Что такое терморезистор?

Главные параметры

При выборе детали важно ориентироваться на ее показатели и характеристики, меняющиеся в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей. При выборе изделия нужно выяснить главные параметры и определить, подходят они для решения поставленной задачи или нет

При покупке нужно быть уверенным, что деталь подходит по размеру и поместится на плате (в схеме). Параметры измеряются в Омах и указываются применительно к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвинах. Если деталь рассчитана на работу при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.

Параметр отражает тепловую инерционность. При расчете учитывается время, которое необходимо для изменения температуры термического резистора на 63% от разницы t детали и окружающего воздуха. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусов Цельсия. ТКС (в % на один градус Цельсия).

Будет интересно Как рассчитать резистор для светодиода?

Как правило, этот показатель прописывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление. В такой ситуации при обозначении используются другие цифры — at. Мощность рассеивания Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до достижения которого в полупроводнике не происходит необратимых изменений (параметры остаются прежними). При этом превышение температуры tmax при достижении Pmax исключено.

Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором характеристики терморезистора длительное время остаются без изменений (на установленном производителем уровне). Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/проценты*R). Обозначение — G. Показатель отражает мощность, которую необходимо рассеять на детали для снижения параметра R на один процент.

Коэффициент рассевания (измеряется в Вт на один градус Цельсия). Условное обозначение — H. Параметр отражает мощность, которая рассеивается на термическом резисторе при разнице в температурных режимах детали и окружающего воздуха на один градус. Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик применяемого полупроводника и особенностей обмена тепла между изделием и окружающей его средой. Параметры связаны друг с другом через специальную формулу — G=H/100а.

Пример использования

В примере ниже используется вывод на семисигментный индикатор.

Описание работы с индикатором смотрите в другой моей статье.

Вывод значения температуры на идникатор СС56-12GWA

ADMUX = 0b01000111; // референтное напряжение — Vcc, вход ADC7, реузультат по правому краю ADCSRA = 0b10000111; // 1/128 делитель частоты, включение АЦП while(1) { temperature_table_entry_type summ = 0; for (uint8_t i = 0; i < 64; i++) { ADCSRA |= _BV(ADSC); loop_until_bit_is_clear(ADCSRA, ADSC); summ += ADC; } int16_t t = calc_temperature(summ); ledind_num(t, 1, 0b01010011); // Вывод значения на индикатор с префиксом в виде буквы t _delay_ms(250); }

Как проверить с помощью мультиметра

Важный вопрос при эксплуатации термисторов — знание принципов их проверки. При оценке исправности нужно понимать, что термисторы бывают двух видов — с положительными и отрицательным температурным коэффициентом (об этом упоминалось выше). Следовательно, сопротивление детали снижается или уменьшается с ростом температуры.

С учетом этого факта для проверки термистора потребуется всего два элемента — паяльник для нагрева и мультиметр.

Алгоритм действий:

  1. Перевод прибора в режим замера сопротивления.
  2. Подключение щупов к клеммам терморезистора (расположение не имеет значения).
  3. Фиксация сопротивления на бумаге и поднесение нагретого паяльника к детали.
  4. Контроль сопротивления (оно растет или падает в зависимости от вида терморезистора).
  5. Если сопротивление снижается или увеличивается, полупроводник работает правильно.

Для примера можно использовать термистор NTC типа MF 72. В нормальном режиме он показывает сопротивление 6,9 Ом при обычной температуре.

После поднесения паяльника к изделию ситуация изменилась — сопротивление пошло в сторону снижения и остановилось на уровне двух Ом. По этой проверке можно сделать вывод, что терморезистор исправен.

Если сопротивление меняется резко или вообще не двигается, можно говорить о выходе детали из строя.

Стоит учесть, что такая проверка очень грубая. Для точного контроля нужно проверить температуру и сопротивление термистора, а после сравнить данные с официальными параметрами.

Популярные термисторы

Как уже упоминалось выше, сегодня известно много форм и видов термисторов. Часто встречаются детали в феноле со специальным окрашиванием. Какой вид или форма являются самыми популярными, утверждать однозначно и точно не получится. Форма зависит от того, какая задача возложена на термистор, значение имеют и его характеристики.

Бисерные термисторы считаются оптимальным решением для монтажа в устройство. Дисковый вариант более уместен для поверхности с оптическими свойствами. Если говорить о чиповой форме, монтаж рекомендован на печатной плате. Определяясь с этой характеристикой, мастеру стоит учитывать, насколько плотным должен быть контакт поверхности и устройства

Каким бы ни был тип термистора, важно, чтобы для его соединения с поверхностью использовались теплопроводяшая паста или эпоксидный клей, не имеющие свойств электропроводности

Если стоит задача заменить терморезистор, следует использовать аналогичный элемент, изучив его характеристики в справочнике или техдокументации. Мастер может заменить термистор на обычный проволочный резистор, но только при условии подобного опыта в прошлом, если в предыдущий раз не было проблем с функционированием прибора. Обязательно следует проверить условия опциональности элемента как по времени, так и по напряжению

Также важно понимать, выполняет ли новый резистор функции термистора в полной мере

Вычисление температуры

Термисторы обладают высокой степенью нелинейности параметров, и термисторы различных моделей, даже при одинаковых значениях параметра B25/100 могут по разному изменять сопротивление в зависимости от температуры. Поэтому формула

может лишь приблизительно оценить температуру. Кроме того, такая формула подразумевает сложные вычисления, которые требуют много процессорного времени, что часто является неприемлемым. Более простым и эффективным подходом является хранение таблицы, в которую заносятся предварительно рассчитанные значения, возвращаемые АЦП при тех, или иных температурах. Для экономии памяти можно хранить значения только для некоторых точек, искать их в таблице двоичным поиском, а промежуточные значения получать линейной интерполяцией. Для измерений температуры окружающего воздуха с точностью до 0.3°C, достаточно хранить значения с шагом 5°C. Если значения лежат в пределах 16 бит (и занимают 2 байта), то для хранения такой таблицы для диапазона измеряемых температур от -30 до 70 градусов потребуется всего 40 байт. Точность измерений можно повысить, уменьшив шаг таблицы. Так при шаге 2°C можно добиться точности до 0.1°C на широком диапазоне измерений.

Производители термисторов, как правило, приводят таблицы показывающие изменение сопротивления в зависимости от температур. Значения в этих таблицах также привязаны к сетке температур с некоторым шагом (например, 5°C). Используя формулы

и можно с достаточной точностью интерполировать табличные значения.

Вычисление температуры

Термисторы обладают высокой степенью нелинейности параметров, и термисторы различных моделей, даже при одинаковых значениях параметра B25/100 могут по разному изменять сопротивление в зависимости от температуры. Поэтому формула

может лишь приблизительно оценить температуру. Кроме того, такая формула подразумевает сложные вычисления, которые требуют много процессорного времени, что часто является неприемлемым. Более простым и эффективным подходом является хранение таблицы, в которую заносятся предварительно рассчитанные значения, возвращаемые АЦП при тех, или иных температурах. Для экономии памяти можно хранить значения только для некоторых точек, искать их в таблице двоичным поиском, а промежуточные значения получать линейной интерполяцией. Для измерений температуры окружающего воздуха с точностью до 0.3°C, достаточно хранить значения с шагом 5°C. Если значения лежат в пределах 16 бит (и занимают 2 байта), то для хранения такой таблицы для диапазона измеряемых температур от -30 до 70 градусов потребуется всего 40 байт. Точность измерений можно повысить, уменьшив шаг таблицы. Так при шаге 2°C можно добиться точности до 0.1°C на широком диапазоне измерений.

Производители термисторов, как правило, приводят таблицы показывающие изменение сопротивления в зависимости от температур. Значения в этих таблицах также привязаны к сетке температур с некоторым шагом (например, 5°C). Используя формулы

и можно с достаточной точностью интерполировать табличные значения.

Измерение сопротивления с помощью Arduino

Теперь, когда мы выбрали метод построения кривой, мы должны выяснить, как реально измерить сопротивление с помощью Arduino, прежде чем мы сможем передать информацию о сопротивлении в β-уравнение. Мы можем сделать это используя делитель напряжения:

Делитель напряжения для измерения сопротивления термистора

Это будет наша схема взаимодействия с термистором. Когда термистор определит изменение температуры, это отразится на выходном напряжении.

Теперь, как обычно, мы используем формулу для делителя напряжения.

\

Но нам неинтересно выходное напряжение Vвыход, нас интересует сопротивление термистора Rтермистор. Поэтому мы выразим его:

\

Это намного лучше, но нам необходимо измерить наше выходное напряжение, а также напряжение питания. Так как мы используем встроенный АЦП Arduino, то можем представить напряжение, как числовое значение на определенной шкале. Итак, конечный вид нашего уравнения показан ниже:

\

Это работает потому, что не имеет значения, как мы представляем напряжение (в вольтах или в цифровых единицах), эти единицы сокращаются в числителе и знаменателе дроби, оставляя безразмерное значение. Затем мы умножаем его на сопротивление, чтобы получить результат в омах.

Dmax у нас будет равно 1023, так как это самое большое число, которое может выдать наш 10-разрядный АЦП. Dизмеренное – это измеренное значение аналого-цифровым преобразователем, которое может быть в диапазоне от нуля до 1023.

Всё! Теперь можно приступить к сборке!

Как определить номинал по цветовым кольцам

В последнее время выводные сопротивления чаще обозначаются с помощью цветовых полос и это относится как к отечественным, так и к зарубежным элементам. В зависимости от количества цветовых полос меняется способ их расшифровки. В общем виде он собран в ГОСТ 175-72.

Цветовая маркировка резисторов может выглядеть в виде 3, 4, 5 и 6 цветовых колец. При этом кольца могут быть смещены к одному из выводов. Тогда кольцо, которое ближе всех к проволочному выводу, считают первым и расшифровку цветного кода начинают с него. Или одно из колец может отсутствовать, обычно предпоследнее. Тогда первое это то, возле которого есть пара.

Другой вариант, когда маркировочные кольца расположены равномерно, т.е. заполняют поверхность равномерно. Тогда первое кольца определяют по цветам. Допустим, одно из крайних колец (первое) не может быть золотого цвета, тогда можно определить с какой стороны идет отчет.

Обратите внимание при таком способе маркировки из 4-х колец третье кольцо – это множитель. Как разобраться в этой таблице? Возьмем верхний резистор первое кольцо красного цвета, это 2, второе фиолетового – это 7, третье, множитель красное – это 100, а допуск у нас коричневый – это 1%. Тогда: 27*100=2700 Ом или 2,7 кОм с допуском отклонения в 1% в обе стороны

Тогда: 27*100=2700 Ом или 2,7 кОм с допуском отклонения в 1% в обе стороны.

Второй резистор имеет цветовую маркировку из 5 полос. У нас: 2, 7, 2, 100, 1%, тогда: 272*100=27200 Ом или 27,2 кОм с допуском в 1%.

У резисторов из 3 полос цветовая маркировка производится по такой логике:

  • 1 полоса – единицы;
  • 2 полоса – сотни;
  • 3 полоса – множитель.

Точность таких компонентов равна 20%.

Расшифровать цветовое обозначение вам поможет программа ElectroDroid, она доступна для Android в Play Market, в её бесплатной версии есть данная функция.

Другой способ расшифровки цветового кода от компании Philips предполагает использование 4, 5 и 6 полос. Тогда последняя полоса несет информацию о температурном коэффициенте сопротивления (насколько изменяется сопротивление при изменении температуры).

Чтобы определить номинал воспользуйтесь таблицей

Обратите внимание на последнюю колонку – это ТКС

На корпусе цветные кольца распределяются, так как показано на этой схеме:

Более подробно узнать о том, как расшифровать маркировку резисторов, вы можете из данных видео:

Где именно применяются датчики температуры NTC

Конкретизируем, где именно применяются NTC датчики.

Наиболее характерные сферы:

  • все возможные температурные датчики;
  • холодильные, отопительные, нагревательные системы, где не допускается понижение температуры;
  • системы вентиляции, кондиционирования;
  • контроль за степенью охлаждения в трубах, на открытых локациях;
  • теплые полы, бойлеры (водонагреватели), котлы;
  • обнаружение отсутствия или наличия жидкости;
  • ограничители тока;
  • мониторинг t° в автомобилях и прочих агрегатах.

Если обобщить, то это такие направления по температуре:

  • измерение;
  • контроль, управление, связанные с t°;
  • компенсационные процессы.

Примеры применения на практике:

  • различные терморегуляторы, термостаты для окружающей среды в холодильниках, бойлерах, для кабельных стяжек, поверхностей нагревательных конструкций;
  • термометры различных сред (жидкости, газы), включая воздух в комнатах;
  • нагреватели устройств 3D печати (для контроля рабочих площадок, чтобы материал не прилипал к ним);
  • автодвигатели, моторы различного типа, включая электрические (предотвращение перегрева);
  • печи (предотвращение пригорания, сжигания готовящейся еды).

При установке пленочных теплых полов выносные сенсоры NTC закладывают в гофротрубу, например, стандартно Ø 16 мм, прямо под одной из нагревательных ИК полос на сегменте наименьшей теплоотдачи (под ковриками, мебелью на коротких ножках).

Детекторы NTC можно разделить на 3 группы в зависимости от того, какая их электрохарактеристика важная для определенных целей.

Для каких целей значимы определенные характеристики

Характеристика Где используется
Сопротивление-температура Для приложений, приборов, для работы которых значимо соотношение температура/сопротивление. Это устройства для замеров t°, контроля, управления и компенсации, некоторых других связанных физических процессов. На термисторе поддерживают как можно более низкий ток, чтобы максимально уменьшить самонагрев такого зонда.
Текущая временная Приборы с временной задержкой, ограничением пусковых токов, предупреждение перегрузок, перенапряжений и прочего. Характеристика, связанная с теплоемкостью, диссипацией датчика ntc. Схема полагается на терморезистор, нагревается из-за тока на ней, в определенный момент появляются изменения.
 По напряжению Для устройств, базирующихся на характеристиках напряжения, тока термических резисторов. Это приборы мониторинга условий окружающей среды, параметров на схеме, которые инициируют изменения рабочей отметки на заданной кривой цепи. Также для ограничения токов, температурной компенсации, измерений t°.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 С.

Сложные двойные и тройные структуры оксидов переходных металлов, такие как (AB)3O4, (ABC)3O4 лежат в основе термисторов. Распространенной формулой является (Ni0.2Mn0.8)3O4. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Удельная проводимость термистора r (25 C) зависит от химического состава и степени окисления. Дополнительное управление проводимостью осуществляется добавлением очень малых концентраций таких металлов как Li и Na.

Устройство терморезистора.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок.

Советуем изучить — Война токов — Тесла против Эдисона

Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием. Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Основные характеристики терморезисторов

Важно обращать внимание на характеристики термисторов NTC. Они могут меняться по ряду причин: производитель, тип и применяемый материал. В первую очередь покупатель должен изучить размер

Нужно, чтобы элемент подошел по габаритам, то есть, поместился на плате во время монтажа

В первую очередь покупатель должен изучить размер. Нужно, чтобы элемент подошел по габаритам, то есть, поместился на плате во время монтажа.

Следующие важные пункты:

  • сопротивление RT;
  • постоянная времени;
  • коэффициент рассеивания.

Это основные моменты, которые нужно учитывать при покупке детали.

Характеристики нагрева

Есть 2 типа терморезисторов, если полагаться на способ нагревания, положенный в основу их принципа действия:

  • косвенный;
  • прямой.

При косвенном нагреве будет изменяться температура термистора под воздействием элементов, размещенных рядом с ним.

При прямом она также меняется, но только под влиянием окружающего воздуха или тока, который проходит через элемент. В этом и заключается основное отличие.

Определение при помощи мультиметра

Перед измерением резистора необходимо визуально определить его целостность: осмотреть его на предмет обгоревшего внешнего покрытия — краски или лака, а также проверить надписи на корпусе, если они просматриваются. Определить номинал можно по таблицам рядов или цветовых кодов, после чего при помощи мультиметра можно замерить сопротивление.

Для прозвонки можно использовать простой измерительный прибор, например, DT-830B. В первую очередь необходимо установить переключатель измерений в режим проверки минимального сопротивления — 200 Ом, после чего соединить щупы между собой. Индикатор прибора при соединённых щупах должен показывать минимальное значение R, которое стремится к нулю, например, 0,03 Ома. После так называемой калибровки можно приступить к измерениям.

Характеристика NTC термистора

Термисторы характеризуются рядом параметров, такими, как максимальный допустимый ток, точность, сопротивление при определённой температуре (как правило, при 25°С). Одним из параметров, характеризующим степень изменения сопротивления в зависимости от температуры является коэффициент температурной чувствительности

, обозначаемыйB . Этот коэффициент рассчитывается на основе значений сопротивления при двух конкретных значениях температур. Во многих случаях этими температурами выбираются 25°С и 100°С. Обычно температуры, использованные при вычислении коэффициента указываются после буквы, напримерB25/100 . Коэффициент B измеряется в Кельвинах и вычисляется по следующей формуле:B = (ln(R1) – ln(R2)) / (1 / T1 — 1 / T2) ,

где R1 и R2 — значения сопротивлений при температурах соответственно T1 и T2, выраженных в Кельвинах.

Из этой формулы следуют и обратные:R1 = R2 * e(B * (1 / T1 — 1 / T2)) . иT1 = 1 / ((ln(R1) – ln(R2)) / B + 1 / T2) .

Конструкция и разновидности терморезисторов

Термисторы с аксиальными выводами

SMD-термисторы

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

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

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

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

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

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

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

Температура рассчитывается по уравнению Стейнхарта — Харта:

1T=A+Bln⁡(R)+Cln⁡(R)3{\displaystyle {1 \over T}=A+B\ln(R)+C^{3}}

где T — температура, К;
R — сопротивление, Ом;
A,B,C — константы термистора, определённые при градуировке в трёх температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Одним из существенных недостатков «бусинковых» термисторов, как температурных датчиков, является то, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки. Не существует стандартов, регламентирующих их номинальную характеристику сопротивление — температура. «Дисковые» термисторы могут быть взаимозаменяемыми, однако при этом лучшая допускаемая погрешность не менее 0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Типичный 10-килоомный термистор в диапазоне 0—100 °С имеет коэффициенты, близкие к следующим значениям:

A=1,03∗10−3{\displaystyle A=1,03*10^{-3}};
B=2,93∗10−4{\displaystyle B=2,93*10^{-4}};
C=1,57∗10−7{\displaystyle C=1,57*10^{-7}}.