Принцип действия терморезисторов

Терморезисторы

Терморезистор (от греч. therme — тепло, жар; от лат. resisto — сопротивляюсь), – обычно так называют полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Термистор был открыт Самьюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491.

Разработаны следующие разновидности терморезисторов:

1. Термистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.

2. Позистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.

3. Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.

4. Терморезистор косвенного подогрева, разогревается от специального дополнительного встроенного нагревателя.

5. Болометр – терморезистор, чувствительный к воздействию теплового и оптического излучений, содержащий в своем составе активную и компенсационную части.

Широко известны температурные зависимости электропроводности металлов, собственных и примесных полупроводников (германий, кремний и др.). Однако в терморезисторах эти материалы не нашли применения из-за:

- недостаточно сильной зависимости подвижности носителей заряда от температуры в проводниках и примесных полупроводниках;

- несоответствия типовому диапазону рабочих температур от -60⁰С до +60⁰С областей экспоненциального изменения концентрации носителей в примесных полупроводниках (область истощения примесей – менее 100 К, область перехода к собственной проводимости – более 400 К);

- высокой нестабильности величин сопротивлений технически изготавливаемых собственных полупроводников.

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор.

Измерения показывают, что температурная зависимость сопротивления большинства типов отечественных терморезисторов с отрицательным ТКС с достаточной для практики точностью во всем рабочем интервале температур или в его части аппроксимируется выражением:

R_T = А ·eхр(BT ),

где R_T – величина сопротивления терморезистора при температуре Т, К, постоянная А = А ₀· lS – зависит от физических свойств материала и габаритов терморезистора (1 – расстояние между электронами в см и S – площадь поперечного сечения полупроводникового элемента терморезистора в см); постоянная В зависит от физических свойств материала и может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.

Прологарифмировав выражение, получим lg R_T = lg А + 0,4343 BT. Это выражение в координатах R_T и 1 T представляет уравнение прямой, что значительно облегчает определение интервала температур, в котором формула с необходимой точностью аппроксимирует действительную зависимость R_T (Т). По результатам измерений R_T и Т строят график зависимости lg R_T = f (1/ T).Если через полученные экспериментально точки можно провести прямую, то считают, что в данном интервале температур выражение для R_T справедливо.

Для практических расчетов удобно исключить постоянную А. Написав формулу для RT для двух температур Т ₁ и Т ₂ и разделив одно на другое, получим:

R_{Т 2} = R_{Т 1}еxp(B ·(Т ₁- Т ₂)/ Т ₁· Т ₂)

Из этой формулы можно рассчитать величину сопротивления терморезистора при любой температуре Т ₂ (в интервале рабочих температур), зная значение постоянной В и сопротивление образца при какой-то температуре Т _1.

Величина В определяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурах Т ₁ и Т ₂. Логарифмируя предыдущее выражение, легко получить

B = (2,303·Δlg R)/ Δ(1/ T),

где Δlg R = lg RT ₂-lg RT ₁,а Δ(1/ T) = 1/ Т ₂-1/ Т ₁. В – это коэффициент температурной чувствительности, чаще используется размерность В в Кельвинах.

Если определить ТКС терморезистора α как это обычно принято: ТКС = α _T = (1/ R)(d R /d T), то следует, что α _T = - B / T ².

Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.

Для многих типов позисторов сопротивление в довольно большом интервале температур (порядка нескольких десятков градусов Цельсия/Кельвина) меняется строго по экспоненциальному закону:

R_T = А· eхр(α T),

где А – постоянная, α – температурный коэффициент сопротивления при температуре 1°С в абсолютных единицах.

Дата добавления: 2014-01-20