Терморезистор

Перший термістор з негативним температурним коефіцієнтом був створений у 1833 році Майклом Фарадеєм, який виявив напівпровідникову поведінку сульфіду срібла. Фарадей помітив, що опір сульфіду срібла різко зменшується при підвищенні температури (цей дослід був також першим документованим спостереженням напівпровідникового матеріалу).[1]

Оскільки перші термістори були складними у виготовленні і застосування технології було обмеженим, промислове виробництво терморезисторів почалося лише після 1930 року.[2] Перший життездатний комерційний зразок термістора був винайдений Самуелем Рубеном у 1930 році (патент США U.S. Patent 2 021 491).[3]

Датчик температури на основі термістора

Умовне позначення на електричній схемі

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) для позистора

Залежність опору термістора від температури. 1: для R<0.2: для R>0

Для термістора характерні великий температурний коефіцієнт опору (ТКО) (у десятки раз перевищує цей коефіцієнт для металів), простота використання, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях, стабільність характеристик у часі.

Терморезистори виготовляють у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб, намистинок і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії. Їхні розміри можуть варіюватися в межах від 1—10 мкм до 1—2 см.

Основними параметрами терморезистора є: номінальний опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочих температур, максимально припустима потужність розсіювання.

Розрізняють терморезистори з негативним (NTC-термістори, від англ. «Negative Temperature Coefficient») і позитивним (PTC-термістори, від англ. «Positive Temperature Coefficient», або просто — позистори) температурним коефіцієнтом опору (ТКО). Терморезистори з негативним ТКО виготовляють із суміші полікристалічних оксидів перехідних металів (наприклад, MnO, CoO, NiO, CuO), легованих Ge і Si, напівпровідників типу A^III B^V, скловидних напівпровідників і інших матеріалів.

Розрізняють терморезистори низькотемпературні (розраховані на роботу при температурах нижче 170 К), середньотемпературні (170—510 К) і високотемпературні (вище 570 К). Крім того, існують терморезистори, призначені для роботи при 4,2 К и нижче й при 900—1300 К. Найбільш широко використовуються середньотемпературні терморезистори із ТКО від — 2,4 до —8,4 %/ К і номінальним опором 1—10⁶ Ом.

Режим роботи терморезисторів залежить від того, на якій ділянці статичної вольт-амперної характеристики (ВАХ) обрана робоча точка. У свою чергу ВАХ залежить як від конструкції, розмірів і основних параметрів терморезистора, так і від температури теплопровідності навколишнього середовища, тепловому зв'язку між терморезистором і середовищем. Терморезистори з робочою точкою на початковій (лінійній) ділянці ВАХ використовуються для виміру й контролю температури й компенсації температурних змін параметрів електричних кіл і електронних приладів. Терморезистори з робочою точкою на спадній ділянці ВАХ (з негативним опором) застосовуються як пускові реле, реле часу, вимірники потужності електрогмагнітного випромінювання на НВЧ, стабілізатори температури й напруги. Режим роботи терморезистора, при якому робоча точка перебуває також на спадаючій ділянці ВАХ (при цьому використовується залежність опору терморезистора від температури й теплопровідності навколишнього середовища), характерний для терморезисторів, застосовуваних у системах теплового контролю й пожежної сигналізації, регулювання рівня рідких і сипучих середовищ; дія таких терморезисторів заснована на виникненні релейного ефекту в ланцюзі з терморезистором при зміні температури навколишнього середовища або умов теплообміну терморезистора з середовищем.

Виготовляються також терморезистори спеціальної конструкції — з непрямим підігрівом. У таких терморезисторах є обмотка підігріву, ізольована від напівпровідникового резистивного елемента (якщо при цьому потужність, що виділяється в резистивному елементі, мала, то тепловий режим терморезистора визначається температурою підігрівника, тобто струмом у ньому). Таким чином, з'являється можливість змінювати стан терморезистора, не міняючи струм через нього. Такий терморезистор використовується як змінний резистор, керований електрично на відстані.

З терморезисторів з позитивним температурним коефіцієнтом найбільший інтерес являють терморезистори, виготовлені із твердих розчинів на основі BaTiO₃. Такі терморезистори звичайно називають позисторами. Відомі терморезистори з невеликим позитивним температурним коефіцієнтом (0,5—0,7 %/ К), виконані на основі кремнію з електронною провідністю; їхній опір змінюється з температурою приблизно за лінійним законом. Такі терморезистори використовуються, наприклад, для температурної стабілізації електронного обладнання на транзисторах.

Варто відзначити, що графік зображений на малюнку «Вольт-амперна характеристика (ВАХ) для позистора» незручний, тому що неправильно розташовані осі — потрібно поміняти їх місцями. Для одержання ВАХ термістора графік необхідно повернути вліво на 90 градусів й інвертувати по вертикалі.

Для точних вимірювань температури в широкому діапазоні значень крива залежності має бути описана більш детально, ніж це робить лінійна залежність. Найчастіше для цього використовуєтиься рівняння Стейнхарта—Харта, яке дає наближення третього порядку і має такий вигляд:

${\displaystyle {1 \over T}=A+B\ln(R)+C[\ln(R)]^{3}}$

де:

• ${\displaystyle T}$ — абсолютна температура (у Кельвінах),
• ${\displaystyle R}$ — опір при температурі T (Ом),
• ${\displaystyle A}$, ${\displaystyle B}$, ${\displaystyle C}$ — коефіцієнти Стейнхарта—Харта, які варіюються залежно від типу і моделі термістора і від діапазону температур.

Для вираження опору як функції температури, вище поданий вираз може бути поданий як:

${\displaystyle R=\mathrm {exp} \left[{{\left(x-{1 \over 2}y\right)}^{1 \over 3}-{\left(x+{1 \over 2}y\right)}^{1 \over 3}}\right]}$

де

${\displaystyle {\begin{aligned}y&={1 \over c}\left(a-{1 \over T}\right)\\x&={\sqrt {\left({\frac {b}{3c}}\right)^{3}+\left({\frac {y}{2}}\right)^{2}}}\end{aligned}}}$

Похибка рівняння Стейнхарта—Харта, як правило, менша за 0.02 °C при вимірюванні температури в діапазоні 200 °C[4].

На основі термісторів розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, пожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін., також термістори часто використовуються для обмеження пускових струмів імпульсних блоків живлення.

• Термометр опору
• Резистор
• Термопара
• Термостат

• Шефтель И Т. Терморезисторы.
• Мэклин Є. Д. Терморезисторы.
• Шашков А. Г. Терморезистори і їх застосування.
• Гірничий енциклопедичний словник : у 3 т / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2001—2004.

• Терморезистор // Великий тлумачний словник сучасної української мови (з дод. і допов.) / уклад. і гол. ред. В. Т. Бусел. — 5-те вид. — К. ; Ірпінь : Перун, 2005. — ISBN 966-569-013-2.

• Термістор // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.