Co to jest termistor?

Co to jest termistor?

Definicja termistora

Termistor (lub termiczny rezystor) definiuje się jako rezystor, którego opór elektryczny znacząco zmienia się wraz ze zmianami temperatury.

Termistory działają jako pasywne elementy w obwodzie. Są dokładnym, tanim i solidnym sposobem pomiaru temperatury.

Chociaż termistory nie są skuteczne w ekstremalnych temperaturach, są preferowanymi czujnikami w wielu zastosowaniach.

Termistory są idealne, gdy wymagana jest precyzyjna odczyt temperatury. Symbol obwodowy termistora przedstawiono poniżej:

Zastosowania termistorów

Termistory mają wiele zastosowań. Są szeroko używane do pomiaru temperatury jako termometry termistorowe w różnych środowiskach płynów i powietrza otoczenia. Niektóre z najbardziej powszechnych zastosowań termistorów obejmują:

• Cyfrowe termometry (termostaty)

• Zastosowania motoryzacyjne (do pomiaru temperatury oleju i chłodziwa w samochodach i ciężarówkach)

• Sprzęt domowy (np. mikrofalówki, lodówki i piekarniki)

• Ochrona obwodów (np. ochrona przed przepięciami)

• Akumulatory ładowalne (zapewnienie prawidłowej temperatury baterii)

• Do pomiaru przewodności cieplnej materiałów elektrycznych

• Przydatne w wielu podstawowych obwodach elektronicznych (np. jako część zestawu startowego Arduino dla początkujących)

• Kompensacja temperatury (czyli utrzymanie oporu, aby kompensować efekty spowodowane zmianami temperatury w innej części obwodu)

• Używane w obwodach mostkowych Wheatstone'a

Zasada działania

Zasada działania termistora polega na tym, że jego opór zależy od temperatury. Możemy zmierzyć opór termistora za pomocą omometru.

Rozumiejąc, jak zmiany temperatury wpływają na opór termistora, możemy zmierzyć jego opór, aby określić temperaturę.

Jak bardzo zmienia się opór, zależy od rodzaju materiału używanego w termistorze. Związek między temperaturą termistora a oporem jest nieliniowy. Typowy wykres termistora przedstawiono poniżej:

Gdybyśmy mieli termistor z powyższym wykresem temperatury, moglibyśmy po prostu porównać opór zmierzony przez omometr z temperaturą wskazaną na wykresie.

Poprowadzając poziomą linię od oporu na osi y, a następnie pionową linię od miejsca, gdzie ta pozioma linia przecina wykres, możemy wywnioskować temperaturę termistora.

Rodzaje termistorów

Istnieją dwa rodzaje termistorów:

• Termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC)

• Termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC)

Termistor NTC

W termistorze NTC opór maleje, gdy temperatura wzrasta, i odwrotnie. Ta odwrotna zależność sprawia, że termistory NTC są najbardziej powszechnym typem.

Zależność między oporem a temperaturą w termistorze NTC jest określona przez następujące wyrażenie:

• RT to opór przy temperaturze T (K)

• R0 to opór przy temperaturze T0 (K)

• T0 to referencyjna temperatura (zwykle 25°C)

• β to stała, której wartość zależy od charakterystyk materiału. Nominalną wartością jest 4000.

Jeśli wartość β jest wysoka, to relacja rezystor–temperatura będzie bardzo dobra. Wyższa wartość β oznacza większą zmianę oporu dla tej samej zmiany temperatury – co zwiększa wrażliwość (i tym samym dokładność) termistora.

Z równania możemy wywnioskować współczynnik temperaturowy oporu, który wskazuje wrażliwość termistora.

Powyżej można jasno zobaczyć, że αT ma minus. Ten minus wskazuje na ujemne charakterystyki oporu-temperatury termistora NTC.

Jeśli β = 4000 K i T = 298 K, to αT = –0,0045/oK. Jest to znacznie wyższe niż wrażliwość RTD z platyny. To pozwala na pomiar bardzo małych zmian temperatury.

Jednak dostępne są teraz alternatywne formy mocno domieszkowanych termistorów (o wysokim koszcie), które mają dodatni współczynnik temperaturowy.

Wyrażenie (1) jest takie, że nie można dokonać liniowej aproksymacji krzywej nawet w małym zakresie temperatur, a więc termistor jest zdecydowanie nieliniowym czujnikiem.

Termistor PTC

Termistor PTC ma odwrotną zależność między temperaturą a oporem. Gdy temperatura wzrasta, opór również wzrasta.

A gdy temperatura maleje, opór również maleje. Stąd w termistorze PTC temperatura i opór są odwrotnie proporcjonalne.

Choć termistory PTC nie są tak powszechne jak termistory NTC, często są używane jako forma ochrony obwodów. Podobnie jak fuzje, termistory PTC mogą działać jako ogranicznik prądu.

Gdy prąd przepływa przez urządzenie, powoduje on niewielkie grzanie rezystywne. Jeśli prąd jest wystarczająco duży, aby wytworzyć więcej ciepła, niż urządzenie może oddać do otoczenia, to urządzenie się nagrzewa.

W termistorze PTC to grzanie spowoduje również wzrost oporu. To tworzy efekt samowzmocniający, który zwiększa opór, a tym samym ogranicza prąd. W ten sposób chroni obwód.

Charakterystyki termistorów

Zależność rządząca charakterystykami termistora przedstawiona jest poniżej:

• R1 = opór termistora przy bezwzględnej temperaturze T1[^oK]

• R2 = opór termistora przy temperaturze T2 [^oK]

• β = stała zależna od materiału transducera (np. transduktor oscylatora)

Możemy zauważyć w powyższym równaniu, że związek między temperaturą a oporem jest silnie nieliniowy. Standardowy termistor NTC zwykle ma ujemny współczynnik temperaturowy oporu około 0,05/^oC.

Konstrukcja termistora

Aby stworzyć termistor, mieszane są dwa lub więcej proszki półprzewodników wykonanych z tlenków metali z wiążącym składnikiem, tworząc miazgę.

Małe krople tej miazgi są formowane nad przewodami. W celach suszenia musimy umieścić je w piecu sinterującym.

W trakcie tego procesu miazga skurczy się na przewodach, tworząc połączenie elektryczne.

Ten przetworzony tlenek metalu jest zabezpieczony poprzez naniesienie na niego pokrycia szklanego. To szklane pokrycie zapewnia termistorom właściwość wodoszczelności – co pomaga poprawić ich stabilność.

Istnieje wiele kształtów i rozmiarów termistorów dostępnych na rynku. Mniejsze termistory mają kształt kulek o średnicy od 0,15 milimetra do