Opór dowolnego przewodnika zależy zasadniczo od temperatury. Odporność metali wzrasta wraz z temperaturą. Z punktu widzenia fizyki tłumaczy się to wzrostem amplitudy drgań termicznych elementów sieci i wzrostem oporu dla kierunkowego przepływu elektronów. Opór elektrolitów i półprzewodników maleje po podgrzaniu - można to wyjaśnić innymi procesami.
Spis treści
Jak działa termistor
W wielu przypadkach zjawisko odporności na temperaturę jest szkodliwe. Na przykład niska rezystancja żarnika lampy żarowej w stanie zimnym powoduje jej przepalenie po włączeniu. Zmiana wartości rezystancji rezystorów stałych podczas ogrzewania lub chłodzenia prowadzi do zmiany parametrów obwodu.
Aby przeciwdziałać temu zjawisku, opracowano rezystory o obniżonym współczynniku temperaturowym rezystancji (TCR). Elementy te są droższe od konwencjonalnych. Istnieją jednak elementy elektroniczne, które mają wyraźną zależność od temperatury i znormalizowany współczynnik oporu. Elementy te są nazywane termistorami lub termistorami.
Rodzaje i budowa termistorów
Termistory można podzielić na dwie duże grupy ze względu na ich reakcję na zmiany temperatury:
- Jeśli rezystancja maleje po podgrzaniu, termistory takie nazywane są Termistory NTC (ujemny temperaturowy współczynnik oporu);
- Jeśli rezystancja wzrasta po podgrzaniu, termistor ma dodatnią charakterystykę PTC (PTC characteristic) - takie elementy są również nazywane Elementy PTC takie jak te są również nazywane termistorami PTC..
Typ termistora jest określany na podstawie jego właściwości materiałowych. Metale zwiększają swoją rezystancję po podgrzaniu, dlatego też są one (a raczej tlenki metali) stosowane jako podstawa termorezystorów o dodatnim współczynniku TKC. Półprzewodniki mają odwrotną zależność, dlatego są stosowane do produkcji elementów NTC. Termostatyczne elementy rezystancyjne o ujemnym TKC można teoretycznie wykonać na bazie elektrolitów, ale ten wariant jest bardzo niewygodny w praktyce. Jej niszą są badania laboratoryjne.
Konstrukcja termistorów może być różna. Występują w postaci cylindrów, koralików, podkładek itp. z dwoma przewodami (np. opornik konwencjonalny). Istnieje możliwość wyboru kształtu najbardziej dogodnego do instalacji w miejscu pracy.
Najważniejsze cechy
Najważniejszą cechą każdego termistora jest jego temperaturowy współczynnik oporu (TCR). Informuje on o tym, jak bardzo zmienia się opór przy ogrzewaniu lub chłodzeniu o 1 stopień Kelvina.
Chociaż zmiana temperatury, wyrażona w stopniach Kelvina, jest równa zmianie w stopniach Celsjusza, termorezystory są nadal oznaczane w Kelwinach. Wynika to z powszechnego stosowania w obliczeniach równania Steinharta-Harta, w którym temperaturę podaje się w K.
Układ TCS jest ujemny dla termistorów typu NTC i dodatni dla pozystorów.
Inną ważną cechą charakterystyczną jest rezystancja znamionowa. Jest to wartość rezystancji w temperaturze 25°C. Znając te parametry, można łatwo określić możliwość zastosowania termistora w danym obwodzie.
Ważne przy stosowaniu termistorów są również napięcie znamionowe i maksymalne napięcie robocze. Pierwszy parametr określa napięcie, przy którym element może pracować przez długi czas, natomiast drugi parametr określa napięcie, powyżej którego działanie termistora nie jest gwarantowane.
W przypadku pozystorów ważnym parametrem jest temperatura odniesienia - punkt na krzywej rezystancja-ciepło, w którym następuje charakterystyczne pęknięcie. Określa to zakres działania rezystora PTC.
Przy wyborze termistora należy również zwrócić uwagę na jego zakres temperatur. Poza specyfikacją producenta krzywa charakterystyki nie jest znormalizowana (może to spowodować nieprawidłowe działanie urządzenia.) lub termistor w ogóle nie będzie działał.
Oznaczenie jednostki
Symbole graficzne mogą się nieco różnić, ale podstawową cechą termistora jest symbol t obok prostokąta symbolizującego opornik. Bez tego symbolu nie jest możliwe określenie typu rezystora - stosuje się podobne symbole BRE, np. warystory (rezystancja jest określana przez przyłożone napięcie) i inne elementy.
Czasami do UGO dołączony jest dodatkowy symbol, wskazujący kategorię termistora:
- NTC dla komórek z ujemnym TCS;
- PTC dla pozystorów.
Cecha ta jest czasami oznaczana strzałkami:
- jednokierunkowa dla PTC;
- wielokierunkowy dla NTC.
Oznaczenie literowe może być różne - R, RK, TH itd.
Jak sprawdzić, czy termistor działa prawidłowo
Pierwsze sprawdzenie działania termistora polega na zmierzeniu jego rezystancji znamionowej za pomocą standardowego multimetru. W przypadku pomiaru w temperaturze pokojowej, która nie różni się zbytnio od temperatury +25 °C, zmierzona rezystancja nie powinna znacząco różnić się od rezystancji podanej na obudowie lub w dokumentacji.
Jeśli temperatura otoczenia jest wyższa lub niższa od podanej wartości, należy wprowadzić niewielką korektę.
Można podjąć próbę wyznaczenia charakterystyki temperaturowej termistora - porównać ją z podaną w dokumentacji lub odtworzyć dla elementu o nieznanym pochodzeniu.
Dostępne są trzy temperatury, które można tworzyć z wystarczającą dokładnością bez użycia przyrządów pomiarowych:
- topniejący lód (może być pobrany z lodówki) - około 0 °C;
- ciała ludzkiego - około 36 °C;
- wrzącej wody - około 100 °C.
Na podstawie tych punktów można wyznaczyć przybliżoną zależność rezystancji od temperatury, ale w przypadku pozystorów może się to nie sprawdzić - na wykresie ich TCS są obszary, w których R nie jest określone przez temperaturę (poniżej temperatury odniesienia). Jeśli dostępny jest termometr, można wyznaczyć charakterystykę o kilka punktów - opuszczając termistor do wody i podgrzewając go. Opór należy mierzyć co 15...20 stopni, a następnie wykreślić jego wartość. Jeśli konieczne jest odczytanie parametrów powyżej 100 stopni, zamiast wody można użyć oleju (np. oleju samochodowego lub przekładniowego).
Na wykresie przedstawiono typowe zależności rezystancji od temperatury - linia ciągła dotyczy PTC, a linia przerywana - NTC.
Gdzie stosować
Najbardziej oczywistym zastosowaniem termistorów są czujniki temperatury. Do tego celu nadają się zarówno termistory NTC, jak i PTC. Wystarczy wybrać element odpowiednio do obszaru roboczego i uwzględnić charakterystykę termistora w urządzeniu pomiarowym.
Możliwe jest zbudowanie przekaźnika termicznego - gdy rezystancja (a dokładniej spadek napięcia na niej) jest porównywana z ustawioną wartością, a wyjście jest przełączane po przekroczeniu progu. Urządzenie takie może być stosowane jako urządzenie monitorujące temperaturę lub jako czujka pożarowa. Czujniki temperatury wykorzystują zjawisko ogrzewania pośredniego, w którym termistor jest ogrzewany przez zewnętrzne źródło.
Ogrzewanie bezpośrednie - termistor jest ogrzewany przez przepływający przez niego prąd. Rezystory NTC mogą być wykorzystywane do ograniczania prądu - np. podczas ładowania kondensatorów o dużej pojemności po włączeniu, do ograniczania prądu rozruchowego silników itp. Elementy zależne od temperatury mają wysoką rezystancję, gdy są zimne. Gdy kondensator zostanie częściowo naładowany (lub silnik osiągnie prędkość nominalną), termistor zdąży się ogrzać pod wpływem przepływającego prądu, jego rezystancja spadnie i nie będzie już wpływał na działanie obwodu.
W ten sam sposób można przedłużyć żywotność żarówki, umieszczając w szeregu z nią termistor. Pozwoli to ograniczyć natężenie prądu w najtrudniejszym momencie - po włączeniu napięcia (wtedy właśnie większość żarówek ulega awarii). Po nagrzaniu nie będzie już oddziaływać na żarówkę.
Z kolei termistory o charakterystyce dodatniej są stosowane do ochrony silników elektrycznych podczas pracy. Jeżeli prąd uzwojenia wzrośnie z powodu zakleszczenia silnika lub przekroczenia obciążenia wału, rezystor PTC nagrzeje się i ograniczy ten prąd.
Termistory z ujemnym PTC mogą być również stosowane jako kompensatory ciepła dla innych elementów. Na przykład, jeśli termistor NTC z dodatnim PTC zostanie umieszczony równolegle z rezystorem ustawiającym tryb pracy tranzystora, zmiana temperatury wpłynie na każdy element w przeciwny sposób. Dzięki temu efekt temperaturowy jest kompensowany, a punkt pracy tranzystora nie ulega przesunięciu.
Istnieją urządzenia kombinowane nazywane termistorami ogrzewanymi pośrednio. Element zależny od temperatury i grzałka znajdują się w tej samej obudowie takiego elementu. Pomiędzy nimi istnieje kontakt termiczny, ale są one galwanicznie odizolowane. Zmieniając natężenie prądu przepływającego przez grzałkę, można regulować jej opór.
Termistory o różnych charakterystykach są szeroko stosowane w technice. Oprócz standardowych zastosowań można rozszerzyć zakres ich działania. Wszystko jest ograniczone jedynie wyobraźnią i kwalifikacjami projektanta.
Powiązane artykuły:
