Полупроводниковые терморезисторы (термисторы)

Полупроводниковыми терморезисторами называются объемные нелинейные резисторы, величина электрического сопротивления которых резко уменьшается при увеличении температуры. Они из­готовляются из смеси окислов различных металлов (например, CuO, CoO, MnO). Терморезистор в процессе изготовления подвер­гают обжигу при высокой температуре, в результате чего окислы спекаются в монолитную массу, образуя химическое соединение.

Чувствительность терморезисторов к изменению температуры значительно выше, чем металлических. Так, при повышении темпе­ратуры от 0 до 100° С (273—373 К) сопротивление меди увеличи­вается всего на 43%, в то время как у термисторов сопротивление уменьшается в 20—70 раз — в зависимости от величины его темпе­ратурного коэффициента сопротивления α_т. Температурный коэф­фициент сопротивления термистора примерно в 6—10 раз больше, чем у металлических терморезисторов (для металлов α_т = = (4÷6)10^-3 1/К, а для термисторов α_т = —40· 10^-3 1/К). Некото­рые типы термисторов при θ = (291 ÷ 293) К имеют сопротивление от одного до нескольких сотен килоом и пригодны для работы в диапазоне температур от —100 до +500° С (173—773 К) и выше.

Основной характеристикой терморезистора является зависи­мость его сопротивления от температуры:

R _т = Ае ^B/T, (10. 6)

где А —постоянная, зависящая от физических свойств полупровод­ника и конструкции терморезистора; В — постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; T — абсолютная темпера­тура, К (T = 273^Ο + θ).

Температурный коэффициент α_т полупроводникового терморе­зистора определяется на основании следующих рассуждений: за­висимость сопротивления проводника от температуры в соответст­вии с формулой (10. 5) будет иметь вид

R _T = R ₀[1 + α _T(Τ - T₀)].(10. 7)

Из формулы (10. 7) находим значение α_т:

В пределе при ∆ T →0 температурный коэффициент сопротивле­ния

(10. 8)

Из формулы (10. 8) температурный коэффициент для термисто­ров

(10. 9)

Анализ формулы (10. 9) показывает, что температурный коэф­фициент сопротивления для термисторов отрицателен и с увеличе­нием температуры быстро уменьшается, в то время как для металлических терморезисторов темпе­ратурный коэффициент положи­телен и практически постоянен. На рис. 10. 1 показаны зависимо­сти сопротивления от температу­ры медного и полупроводниковых терморезисторов. В зависимости от материала термисторы делятся на медно-марганцевые MMT и ко­бальто-марганцевые KMT, кото­рые могут работать в цепях как переменного, так и постоянного тока.

Благодаря большому отрица­тельному температурному коэф­фициенту сопротивления терми­сторы находят широкое примене­ние для компенсации температур­ных погрешностей в измеритель­ных схемах путем, например, по­следовательного включения его с медной обмоткой какого-либо элемента схемы.

Так как темпера­турные коэффициенты у термистора и обмотки имеют различные значения, то их можно подобрать таким образом, чтобы при изме­нении температуры

окружающей среды общее сопротивление было постоянным. Благодаря высокому удельному сопротивлению тер­мисторов их габариты и инерционность можно свести к минимуму Статическая чувствительность термистора определяется отно­шением выходной величины к входной, т. е.

K _CT = R/T = Ae^B/T/T. (10. 10)

Динамическая чувствительность

K _Д = dR _T ^!dT = d (Ae^B/T)/ dT = - ABe^B/T/T ². (10. 11)

Разделив уравнение (10. 11) на (10. 10), получим выражение для относительной чувствительности:

(10. 12)

Относительная чувствительность может превосходить значения, большие единицы.

Конструктивно термисторы оформляются различно — в зависи­мости от их применения. Они изготовляются в виде маленьких стерженьков (длиной 12 мм и диаметром 1, 8 мм), шайб, дисков и бусинок. На рис. 10. 2 изображены конструктивные схемы терми­сторов.

Термисторы типа MMT-I и KMT-1 (рис. 10. 2, а) оформляют­ся так же, как и высокоомные сопротивления с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стерж­ня 1, покрытого эмалевой краской, с контактными колпачками 2 и токоотводами 3. Такие термисторы применяются только в сухих помещениях. Наиболее термостойкими являются термисторы типа KMT-1, которые работают при температурах до 180⁰C (453 К).

Термисторы типа ММТ-4* и КМТ-4 (рис. 10.2, б) помещены в металлические корпуса 2 и герметизированы, благодаря чему они используются в любой неагрессивной среде (относительно корпуса термистора) и в условиях повышенной влажности. Герметизация термистора выполнена с помощью стекла 4 и олова 5. Полупровод­никовый стержень 1 (в термисторах типа ММТ-4) обернут фоль­гой 6. Токоотвод 3 выполнен из никелевой проволоки.

На рис. 10. 2, в показан в разрезе термистор типа КМТ-10, где 1 — стержень (термистор); 2 — токоотводы; 3 — корпус; 4 — изоля­тор.

На рис. 10. 2, г изображено устройство термистора типа МТ-54— «Игла». Такой термистор состоит из полупроводникового шарика 1 диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электро­дами 2 впрессован в стекло. Толщина стекла составляет примерно 50 мкм. На расстоянии около 2, 5 мм от центра шарика платиновые электроды свариваются с выводами из никелевой проволоки 4. В таком виде термистор вместе с токоотводами помещается в стек­лянный корпус 3 длиной от З до 100 мм (в зависимости от типа термистора). Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой теп­ловой инерцией— порядка 0, 02 с — и используются в интервале температур от —70 до + 250⁰C (20З ÷ 52З К). Такой термистор при­меняется для измерения разности температур кровеносных сосудов в разных частях человеческого тела, для измерения температуры листьев растений и др.

Подробные данные о разных типах полупроводниковых термо­резисторов приводятся в каталогах и справочниках.

Следует отметить, что термисторы имеют большой разброс па­раметров. Это обстоятельство ограничивает взаимозаменяемость термисторов, что является их недостатком.

Область использования термистора зависит от величины тока разогрева. На рис. 10. 3, а приведена вольт-амперная характеристи­ка термистора, который реагирует на изменение температуры по­рядка 0, 0005 К. Из рис. 10. 3, а следует, что при токах до 0, 5 мА влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление тер­мистора практически не зависит от тока. Напряжение на термисто­ре растет сначала пропорционально току (участок 0 — а). Обычно термистор в этом режиме используется как датчик для измерения температуры окружающей среды. При повышении температуры, которое происходит при увеличении тока, нагрев термистора будет более активным, что приводит к уменьшению его сопротивления, и вольт-амперная характеристика начинает убывать, т. е. имеет «падающий» характер (участок а —б). В таком режиме термистор используется как термореле, ограничитель тока, стабилизатор на­пряжения и др.

При увеличении температуры окружающей среды T _CP + ∆T (при том же значении тока) увеличивается нагрев термистора до темпе­ратуры T, его сопротивление уменьшается и, следовательно, вольт-амперная характеристика располагается ниже (пунктирная кри­вая). Очевидно, характер вольт-амперной характеристики определяется нагревом самого термистора проходящим через него током по сравнению с температурой окружающей среды Т _ср. Разным точкам на вольт-амперной характеристике соответствуют разные температуры T — T_{C P}. Из характеристики термистора можно опре­делить для любой ее точки сопротивление R = U/I, а также рассеи­ваемую в термисторе мощность P _p = IU ₀.

Резко выраженная нелинейность вольт-амперных характеристик термисторов позволяет использовать их в релейном режиме. На рис. 10. 3, б, в представлены схема и характеристика термистора в этом режиме. Если предположить, что в цепи термистора отсут­ствует активное сопротивление R, то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая U _Tна рис. 10. 3, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь термистора (рис. 10. 3, б) включить резистор с прямолинейной характеристикой U _R (рис. 10. 3, в). При сложении этих двух характеристик (U _T + U _R) получим общую вольт-амперную характеристику U₀ с релейным эффектом (кривая имеет вид буквы S). Эта характеристика напо­минает работу бесконтактного магнитного реле (см. § 19. 20). Из характеристики видно, что при достижении значения напряжения U _ср(этому напряжению соответствует ток I ₁) ток скачком возрас­тает до значения i _CP (I ₃). При дальнейшем увеличении напряжения ток будет плавно возрастать (от I ₂ и далее). При уменьшении на­пряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I ₃ (этому току соответствует напряжение отпускания U _οτ), а затем скачком падает до значения i _воз (I ₄), после чего ток плавно уменьшается до нуля. При срабатывании ток увеличивается во много раз. Из-за инерционности термистора скачок тока происходит не сразу, а по­степенно.

Релейные схемы нашли применение в ряде устройств автомати­ческого контроля, защиты и регулирования. В частности, такое реле может реагировать на величину окружающей температуры, а так­же на изменение условий теплоотдачи при изменении скорости га­зового потока вакуума, скорости потоков жидкостей и др.

Дата добавления: 2015-05-09