает, что сам коэффициент несколько зависит от температуры. . Коэффициент имеет самое высокое значение при самом низком температурном пределе и постепенно уменьшается по мере повышения температуры. Одно значение конкретного коэффициента может работать для узкого диапазона температур, но чаще всего схемы термисторных измерений должны быть линеаризованы, чтобы охватить большие колебания температуры.

Просто добавив один резистор последовательно с термистором, можно линеаризовать кривую зависимости выходного напряжения от температуры. Если требуется линеаризация сопротивления в зависимости от температуры, резистор следует подключить параллельно термистору.

Цепи для линеаризации термисторных выходов могут состоять из последовательных, параллельных и последовательно-параллельных комбинаций постоянных резисторов и дополнительных термисторов. Простейшая схема представляет собой параллельный резистор, номинал которого можно рассчитать по следующему уравнению:

R = [R _TM (R _TL + R _TH ) — 2R _TL R _TH ] / [R _TL + R _TH — 2R _TM ]]

Где:

R = значение параллельного резистора, Ом
R _TL = сопротивление термистора при самой низкой температуре T _L , ?
R _TH = сопротивление термистора при самой высокой температуре T _H , Ом
R _TM = сопротивление термистора при средней температуре T _M , Ом
Температура средней точки TM = (TL + TH) / 2, °C

Простые схемы двухпозиционного регулирования температуры и приложения с узким диапазоном температур и слабыми требованиями к точности обычно не требуют линеаризации. Обычно достаточно простой схемы моста Уитстона. Другим примером, не требующим аппаратной линеаризации, является цифровая схема измерения температуры, в которой линеаризация выполняется программно.

Простая схема контроля температуры включения/выключения может быть разработана с использованием термистора в одном плече моста Уитстона. Резисторы R1, R2 и R3 должны иметь низкий температурный коэффициент и быть точно подобранными, чтобы гарантировать точность.

Условия эксплуатации
Определенные условия эксплуатации могут значительно снизить точность или надежность измерений, и их следует избегать. Например, самонагрев может стать скрытой ошибкой точности. Термисторы выделяют собственное тепло, когда их ток возбуждения слишком высок. Мощность, развиваемая им от тока возбуждения и собственного сопротивления (P = I ² Ом), может заметно поднять температуру корпуса термистора над окружающей средой. Детали с большой постоянной теплоотдачи d, монтаж с низким тепловым сопротивлением и другие средства лучшего рассеивания тепла будут иметь меньший рост температуры. Но основной способ избежать чрезмерного самонагрева — поддерживать ток возбуждения на как можно более низком уровне.

Большинство ошибок измерения и преждевременных отказов часто происходят из-за небрежной установки и эксплуатации. Например, несмотря на то, что термисторы считаются прочными устройствами, будьте осторожны, чтобы не треснуть корпус, не разъединить соединение или не превысить верхний предел температуры.

Наконец, старение — это явление, которое часто упускают из виду, и если его не учитывать в графике технического обслуживания, это может привести к потере точности калибровки после продолжительных периодов использования. Это проявляется в виде дрейфа эффективного сопротивления клемм термистора с течением времени из-за медленно изменяющихся сопротивлений в объемном материале и в контактных зонах между выводами и материалом термистора.

Для получения дополнительной информации:
Обратитесь к John Gyorki на Engineering Exchange,
www.engineeringexchange. com

www.omega.com
www.gesensing.com
Industrial.panasonic.com
www.murata.com
www.ussensor .com
www.vishay.com
www.selcoproducts.com
www.thermosensors.com
www.jumoplus.com

---

Рубрики: Датчики (температура), Тест + измерение • Тестовое оборудование

 

---

Silicon PTCs Устранение проблем с конструкцией термисторов

Температура является наиболее часто измеряемой физической величиной, и термистор является одним из самых популярных датчиков для ее измерения. Термисторы — слияние слов «тепловой» и «резистор» — могут быть изготовлены из самых разных материалов. Их основной физический принцип прост: сопротивление зависит от температуры в несколько предсказуемой и повторяемой зависимости. Кроме того, поскольку термистор электрически выглядит как резистор, его измерение может показаться обманчиво простым: подходящий интерфейс схемы требует лишь довольно простой топологии.

Однако использование термистора для последовательного и точного измерения температуры включает в себя матрицу решений, связанных с приводом источника напряжения или тока, одно- и многоточечной калибровкой, диапазоном и диапазоном, а также последствиями использования различных материалов термистора. В этой статье будут рассмотрены и объяснены проблемы с термисторами, варианты решений и компромиссы. Образцы устройств от Murata Electronics будут использованы для объяснения принципа их работы, характеристик образцов и их применения. В статье также будет представлено и показано, как новое семейство термисторов от Texas Instruments устраняет некоторые недостатки термисторов.

Так много вариантов измерения

Конструкторы имеют множество вариантов контактных датчиков температуры: термисторы, резистивные датчики температуры (RTD), твердотельные источники тока и термопары. Каждый из них имеет различное сочетание атрибутов по ключевым параметрам, включая температурный диапазон, линейность, точность, чувствительность, энергопотребление, внешние схемы, интерфейсы и стоимость (таблица 1). Не существует «идеального» датчика температуры, поскольку каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны по сравнению с другими по этим параметрам.

Таблица 1: Это сравнение четырех наиболее распространенных типов контактных датчиков температуры показывает их относительные характеристики. Термисторы обладают наилучшей чувствительностью, борются с линейностью, но обычно требуют относительно простой внешней схемы. (Источник таблицы: Digi-Key Electronics)

Хотя термистор имеет несколько худшую линейность и часто требует калибровки на единицу измерения, тем не менее, он является очень широко используемым датчиком температуры. Электрически он выглядит как простой двухконтактный резистор, а его измеренное сопротивление является монотонной функцией измеряемой температуры. Из-за своей популярности он доступен во многих классах и типах корпусов, включая проволочные выводы и технологию поверхностного монтажа (SMT).

Характеристики и параметры термистора

Как и у любого датчика, у термистора есть некоторые параметры высшего уровня, которые разработчики должны учитывать при выборе или использовании одного из них. Некоторые из них могут показаться неинтуитивными или несовместимыми с обычными представлениями датчиков, но ими можно управлять, уделяя должное внимание деталям.

Термисторы бывают двух основных типов (рис. 1). Один обычно сделан из поликристаллической керамики и имеет отрицательный температурный коэффициент (NTC), а его сопротивление уменьшается с температурой. Другой называется термистором с положительным температурным коэффициентом (PTC) и обычно изготавливается из полупроводникового материала. PTC, как следует из названия, имеет положительный температурный коэффициент. Обратите внимание, что кривые устройств PTC и NTC не являются дополнительными «зеркальными изображениями». Вместо этого каждый из них имеет свою собственную кривизну.

Рис. 1. Термисторы NTC и PTC имеют противоположные и некомплементарные кривые зависимости сопротивления от температуры, и обе они сильно нелинейны. Обратите внимание, что шкала слева — это относительное сопротивление, а не абсолютное. (Источник изображения: Ametherm, Inc.)

Один из очевидных вопросов заключается в том, какой термистор использовать в данном приложении: термистор с положительным температурным коэффициентом или с отрицательным температурным коэффициентом. В некоторых случаях выбор не так важен, как соответствие характеристик отдельного устройства требованиям приложения. В целом, устройство NTC лучше подходит для точных измерений. Напротив, термисторы с положительным температурным коэффициентом обычно используются для ограничения тока или переключения из-за их быстрого, характерного увеличения сопротивления, начиная с определенной температуры, известной как точка Кюри. Однако новый класс устройств PTC расширяет область применения устройств PTC. Подробнее об этом позже.

Существует еще одна ситуация, когда выбор между устройствами PTC и NTC может оказаться критическим. Если термистор используется непосредственно в конфигурации аналоговой обратной связи с обратной связью для поддержания переменной уставки, наклон изменения сопротивления в зависимости от температуры является критическим и зависит от конфигурации контура управления.

Например, если термистор является частью контура, используемого для поддержания заданного значения температуры путем управления током, подаваемым на нагревательный элемент, его сопротивление должно увеличиваться с повышением температуры, чтобы уменьшить ток, протекающий к нагревателю; таким образом, термистор PTC является подходящим выбором. Конечно, если устройство NTC предпочтительнее по другим причинам, кажущуюся крутизну можно изменить с помощью операционного усилителя, сконфигурированного как инвертирующий буфер.

Историческая справка. В первом коммерческом продукте Hewlett-Packard, классическом звуковом генераторе модели 200A, запатентованном в 1942 году, использовался большой PTC нити накала лампы накаливания в цепи отрицательной обратной связи для стабилизации выходной амплитуды усилителя. Хотя это и не термистор в формальном смысле, нить накала действовала как единое целое, и топология самокорректирующейся цепи была главным новшеством того времени.

Основные рабочие параметры термистора включают:

• Номинальное сопротивление при 25°C. Термисторы изначально классифицируются по их номинальному значению при этой температуре в руководствах по выбору поставщиков. Они могут быть изготовлены со многими различными значениями сопротивления при этой температуре путем изменения их конкретного состава. Доступны термисторы с номинальным сопротивлением от 10 Ом (Ом) до одного мегаома (МОм). В большинстве приложений используются термисторы с номиналом от 100 Ом до десяти кОм (кОм) при 25°C.

• Чувствительность, более подробное описание температурного коэффициента. Этот параметр не является константой, а зависит как от самой температуры, так и от состава термистора. Его подробное определение является ключевым фактором в техпаспорте. Это также один из факторов, усложняющих выбор и эффективное использование термистора по сравнению с другими датчиками с постоянными или почти постоянными значениями температурного коэффициента (tempco) во всем их диапазоне.

Низкое значение чувствительности может повлиять на точность измерения температуры. В общем, термисторы NTC имеют очень высокую чувствительность при низких температурах из-за их экспоненциально нелинейного уменьшения сопротивления. Однако при высоких температурах их чувствительность резко снижается, что может привести к неверным показаниям температуры в сочетании с высоким допуском сопротивления. Однако высокая чувствительность также может привести к выходу за пределы диапазона и насыщению аналогового входного каскада (AFE) и соответствующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП), если термистор измеряет широкий диапазон. Таким образом, существует компромисс между чувствительностью и диапазоном, которым необходимо управлять.

Температурный коэффициент альфа (α или A) определяется как наклон кривой сопротивления (R) в зависимости от температуры в данной точке и рассчитывается по уравнению 1:

 Уравнение 1

Где α выражается в % на °С.

Однако альфа сама по себе не является постоянной величиной, а зависит от положения термистора на кривой. Чтобы лучше его охарактеризовать, в отрасли определен еще один постоянный коэффициент бета (β или B), называемый индексом чувствительности или константой используемого материала. Чтобы получить грубую аппроксимацию R как функции температуры в определенном поддиапазоне, используется уравнение 2:

Уравнение 2

β используется для построения более точной кривой зависимости сопротивления от температуры, а такая спецификация, как «3380 25/50», указывает на константу β, равную 3380, в диапазоне температур от 25°C до 50°C.

• Другие параметры включают тепловую постоянную времени (TTC), которая представляет собой время, необходимое для того, чтобы значение термистора достигло 63% разницы между старой и новой температурами. Существует также постоянная теплового рассеяния (TDC), связанная с неизбежным самонагревом, возникающим в результате прохождения тока через термистор. TDC — это мощность, необходимая для повышения температуры термистора на 1°C, и указывается в милливаттах на ˚C (мВт/°C). В общем, рассеиваемая мощность должна быть как можно меньше, чтобы предотвратить самонагрев и последующие ошибки.

Например, Murata NCP15Xh203J03RC представляет собой термистор для поверхностного монтажа в масштабе микросхемы, доступный в корпусах 0805, 0603 и 0402, размер самого маленького из которых составляет всего 1,0 × 0,5 миллиметра (мм). Критический параметр β имеет одинаковое значение для каждого размера. Основные параметры этого устройства 10 кОм/25°C приведены в Таблице 2, в которой указаны значения β в разных диапазонах; соответствующая диаграмма также показывает эту информацию в зависимости от температуры на рисунке 2.

Таблица 2. Наиболее важные характеристики при оценке термистора, такого как Murata NCP15Xh203J03RC, включают его номинальное сопротивление при 25 °C, допуск и значения B в ключевых температуры. (Источник таблицы: Murata Electronics)

Рисунок 2: Этот график связывает β (B), температуру и коэффициент R/R25 в диапазоне от -20°C до +120°C для Murata NCP15Xh203J03RC. (Источник изображения: Murata Electronics)

Обратите внимание, что для термисторов — как и для почти любого компонента, независимо от того, насколько простым он кажется на первый взгляд или как мало у него выводов — существует множество других первичных, вторичных и даже третичных спецификаций уровня. учитывать. Для термисторов многие из них относятся к начальным допускам различных спецификаций, а также к температурным коэффициентам этих спецификаций.

Управление термистором и определение его сопротивления

Поскольку это датчик на основе сопротивления, управлять термистором и определять его сопротивление в принципе достаточно просто. В отличие от датчиков температуры с источником напряжения, таких как термопары, термистору требуется умеренное возбуждение напряжением или током для измерения его сопротивления. Самый простой подход — использовать базовый источник постоянного напряжения и схему делителя напряжения (рис. 3). Выходное напряжение (V _TEMP ) можно рассчитать по уравнению 3:9. 0003

Уравнение 3

Рис. 3: Простой источник напряжения и резистивный делитель напряжения — это все, что в принципе необходимо для измерения сопротивления термистора, соответствующего V _TEMP . (Источник изображения: Texas Instruments)

На практике, конечно, часто лучше использовать логометрическую или мостовую топологию, чтобы свести к минимуму влияние источника питания и изменения сопротивления смещения.

Альтернативный вариант, предпочтительный во многих конструкциях при измерении сопротивления и изменений сопротивления, заключается в использовании источника постоянного тока (рис. 4). Здесь В _TEMP можно рассчитать по уравнению 4:

Уравнение 4

(Источник изображения: Texas Instruments)

Это обеспечивает превосходную линейность и лучший контроль над чувствительностью напряжения на термисторе.

Следующая проблема связана с AFE, который обрабатывает напряжение на термисторе. Для пороговых и переключаемых приложений он может быть направлен через компаратор для перехода выхода с высокого уровня на низкий или наоборот.

Ситуация усложняется, если требуется фактическое значение температуры, как это часто бывает. Теперь необходимо решить вопросы калибровки и коррекции нелинейного поведения термистора. Выход NTC и большинства термисторов PTC в некоторой степени предсказуем и сильно нелинейен и характеризуется кривой, предоставленной поставщиком, определяющей зависимость сопротивления от температуры для данного типа термистора.

У разработчиков есть несколько вариантов преобразования показаний напряжения, представляющих сопротивление, в точное значение температуры:

• Разработчики могут использовать ступенчатый массив из нескольких термисторов, каждый из которых покрывает небольшую зону общего температурного диапазона, для создания кусочно-линейной аппроксимации. Кроме того, путем добавления резистора к каждому термистору линейность каждого термистора несколько улучшается, но за счет стоимости компонентов, места на плате, управления запасами и мощности (рис. 5).

Рис. 5. Независимо от того, используется ли источник напряжения или тока для управления термистором, добавление параллельного резистора улучшит его линейность, но приведет к ухудшению спецификации компонентов и энергопотребления. (Источник изображения: Texas Instruments)

• Они могут реализовать кусочно-линейную аппроксимацию в программном обеспечении, где общий диапазон делится на множество более мелких диапазонов. Затем программное обеспечение может использовать простое линейное уравнение с соответствующими коэффициентами для линеаризации и корректировки показаний по каждому сегменту. Этот подход требует умеренного количества ресурсов процессора и времени, а также умеренных потребностей в памяти.

• Они могут построить справочную таблицу (LUT), которая перечисляет сопротивление в зависимости от фактической температуры. При этом используются минимальные ресурсы процессора и время, но больше памяти пропорционально степени детализации справочной таблицы. Интерполяция может уменьшить требования к памяти при скромных вычислительных затратах.

• Наконец, система может использовать сложное уравнение аппроксимации кривой, которое использует минимум памяти, но значительные вычислительные ресурсы.

Например, коррекцию показаний термисторов NTC можно выполнить с помощью классического уравнения Стейнхарта-Харта, уравнения аппроксимации кривой, которое точно представляет кривую R-T термистора, показанную в уравнении 5:

Уравнение 5

Где T — температура в Кельвинах, R — расчетное значение сопротивления, A, B и C — расчетные коэффициенты, определенные разработчиком или предоставленные поставщиком термистора; по понятным причинам это называется «калибровкой по трем точкам».

Из вышеизложенного становится ясно, что различные подходы к коррекции требуют компромиссов между схемами и компонентами, требуемой памятью и вычислительными ресурсами.

Выбор диапазона сопротивления термистора

Выбор термистора с оптимальным сопротивлением в интересующем диапазоне температур является одной из проблем при использовании этих устройств. В некотором смысле это аналогично выбору резистора для измерения тока шунтирующего резистора, но в других отношениях это совершенно другое.

Цель состоит в том, чтобы выбрать резистивное устройство таким образом, чтобы падение напряжения на нем было максимальным, которое цепь может выдержать без перегрузки. Это максимизирует динамический диапазон, эффективное разрешение и отношение сигнал/шум (SNR). Для токового шунта с его постоянным резистором зависимость тока от напряжения, очевидно, является линейной. Тем не менее, использование резистора большего номинала для соответствия этому интервалу также приводит к большему самонагреву при заданном уровне тока, что представляет собой потерю мощности, а также вызывает повышенный самонагрев датчика.

Тем не менее, аналогия с шунтирующим резистором/термистором также имеет отличия. В случае токоизмерительного шунта сопротивление известно, а ток неизвестен. Для термистора ситуация обратная: ток от источника тока или напряжение от источника напряжения известны, но сопротивление является неизвестной величиной. Поскольку сопротивление термистора является нелинейной функцией, оно может внезапно и резко увеличиться, что приведет к увеличению напряжения на нем, возможно, выше допустимого значения. Это особенно касается термисторов с положительным температурным коэффициентом, когда они приближаются к своей температуре точки Кюри. Вкратце: расположение термистора не так четко ограничено, как конструкция шунтирующего резистора для измерения тока.

Допуск и дрейф чувствительности также являются факторами. Термисторы имеют относительно большие допуски по сравнению с номинальными значениями их различных параметров, поэтому любое моделирование должно включать анализ как со среднеквадратичными (среднеквадратичными), так и со спецификациями для наихудшего случая, чтобы гарантировать, что производительность остается в пределах возможностей схемы и пределов погрешности.

Новый термистор PTC устраняет давние проблемы

Разработчики сталкиваются с противоречивыми проблемами, которые необходимо учитывать при использовании термисторов. С одной стороны, они недороги, имеют простую схему интерфейса и небольшие размеры; все полезно для размещения и отзывчивости. С другой стороны, их проблемы с калибровкой и точностью могут служить аргументом против их использования, поскольку они требуют значительных усилий при проектировании и требуют ресурсов процессора для получения достаточных показаний для большинства конструкций. В зависимости от надежности выполнения подходов к решению этих проблем погрешность может легко варьироваться от ±2°C до удвоенного значения.

Эта ошибка допустима в широком диапазоне приложений, но есть также много приложений, где эта ошибка недопустима. Если вернуться назад, основные проблемы использования термисторов заключаются в их крайне нелинейной температурной чувствительности, наряду с присущими им допусками и дрейфом технических характеристик. Эта комбинация часто приводит к трудным компромиссам и компромиссам, которые видны в анализе моделирования.

Новое семейство термисторов PTC на основе кремния от Texas Instruments, типичным примером которого является TMP6131DYAR, значительно снижает многие из этих проблем. Он расширяет область применения термисторов, поскольку обеспечивает линейность и постоянную чувствительность в зависимости от температуры (рис. 6).

Рис. 6. Линейный термистор PTC TMP6131DYAR на кремниевой основе от Texas Instruments обеспечивает линейность и постоянную чувствительность в зависимости от температуры. (Источник изображения: Texas Instruments)

Этот термистор ±1%, 10 кОм (при 25°C) предлагается в вариантах корпуса 0402 и 0603 с малой тепловой массой для быстрого срабатывания, а его работа с низким энергопотреблением сводит к минимуму самонагрев, несмотря на свой небольшой размер. TMP6131DYAR рассчитан на работу в диапазоне от -40°C до +125°C и поэтому подходит для подавляющего большинства приложений. Он также доступен в классе автомобильных устройств, что имеет смысл, поскольку все автомобили EV/HEV/ICE имеют большое количество «скрытых» температурных точек, которые необходимо обнаруживать и контролировать.

Кроме того, эти линейные термисторы на основе кремния имеют гораздо более стабильный допуск сопротивления благодаря составу материала и постоянной чувствительности сопротивления. Например, типичный термистор NTC имеет гораздо больший допуск сопротивления при отклонении от 25 ° C, чем указано в его техническом описании при этой температуре. В некоторых случаях допуск сопротивления может увеличиваться с ±1% при 25°C до ±4% и более при -40°C и 150°C.

Напротив, эти линейные термисторы на основе кремния имеют гораздо более стабильные значения чувствительности, что позволяет проводить стабильные измерения во всем диапазоне температур. Эта характеристика показана довольно линейной кривой R-T TMP6131DYAR на рисунке 7.

Рис. 7. В отличие от других термисторов PTC, TMP6131DYAR имеет почти линейную кривую зависимости температуры от сопротивления. (Источник изображения: Texas Instruments)

Дополнительным преимуществом этого более линейного поведения является то, что сложность уравнения Стейнхарта-Харта не требуется для дополнительной калибровки этих термисторов на основе кремния для достижения улучшенных характеристик. Вместо этого калибровку можно выполнить, используя гораздо более простую формулу полиномиальной регрессии четвертого порядка (уравнение 6), которая значительно снижает нагрузку на обработку.

Уравнение 6

Где T — температура в градусах Цельсия, R — расчетное значение сопротивления, а A (0–4) — заданные полиномиальные коэффициенты.

Сравнительные характеристики традиционных термисторов с отрицательным температурным коэффициентом по сравнению с кремниевыми термисторами с положительным температурным коэффициентом показаны в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительные характеристики кремниевых термисторов с положительным температурным коэффициентом от TI показывают явные преимущества по сравнению с обычными термисторами с отрицательным температурным коэффициентом. (Источник таблицы: Texas Instruments)

Подготовка и запуск TMP6131DYAR

Термисторы относительно легко подключить в цепь, но они все равно требуют оценки для точной настройки их характеристик в соответствии с задачами приложения. Чтобы ускорить этот процесс, Texas Instruments предлагает TMP6EVM, прототип оценочного модуля (EVM) для TTMP6131DYAR (рис. 8). Подробное руководство пользователя описывает характеристики, работу и использование оценочной платы, которая также включает в себя многострочный ЖК-дисплей, поэтому он может легко отображать сообщения для пользователя в режимах настройки и оценки.

Рис. 8. Оценочный модуль TMP6EVM для термисторов, таких как TMP6131DYAR, упрощает их адаптацию для использования в конкретном целевом приложении. (Источник изображения: Texas Instruments)

Блок-схема модуля EVM дает более четкое представление о том, что он обеспечивает на рисунке 9.

Рисунок 9: Блок-схема оценочного модуля TMP6EVM показывает его автономную конструкцию, включая ЖК-дисплей. для взаимодействия с устройством. (Источник изображения: Texas Instruments)

В дополнение к оценочной плате компания TI также предлагает загружаемый Инструмент для проектирования термисторов, который предлагает полное вычисление таблицы зависимости сопротивления от температуры (таблица R-T), другие полезные методы определения температуры и пример C-кода.

Заключение

Термисторы являются широко используемыми, простыми в подключении, универсальными датчиками для измерения температуры. Однако присущие им нелинейность, допуски и дрейфы означают, что разработчики должны тщательно изучить свои таблицы данных, определить приемлемые диапазоны, смоделировать их производительность и границы ошибок, а также внедрить схему калибровки.

Однако такие устройства, как TMP6131DYAR от Texas Instruments, обеспечивают решение PTC на основе кремния для широко используемого диапазона от -40°C до +125°C и делают это с достаточной линейностью и жесткими допусками. Таким образом, они сводят к минимуму многие проблемы, связанные с выбором и развертыванием обычных термисторов NTC или PTC.

Статьи по теме (Digi-Key):

1. Активные и пассивные датчики температуры: разработчикам нужно тщательно выбирать
2. Быстрое создание точной схемы измерения температуры на основе термистора
3. Эффективное измерение температуры в приложениях IoT с использованием твердотельной технологии
4. Получите высокоточные многоканальные измерения температуры независимо от окружающей среды

Каталожные номера:

1. Texas Instruments, «Измерение температуры с помощью термисторов»
2. Texas Instruments, «Повышение точности измерения температуры в системах мониторинга батарей»
3. Ametherm, Inc.