Termistor - typy, princíp a funkcia

Termistor - typy, princíp a funkcia
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  1255 zobrazení
4
 0
Rádioamatérov almanach

Termistor je komponent určený na snímanie teploty, ktorý sa chová tak ako elektrický odpor, ale je citlivý na teplotu. Termistory priamo interagujú s teplotou a výstupným napätím a ako také sa môžu označovať ako prevodník medzi teplotou a napätím. Tento jav nastáva preto, že dochádza k zmene jeho elektrických vlastností v dôsledku pôsobenia vonkajšej zmeny teploty.

Termistor je v podstate dvojpólový polovodičový tepelne citlivý prevodník skonštruovaný z citlivých oxidov kovov na báze polovodičov s pokovovanými alebo spekanými spojovacími vodičmi vytvarovanými do keramického disku alebo guľôčky. To umožňuje termistoru meniť svoju odporovú hodnotu úmerne s malými zmenami teploty okolia. Inými slovami, so zmenami jeho teploty sa mení aj jeho odpor, čomu napovedá aj jeho meno. Termistor je kombináciou slov THERM-ally sensitive res-ISTOR.

Zatiaľ čo zmena odporu v dôsledku tepla je u štandardných rezistorov všeobecne nežiaduca, tento efekt je možné dobre využiť v mnohých obvodoch na detekciu teploty. Jedná sa teda o nelineárne zariadenia s premenlivým odporom a termistory sa bežne používajú práve ako snímače teploty s mnohými aplikáciami na meranie teploty kvapalín okolitého vzduchu, alebo povrchu.

Pretože je tento komponent vyrobený z vysoko citlivých oxidov kovov, pracujúcich na molekulárnej úrovni s tým, že vonkajšie (valenčné) elektróny sú aktívnejšie a vytvárajú záporný teplotný koeficient a menej aktívne vytvárajú kladný teplotný koeficient ako teplota termistora sa zvyšuje. To znamená, že majú veľmi dobrú odolnosť voči vysokým teplotným výkyvom, čo im umožňuje pracovať pri teplotách aj do 200 °C.

Zatiaľ čo principiálne použitie termistorov je ako odporové snímače teploty, môžu byť tiež zapojené do série s iným komponentom alebo zariadením na riadenie elektrického prúdu, ktorý nimi preteká. Inými slovami, môžu byť použité ako tepelne citlivé zariadenia obmedzujúce prúd.

Termistory sú k dispozícii v celej rade typov, materiálov a veľkostí, ktoré sa vyznačujú dobou odozvy a prevádzkovou teplotou. Hermeticky uzavreté termistory tiež eliminujú chyby v čítaní odporu v dôsledku prenikania vlhkosti a zároveň ponúkajú vysoké prevádzkové teploty a kompaktné rozmery. Tri najbežnejšie typy sú:

  • guľôčkové termistory
  • diskové termistory
  • sklenené termistory

Tieto tepelne závislé rezistory môžu pracovať jedným z dvoch spôsobov, a to buď zvýšením alebo znížením svojej odporovej hodnoty so zmenami teploty. Potom sú k dispozícii dva typy termistorov:

  • negatívny teplotný koeficient (NTC) odporu
  • pozitívny teplotný koeficient (PTC) odporu

Negatívny teplotný koeficient NTC

Záporný teplotný koeficient odporových termistorov, alebo skrátene NTC termistorov, pri zvyšovaní prevádzkovej teploty okolo nich znižujú alebo zvyšujú svoju odporovú hodnotu. Všeobecne sú NTC termistory najbežnejšie používaným typom teplotných senzorov, pretože sa dajú použiť prakticky v akomkoľvek type zariadenia, kde zohráva úlohu teplota.

NTC teplotné termistory majú negatívny vzťah medzi elektrickým odporom a teplotou (R / T). Relatívne veľká negatívna odozva NTC termistora znamená, že aj malé zmeny teploty môžu spôsobiť významné zmeny ich elektrického odporu. Vďaka tomu sú ideálne na presné meranie a reguláciu teploty.

Už sme povedali, že termistor je elektronický komponent, ktorej odpor veľmi závisí od teploty, takže ak pošleme konštantný prúd cez termistor a potom zmeriame pokles napätia na ňom, môžeme určiť jeho odpor pri konkrétnej teplote.

Termistory NTC znižujú svoj odpor zvýšením teploty a sú k dispozícii v rôznych základných odporoch a teplotných krivkách. NTC termistory sa zvyčajne vyznačujú svojim základným odporom pri izbovej teplote, to je 25 ° C (77 ° F), pretože to predstavuje vhodný referenčný bod. Napríklad 2.2 kΩ pri 25 ºC, 10kΩ pri 25 ºC alebo 47kΩ pri 25 ºC atď.

Ďalšou dôležitou charakteristikou termistora je jeho hodnota "B". Hodnota B je materiálová konštanta, ktorá je určená keramickým materiálom, z ktorého je vyrobená. Opisuje gradient odporovej (R / T) krivky v konkrétnom teplotnom rozmedzí medzi dvoma teplotnými bodmi. Každý materiál termistora bude mať inú materiálovú konštantu, a teda inú krivku odporu proti určitej teplote.

Potom bude hodnota B definovať odporovú hodnotu termistorov pri prvej teplote alebo základnom bode (ktorý je zvyčajne 25 °C) nazývaný T1 a odporová hodnota termistorov pri druhom teplotnom bode, napríklad 100 °C, nazývanom T2. Preto hodnota B bude definovať materiálovú konštantu termistorov medzi rozsahmi T1 a T2. To je B T1 / T2 alebo B 25 / 100 s typickými hodnotami NTC termistora B udávanými kdekoľvek medzi asi 3000 a asi 5000.

Upozorňujem však, že oba teplotné body T1 a T2 sa počítajú v teplotných jednotkách Kelvina, kde 0 ºC = 273,15 Kelvina. Hodnota 25 ºC sa teda rovná 25 ºC + 273,15 = 298,15K a 100 ºC sa rovná 100 ºC + 273,15 = 373,15K atď.

Takže keď poznáme hodnotu B konkrétneho termistora (získanú z údajového listu výrobcu), je možné vytvoriť tabuľku teploty verzus odpor a zostrojiť vhodný graf pomocou nasledujúcej normalizovanej rovnice:

Rovnica vzťahov termistora

Kde:
    T1 je prvý teplotný bod v Kelvinoch
    T2 je druhý teplotný bod v Kelvinoch
    R1 je odpor termistorov pri teplote T1 v ohmoch
    R2 je odpor termistorov pri teplote T2 v ohmoch

Príklad termistora č. 1

10 kΩ NTC termistor má hodnotu B 3455 medzi teplotným rozsahom 25 °C a 100 °C. Vypočítajte jeho odporovú hodnotu pri 25 °C a znova pri 100 °C.

Uvedené údaje: B = 3455, R1 = 10 kΩ pri 25 °. Na prepočet teplotnej stupnice zo stupňov Celzia, ºC na stupne Kelvina, pridajte matematickú konštantu 273,15

Hodnota R1 je už uvedená ako základný odpor 10 kΩ, takže hodnota R2 pri 100 °C sa počíta ako:

Dosadíme do grafu dve bodové charakteristiky:

Všimnite si, že v tomto jednoduchom príklade boli nájdené iba dva body, ale spravidla termistory menia svoj odpor exponenciálne so zmenami teploty, takže ich charakteristická krivka je nelineárna, preto čím viac teplotných bodov sa počíta, tým presnejšia bude krivka.

Teplota (oC) 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Odpor (Ω) 18476 12185 10000 8260 5740 4080 2960 2188 1645 1257 973 765 608

a tieto body je možné vykresliť, ako je znázornené, aby sa získala presnejšia charakteristická krivka pre termistor NTC 10 kΩ, ktorý má hodnotu B 3455.

Charakteristická krivka termistora NTC

Všimnite si, že má negatívny teplotný koeficient (NTC), to znamená, že jeho odpor klesá so zvyšujúcimi sa teplotami.

Použitie termistora na meranie teploty.

Ako teda môžeme použiť termistor na meranie teploty. Verím, že si teraz uvedomujete, že termistor je prakticky odpor, a preto podľa Ohmovho zákona, ak ním prejdeme prúd, dôjde k poklesu napätia na ňom. Pretože termistor je pasívny typ snímača, to znamená, že pre svoju činnosť vyžaduje budiaci signál, aby bolo možné akékoľvek zmeny jeho odporu v dôsledku zmien teploty previesť na zmenu napätia.

Najjednoduchší spôsob, ako to urobiť, je použiť termistor ako súčasť obvodu deliča potenciálov, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Na obvod série odporov a termistorov sa privádza konštantné napájacie napätie, pričom výstupné napätie sa meria cez termistor.

Ak napríklad použijeme 10kΩ termistor so sériovým rezistorom 10kΩ, potom bude výstupné napätie pri základnej teplote 25 °C polovica napájacieho napätia ako 10Ω / (10Ω + 10Ω) = 0,5.

Keď sa odpor termistora zmení v dôsledku zmien teploty, zmení sa aj zlomok napájacieho napätia na termistore a vytvorí sa výstupné napätie, ktoré je úmerné podielu celkového sériového odporu medzi výstupnými svorkami. Obvod deliča potenciálu je teda príkladom jednoduchého prevodníka odporu na napätie, kde je odpor termistora riadený teplotou, pričom produkované výstupné napätie je úmerné teplote. Čím je termistor teplejší, tým nižšie je výstupné napätie.

Keby sme obrátili polohy sériového rezistora RS a termistora RTH, potom by sa výstupné napätie zmenilo v opačnom smere, to znamená, že čím je termistor teplejší, tým vyššie je výstupné napätie.

Môžeme použiť NTC termistory ako súčasť základnej konfigurácie snímania teploty pomocou premosťovacieho obvodu, ako je znázornené. Vzťah medzi odpormi R1 a R2 nastavuje referenčné napätie UREF na požadovanú hodnotu. Napríklad, ak obidve R1 a R2 majú rovnakú odporovú hodnotu, referenčné napätie sa bude rovnať polovici napájacieho napätia ako predtým. To je Us / 2.

Keď sa teplota a tým aj odporová hodnota termistora zmení, zmení sa aj napätie na UTH, buď vyššie alebo nižšie ako napätie na UREF, ktoré vytvára pozitívny alebo negatívny výstupný signál do pripojeného zosilňovača.

Obvod zosilňovača použitý pre tento základný mostík snímania teploty by mohol fungovať ako diferenciálny zosilňovač pre vysokú citlivosť a zosilnenie alebo ako jednoduchý Schmittov spúšťací obvod pre zapínanie a vypínanie.

Problém s prechodom prúdu cez termistor týmto spôsobom spočíva v tom, že termistory zažívajú takzvaný samoohrievací efekt, to znamená, že strata výkonu I2 x R môže byť dostatočne vysoká na to, aby vytvorila viac tepla, ako je možné rozptýliť termistorom, ktorý ovplyvňuje jeho odporová hodnota vedie k nesprávnym výsledkom.

Je teda možné, že ak je prúd cez termistor príliš vysoký, viedlo by to k zvýšenému rozptýleniu výkonu a so zvyšovaním teploty sa zmenšuje jeho odpor, čo spôsobuje prúdenie väčšieho množstva prúdu, čo ďalej zvyšuje teplotu, čo vedie k tzv. Termálnemu úniku. Inými slovami, chceme, aby bol termistor horúci z dôvodu meranej vonkajšej teploty a nie samotného zahrievania.

Hodnota sériového rezistora RS vyššie by sa mala zvoliť tak, aby poskytovala primerane širokú odozvu v očakávanom rozsahu teplôt, pre ktoré je pravdepodobné, že sa termistor použije, a súčasne obmedziť prúd na bezpečnú hodnotu pri najvyššej teplote.

Jedným zo spôsobov, ako to zlepšiť a dosiahnuť presnejšiu premenu odporu na teplotu (R / T), je napájanie termistora zdrojom konštantného prúdu. Zmenu odporu je možné merať pomocou malého a meraného jednosmerného prúdu alebo jednosmerného prúdu, ktorý prechádza termistorom, aby sa mohol merať pokles výstupného napätia.

Použitie termistora na potlačenie nárazového prúdu

Vieme, že termistory sa používajú ako odporové snímače citlivé na teplotu, ale odpor termistora sa dá zmeniť buď vonkajšími teplotnými zmenami, alebo zmenami teploty spôsobenými elektrickým prúdom, ktorý nimi preteká, pretože sú to nakoniec odporové zariadenia. .

Ohmov zákon nám hovorí, že keď elektrický prúd prechádza odporom R v dôsledku privedeného napätia, energia sa spotrebuje vo forme tepla v dôsledku vykurovacieho efektu I2 x R. Kvôli samočinnému zahrievaniu prúdu v termistore môže termistor meniť svoj odpor so zmenami prúdu.

Indukčné elektrické zariadenia, ako sú motory, transformátory, predradníkové osvetlenie atď., Trpia pri prvom zapnutí v polohe ON nadmerným nárazovým prúdom. Ale sériovo zapojené termistory sa dajú použiť aj na efektívne obmedzenie akýchkoľvek vysokých počiatočných prúdov na bezpečnú hodnotu. Na takúto reguláciu prúdu sa spravidla používajú NTC termistory s nízkymi hodnotami odporu za studena (pri 25 ° C).

Použitie termistora pre obmedzenie zapínacieho prúdu

Potláčanie nárazového prúdu a obmedzovače prepätia sú typy sériovo zapojených termistorov, ktorých odpor klesá na veľmi nízku hodnotu, pretože sa ohrieva prúdom záťaže, ktorý ním prechádza. Pri počiatočnom zapnutí je hodnota studeného odporu termistorov (jeho základný odpor) pomerne vysoká a riadi počiatočný nárazový prúd do záťaže.

V dôsledku prúdu záťaže sa termistor zahrieva a znižuje svoj odpor pomerne pomaly až do bodu, v ktorom je rozptýlený výkon postačujúci na udržanie jeho nízkej hodnoty odporu s väčšinou použitého napätia vyvinutého cez záťaž.

Kvôli tepelnej zotrvačnosti jeho hmoty trvá tento vykurovací efekt niekoľko sekúnd, počas ktorých sa záťažový prúd zvyšuje skôr ako okamžite, takže akýkoľvek vysoký zapínací prúd je obmedzený a zodpovedajúcim spôsobom sa znižuje aj príkon. Kvôli tomuto tepelnému pôsobeniu môžu preto termistory na potlačenie zapínacieho prúdu pracovať vo svojom nízkoodporovom stave veľmi horúce. Po odpojení napájania preto vyžaduje obdobie ochladenia alebo zotavenia, čo umožňuje dostatočne rýchlu regeneráciu odporu termistora NTC pripraveného na ďalšie použitie.

Rýchlosť odozvy termistora obmedzujúceho prúd je daná jeho časovou konštantou. To znamená čas potrebný na odolnosť voči zmene o 63% (t. J. 1 až 1 / ε) z celkovej zmeny. Predpokladajme napríklad, že sa teplota okolia zmení z 0 na 100 ° C, potom bude 63% časová konštanta čas potrebný na to, aby mal termistor odporovú hodnotu pri 63 °C.

Termistory NTC poskytujú ochranu pred nežiaduco vysokými zapínacími prúdmi, zatiaľ čo ich odpor zostáva počas nepretržitej prevádzky napájajúcej záťaž záporne nízky. Výhodou je, že sú schopné efektívne zvládnuť oveľa vyššie zapínacie prúdy ako štandardné rezistory obmedzujúce pevný prúd s rovnakou spotrebou energie.

Záver

V tomto článku o termistoroch sme si uviedli, že termistor je dvojpólový odporový prevodník, ktorý môže meniť svoju odporovú hodnotu so zmenami teploty okolitého prostredia, odtiaľ pochádza názov tepelný odpor alebo jednoducho „termistor“.

Termistory sú lacné a ľahko dostupné snímače teploty vyrobené z oxidov polovodičových kovov. Sú k dispozícii buď so záporným teplotným koeficientom (NTC) odporu, alebo s kladným teplotným koeficientom (PTC) odporu. Rozdiel je v tom, že termistory NTC znižujú svoj odpor pri zvyšovaní teploty, zatiaľ čo termistory PTC zvyšujú svoj odpor pri zvyšovaní teploty.

Najčastejšie sa používajú termistory NTC (najmä NTC termistor 10 KΩ) a spolu s rezistorom prídavnej série možno RS použiť ako súčasť jednoduchého obvodu deliča potenciálov. Zmeny jeho odporu v dôsledku zmien teploty teda vytvárajú výstupné napätie súvisiace s teplotou.

Prevádzkový prúd termistora sa však musí udržiavať na čo najnižšej úrovni, aby sa znížili akékoľvek účinky samovoľného ohrevu. Ak je ich prevádzkový prúd príliš vysoký, môžu sa ohriať rýchlejšie, ako ho dokážu rozptýliť, čo vedie k nesprávnym výsledkom.

Termistory sa vyznačujú základným odporom, ako aj hodnotou „B“. Základný odpor, napríklad 10 kΩ, je odpor termistora pri danej teplote, zvyčajne 25 °C, takže je definovaný ako: R25. Hodnota B je pevná konštanta materiálu, ktorá popisuje tvar sklonu odporovej krivky voči teplote (R / T).

Videli sme tiež, že okrem použitia na meranie vonkajšej teploty je možné termistory použiť aj na riadenie elektrického prúdu v dôsledku vykurovacieho efektu I2R spôsobeného prúdom, ktorý ním preteká. Pripojením NTC termistora do série so záťažou je možné efektívne obmedziť akékoľvek vysoké zapínacie prúdy.

 

Become a Patron!



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis