Пожалуй, самый распространённый пассивный элемент в электротехнике и электронике – постоянный резистор. Его сопротивление в идеале постоянно. Наряду с этим, применение находят и компоненты, чьи характеристики зависят от внешних условий (освещения, приложенного напряжения, температуры и т.п.). В эту категорию входят терморезисторы.
- Определение термистора и принцип его работы
- Состав
- Виды термисторов
- Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
- Диапазон эксплуатационных температур
- Способ подогрева
- Маркировка и графическое обозначение на схеме
- Где применяют терморезисторы
- Основные характеристики
- Преимущества и ограничения
- Подключение в схемы и системы
- Как проверить термистор на работоспособность
Определение термистора и принцип его работы
Терморезистором (термосопротивлением) называется пассивный электронный компонент. Его определяющей характеристикой служит сопротивление, которое зависит от уровня нагрева элемента. Иными словами, при разных температурах сопротивление терморезистора будет различным.
Состав
Термосопротивления изготавливают из материалов, сопротивление которых зависит от степени нагрева. Это могут быть:
- легированные полупроводники;
- оксиды переходных металлов;
- стеклообразные полупроводники;
- другие материалы.
Сочетая компоненты с различными свойствами, можно получить терморезисторы с разными температурными характеристиками.
Виды термисторов
Классифицировать термозависимые резисторы можно по разным параметрам.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
По этому параметру элементы делятся на две группы:
- С положительным ТКС (PTC).
- С отрицательным ТКС (NTC).
У первой категории при повышении температуры сопротивление растет. У второй группы сопротивление при увеличении температуры падает.
Терморезисторы с положительным ТКЕ еще называют позисторами, а элементы с отрицательным ТКС называют термисторами, хотя часто этот термин употребляют в более широком плане применительно ко всем термосопротивлениям.
Диапазон эксплуатационных температур
Каждый терморезистор может работать только в диапазоне температур, определяемом его конструкцией:
- сверхнизкотемпературные – работают в области абсолютного нуля;
- низкотемпературные – рабочая область не выше минус 100 градусов С;
- среднетемпературные – от минус 100 до +236 градусов С;
- высокотемпературные – выше +236 градусов;
- сверхвысокотемпературные — +600..+1000 градусов С.
В бытовой и любительской аппаратуре практически всегда применяются среднетемпературные терморезисторы.
Способ подогрева
По этому параметру терморезисторы бывают двух видов:
- С прямым подогревом.
- С косвенным подогревом.
Элементы первого типа нагреваются от окружающей среды или от тепла, выделяющегося при прохождении тока через сам элемент. Вторая группа термосопротивлений имеет встроенную спираль для нагрева.
Существуют и другие параметры, по которым классифицируются терморезисторы — по конструкции, степени защиты, материалу и т.п.
Маркировка и графическое обозначение на схеме
Основой общего обозначения терморезистора на схеме служит УГО обычного резистора. К нему добавлен знак зависимости сопротивления от температуры. Иногда показывают дополнительную характеристику – знак ТКС, наличие косвенного подогрева и т.д.
В зарубежных схемах иногда значок температуры опускают, а на схеме добавляют буквенное обозначение NTC или PTC. Иногда применяют стрелочные обозначения. Так, разнонаправленные стрелки символизируют отрицательный ТКС – при росте температуры сопротивление уменьшается (и наоборот). У позисторов стрелки направлены в одну сторону.
Для отечественных терморезисторов принята составная маркировка:
- буквенная часть означает тип ТКС терморезистора (ТР – отрицательный ТКС, ТРП – положительный);
- первая цифра – материал, из которого изготовлен элемент;
- следующая цифра – номинальное сопротивление или порядковый номер изделия;
- последняя цифра – допуск в процентах (не всегда указывается).
Например, ТР-2-33 кОм – терморезистор с отрицательным ТКС, на медно-марганцевой основе с номиналом 33 кОм.
Можно встретить и устаревшие обозначения, содержащие информацию о материале, из которого изготовлен элемент, например КМТ – кобальт-марганцевое термосопротивление.
У импортных терморезисторов общий стандарт маркировки отсутствует (да и отечественные производители не всегда его придерживаются). Каждая фирма-изготовитель может применять свои правила. Например, Philips зачастую просто указывает каталожный номер изделия. Также широко применяется стандартная цифровая маркировка в виде колец или точек, в зависимости от типа корпуса. У элемента, приведенного на фото, указан тип ТКС (NTC), номер по классификации производителя (12D) и диаметр (20 мм).
Где применяют терморезисторы
Самое очевидное применение резисторов, сопротивление которых зависит от температуры – измерение температуры. Замеряя сопротивление, можно определить температуру элемента (и окружающих предметов). В этом случае используется нагрев термосопротивления от окружающей среды.
Используя прямой нагрев (когда элемент нагревается проходящим через него током), можно реализовать защиту от переходных процессов. В этих случаях применяются термосопротивления с отрицательным ТКС. При пуске электродвигателей, при зарядке конденсаторов в начальный момент времени ток может достигнуть значительных величин и повредить элементы цепи. Но если последовательно с нагрузкой включить NTC, то на первом этап он будет иметь большое сопротивление и ограничит ток. ПО мере разогрева его сопротивление будет падать, влияние на цепь уменьшаться. После прогрева сопротивление уменьшится до незначительных величин, но к этому моменту переходные процессы уже закончатся.
А позисторы можно использовать для организации тепловой защиты. Например, при перегрузке или заклинивании электродвигателя возникают большие токи. Резистор с положительным ТКС в нормальном режиме не будет заметно влиять на ток в цепи питания, но при появлении сверхтока нагреется, сопротивление увеличится и действие короткого замыкания ограничится.
Кроме того, терморезисторы с различным ТКС применяют для создания инфранизкочастотных генераторов, измерения мощности СВЧ-излучения, для температурной компенсации режимов активных элементов и для многих других целей.
Основные характеристики
К основным параметрам термисторов, как представителей класса резисторов, относят:
- номинальное сопротивление (при +20 или +25 градусах);
- рассеиваемую мощность.
Имеются и специфические характеристики – например, температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр показывает, насколько изменяется сопротивление элемента при изменении температуры на 1 градус С. Чем выше ТКС, тем чувствительнее элемент, но, как правило, уже диапазон рабочих температур – этот параметр также важен при выборе. Для позисторов важной характеристикой служит опорная температура – точка перелома характеристики, определяющая рабочую зону элемента.
Во многих случаях важно знать и рабочие напряжения элементов – номинальное и максимальное.
Преимущества и ограничения
К преимуществам термосопротивлений относят:
- Широкий рабочий температурный диапазон.
- Достаточно высокую точность измерений.
- Отсутствие механических движущихся частей.
- Относительную дешевизну.
- Простоту использования.
- Низкую тепловую инерционность, обеспечивающую быстродействие.
К основным же минусам можно отнести значительную нелинейность характеристик, а также склонность к старению.
Подключение в схемы и системы
Для работы в схемах ограничения и защиты термистор подключается последовательно с защищаемой нагрузкой. В компьютерных импульсных блоках питания термисторы ограничивают ток заряда фильтрующих конденсаторов. Без термосопротивления повышенный ток пойдет через входные цепи и диоды выпрямительного моста. Чтобы предотвратить их выход из строя, надо увеличивать мощность этих элементов, что ведет к увеличению веса, габаритов и стоимости. А можно решить проблему применением маленького дешевого NTC. В приведенном примере ток заряда конденсатора С5 проходит через предохранитель FU1, обмотки дросселя T1 и диоды моста D1..D4. Если этот ток не ограничить термистором, на схеме обозначенного индексом T, он может достичь больших значений и вывести компоненты из строя.
Для измерений обычно используют мостовые схемы. На приведенном примере изначально мост сбалансирован (например, при нулевой температуре), напряжения на входах операционного усилителя равны. При изменении температуры мост разбалансируется, напряжения на входах ОУ становятся неодинаковыми, разница усиливается и может быть выведена на стрелочный индикатор или цифровой дисплей.
С меньшей точностью для измерения температуры можно использовать делитель напряжения, составленный из обычного резистора и терморезистора. При этом напряжение на измерительной цепи обязательно должно быть стабилизированным. При изменении температуры будет меняться напряжение на средней точке делителя.
Как проверить термистор на работоспособность
Самый простой способ убедиться в работоспособности термистора – измерить его сопротивление (например, тестером в режиме омметра). Если тестирование выполняется при комнатной температуре, результат должен быть близок к номиналу, указанному в спецификации на элемент (обычно значение сопротивления обозначается для температуры в +20 или +25 градусов С). Если измерение выполняется при температуре, значительно отличающейся от комнатной, надо взять поправку с учетом знака и абсолютного значения ТКС. Обычно этого достаточно, чтобы считать, что термистор работает нормально.
Если надо получить более убедительные доказательства работоспособности термоэлемента, надо нагреть или охладить элемент, по мере изменения температуры сравнивая результаты с реальной характеристикой.
На практике область применения терморезисторов гораздо шире. Существует множество различных схем включения термосопротивлений для разнообразных электронных узлов. Немаловажная часть квалификации схемотехника состоит в изучении стандартных решений, грамотном их применении и разработке собственных методов использования резисторов, чье сопротивление зависит от температуры.
