Термисторы: Резисторы с температурной зависимостью сопротивления

Введение

Тип резистора, сопротивление которого изменяется с температурой.

Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры, в большей степени, чем у стандартных резисторов. Слово «термистор» является слиянием слов «тепловой» и «резистор». Термисторы классифицируются в зависимости от модели проводимости. Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) имеют меньшее сопротивление при повышении температуры, а термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) – большее сопротивление при повышении температуры. Термисторы NTC широко используются в качестве ограничителей пускового тока и датчиков температуры, в то время как термисторы PTC применяются в качестве самовосстанавливающихся предохранителей от перегрузки по току и саморегулирующихся нагревательных элементов. Рабочий диапазон температур термистора зависит от типа датчика и обычно составляет от −100 °C до 300 °C (−148 °F и 572 °F).

PTC (положительный температурный коэффициент)

Большинство термисторов PTC изготавливаются из легированной поликристаллической керамики (содержащей титанат бария (BaTiO3) и другие соединения), обладающей свойством резкого увеличения сопротивления при достижении определенной критической температуры. Титанат бария является ферроэлектриком, и его диэлектрическая проницаемость изменяется в зависимости от температуры. Ниже температуры Кюри высокая диэлектрическая проницаемость препятствует образованию потенциальных барьеров между кристаллическими зернами, что приводит к низкому сопротивлению. В этом диапазоне устройство демонстрирует небольшой отрицательный температурный коэффициент. При температуре Кюри диэлектрическая проницаемость достаточно снижается, чтобы обеспечить формирование потенциальных барьеров на границах зерен, и сопротивление резко возрастает с увеличением температуры. При еще более высоких температурах материал возвращается к NTC-поведению. Другой тип термистора – силистор (термически чувствительный кремниевый резистор). Силисторы используют кремний в качестве полупроводникового материала. В отличие от керамических термисторов PTC, силисторы имеют практически линейную характеристику сопротивления в зависимости от температуры. Кремниевые термисторы PTC обладают значительно меньшим дрейфом, чем NTC-термисторы. Это стабильные устройства, герметично заключенные в осевой корпус со стеклянными выводами. Термисторы на основе титаната бария могут использоваться в качестве саморегулируемых нагревателей: при заданном напряжении керамика нагревается до определенной температуры, однако потребляемая мощность зависит от теплопотерь керамики. Динамика включения термисторов PTC обуславливает широкий спектр их применения. При первоначальном подключении к источнику напряжения протекает большой ток, соответствующий низкому сопротивлению в холодном состоянии, но по мере самонагрева термистора ток уменьшается до достижения предельного значения (и соответствующей максимальной температуры устройства). Эффект ограничения тока может заменить предохранители. В схемах размагничивания многих ЭЛТ-мониторов и телевизоров соответствующим образом подобранный термистор включается последовательно с размагничивающей катушкой. Это обеспечивает плавное снижение тока для повышения эффективности размагничивания. Некоторые из этих схем размагничивания имеют дополнительные нагревательные элементы для дальнейшего нагрева термистора (и уменьшения результирующего тока). Другой тип термистора PTC – полимерный PTC, продаваемый под торговыми марками, такими как "Polyswitch", "Semifuse" и "Multifuse". Он состоит из пластика с внедренными в него углеродными зернами. Когда пластик охлаждается, все углеродные зерна соприкасаются друг с другом, образуя проводящий путь через устройство. При нагреве пластик расширяется, раздвигая углеродные зерна, что приводит к увеличению сопротивления устройства, а затем к усилению нагрева и быстрому росту сопротивления. Как и термистор BaTiO3, это устройство имеет сильно нелинейную зависимость сопротивления от температуры, полезную для теплового или схемного управления, но не для измерения температуры. Помимо элементов схемы, используемых для ограничения тока, самоограничивающие нагреватели могут быть изготовлены в виде проводов или полос, пригодных для обогрева трубопроводов. Термисторы PTC "фиксируются" в горячем/высокоомном состоянии: после нагрева они остаются в этом состоянии до охлаждения. Этот эффект может быть использован в качестве примитивной схемы запора/памяти, который усиливается при использовании двух термисторов PTC последовательно, один из которых холодный, а другой – горячий. Стандартный символ МЭК для термистора PTC включает "+t°" под прямоугольником.

Most PTC thermistors are made from doped polycrystalline ceramic (containing barium titanate (BaTiO3) and other compounds) which have the property that their resistance rises suddenly at a certain critical temperature. Barium titanate is ferroelectric and its dielectric constant varies with temperature. Below the Curie point temperature, the high dielectric constant prevents the formation of potential barriers between the crystal grains, leading to a low resistance. In this region the device has a small negative temperature coefficient. At the Curie point temperature, the dielectric constant drops sufficiently to allow the formation of potential barriers at the grain boundaries, and the resistance increases sharply with temperature. At even higher temperatures, the material reverts to NTC behaviour. Another type of thermistor is a silistor (a thermally sensitive silicon resistor). Silistors employ silicon as the semiconductive component material. Unlike ceramic PTC thermistors, silistors have an almost linear resistance temperature characteristic. Silicon PTC thermistors have a much smaller drift than an NTC thermistor. They are stable devices which are hermetically sealed in an axial leaded glass encapsulated package. Barium titanate thermistors can be used as self controlled heaters; for a given voltage, the ceramic will heat to a certain temperature, but the power used will depend on the heat loss from the ceramic. The dynamics of PTC thermistors being powered lends to a wide range of applications. When first connected to a voltage source, a large current corresponding to the low, cold, resistance flows, but as the thermistor self heats, the current is reduced until a limiting current (and corresponding peak device temperature) is reached. The current limiting effect can replace fuses. In the degaussing circuits of many CRT monitors and televisions an appropriately chosen thermistor is connected in series with the degaussing coil. This results in a smooth current decrease for an improved degaussing effect. Some of these degaussing circuits have auxiliary heating elements to heat the thermistor (and reduce the resulting current) further. Another type of PTC thermistor is the polymer PTC, which is sold under brand names such as "Polyswitch" "Semifuse", and "Multifuse". This consists of plastic with carbon grains embedded in it. When the plastic is cool, the carbon grains are all in contact with each other, forming a conductive path through the device. When the plastic heats up, it expands, forcing the carbon grains apart, and causing the resistance of the device to rise, which then causes increased heating and rapid resistance increase. Like the BaTiO3 thermistor, this device has a highly nonlinear resistance/temperature response useful for thermal or circuit control, not for temperature measurement. Besides circuit elements used to limit current, self limiting heaters can be made in the form of wires or strips, useful for heat tracing. PTC thermistors "latch" into a hot / high resistance state: once hot, they stay in that high resistance state, until cooled. The effect can be used as a primitive latch/memory circuit, the effect being enhanced by using two PTC thermistors in series, with one thermistor cool, and the other thermistor hot. The IEC standard symbol for a PTC thermistor includes a "+t°" under the rectangle.

НТК

В качестве термометра для измерения низких температур порядка 10 К. В качестве ограничителя пускового тока в схемах питания они изначально обладают более высоким сопротивлением, что предотвращает протекание больших токов при включении, а затем нагреваются и становятся значительно менее сопротивляющимися, обеспечивая нормальный ток при работе. Эти термисторы обычно намного больше, чем измерительные термисторы, и специально разработаны для этой цели. В качестве датчиков в автомобильных приложениях для контроля температуры жидкостей, таких как охлаждающая жидкость двигателя, воздух в салоне, наружный воздух или масло двигателя, передавая соответствующие показания в блоки управления, такие как ЭБУ, и на приборную панель. Для контроля температуры инкубаторов. Термисторы также широко используются в современных цифровых термостатах и для мониторинга температуры аккумуляторных батарей во время зарядки. Термисторы часто применяются в нагревательных головках 3D-принтеров, контролируя выделяемое тепло и позволяя управляющей электронике принтера поддерживать постоянную температуру для плавления пластиковой нити. В пищевой промышленности, особенно в системах хранения и приготовления пищи. Поддержание правильной температуры критически важно для предотвращения пищевых отравлений. В бытовой приборостроении для измерения температуры: тостеры, кофеварки, холодильники, морозильники, фены и т.д. – все они полагаются на термисторы для точного контроля температуры. NTC-термисторы выпускаются в форм-факторах с открытыми выводами и с выводами, первый предназначен для точечного измерения с высокой точностью в определенных точках, например, кристалла лазерного диода. Для измерения температурного профиля внутри герметичной полости конвективного (теплового) инерциального датчика. Сборки термодатчиков обеспечивают защиту датчика в жестких условиях эксплуатации. Термисторный элемент может быть помещен в различные корпуса для использования в таких отраслях, как HVAC/R, автоматизация зданий, бассейны/спа, энергетика и промышленная электроника. Корпуса могут быть изготовлены из нержавеющей стали, алюминия, латуни или пластика, а конфигурации включают резьбовые (NPT и т.д.), фланцевые (с монтажными отверстиями для облегчения установки) и прямые (плоский наконечник, заостренный наконечник, наконечник с радиусом и т.д.). Сборки термодатчиков отличаются высокой прочностью и могут быть легко настроены в соответствии с требованиями конкретного применения. Сборки датчиков стали более популярными с годами благодаря усовершенствованиям в исследованиях, разработке и производственных технологиях. NTC-термисторы, получившие признание UL в категории XGPU2, помогают производителям оборудования сэкономить время и деньги при подаче заявок на получение разрешений по безопасности для своей конечной продукции. Герметичные стеклянные термисторы DO 35 могут работать при температуре до 250 °C, что дает им преимущество во многих областях применения, где требуется сертификация UL для чувствительного элемента.

As a thermometer for low temperature measurements of the order of 10 K.
As an inrush current limiter device in power supply circuits, they present a higher resistance initially, which prevents large currents from flowing at turn on, and then heat up and become much lower resistance to allow higher current flow during normal operation. These thermistors are usually much larger than measuring type thermistors, and are purposely designed for this application. As sensors in automotive applications to monitor fluid temperatures like the engine coolant, cabin air, external air or engine oil temperature, and feed the relative readings to control units like the ECU and to the dashboard. To monitor the temperature of an incubator. Thermistors are also commonly used in modern digital thermostats and to monitor the temperature of battery packs while charging. Thermistors are often used in the hot ends of 3D printers; they monitor the heat produced and allow the printer's control circuitry to keep a constant temperature for melting the plastic filament. In the food handling and processing industry, especially for food storage systems and food preparation. Maintaining the correct temperature is critical to prevent foodborne illness. Throughout the consumer appliance industry for measuring temperature. Toasters, coffee makers, refrigerators, freezers, hair dryers, etc. all rely on thermistors for proper temperature control. NTC thermistors come in bare and lugged forms, the former is for point sensing to achieve high accuracy for specific points, such as laser diode die, etc. For measurement of temperature profile inside the sealed cavity of a convective (thermal) inertial sensor. Thermistor Probe Assemblies offer protection of the sensor in harsh environments. The thermistor sensing element can be packaged into a variety of enclosures for use in industries such as HVAC/R, Building Automation, Pool/Spa, Energy and Industrial Electronics. Enclosures can be made out of stainless steel, aluminum, copper brass or plastic and configurations include threaded (NPT, etc. ), flanged (with mounting holes for ease of installation) and straight (flat tip, pointed tip, radius tip, etc.). Thermistor probe assemblies are very rugged and are highly customizable to fit the application needs. Probe assemblies have gained in popularity over the years as improvements in research, engineering and manufacturing techniques have been made. UL Recognized NTC thermistors in the XGPU2 category helps save equipment manufacturers time and money when applying for safety approvals for their end product. DO 35 hermetically sealed glass encapsulated thermistors can operate up to 250 °C which gives them an advantage in many applications when UL is requested for a sensing element.

История

Первый NTC-термистор был открыт в 1833 году Майклом Фарадеем, который доложил о полупроводниковых свойствах сульфида серебра. Фарадей заметил, что сопротивление сульфида серебра резко уменьшалось с ростом температуры. (Это было также первое зафиксированное наблюдение полупроводникового материала.) Из-за сложности производства ранних термисторов и ограниченности областей их применения, коммерческое производство термисторов началось лишь в 1930-х годах. Коммерчески пригодный термистор был изобретен Сэмюэлем Рубеном в 1930 году.