Зависимость электрического сопротивления терморезистора от температуры

В электронике всегда приходится что-то измерять или оценивать. Например, температуру. С этой задачей успешно справляются терморезисторы – электронные компоненты на основе полупроводников, сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры.

Здесь я не буду расписывать теорию физических процессов, которые происходят в терморезисторах, а перейду ближе к практике – познакомлю читателя с обозначением терморезистора на схеме, его внешним видом, некоторыми разновидностями и их особенностями.

На принципиальных схемах терморезистор обозначается вот так.

В зависимости от сферы применения и типа терморезистора обозначение его на схеме может быть с небольшими отличиями. Но вы всегда его определите по характерной надписи t или t° .

Основная характеристика терморезистора – это его ТКС. ТКС – это температурный коэффициент сопротивления. Он показывает, на какую величину изменяется сопротивление терморезистора при изменении температуры на 1°С (1 градус Цельсия) или 1 градус по Кельвину.

У терморезисторов несколько важных параметров. Приводить я их не буду, это отдельный рассказ.

На фото показан терморезистор ММТ-4В (4,7 кОм). Если подключить его к мультиметру и нагреть, например, термофеном или жалом паяльника, то можно убедиться в том, что с ростом температуры его сопротивление падает.

Терморезисторы есть практически везде. Порой удивляешься тому, что раньше их не замечал, не обращал внимания. Давайте взглянем на плату от зарядного устройства ИКАР-506 и попробуем найти их.

Вот первый терморезистор. Так как он в корпусе SMD и имеет малые размеры, то запаян на небольшую плату и установлен на алюминиевый радиатор – контролирует температуру ключевых транзисторов.

Второй. Это так называемый NTC-термистор (JNR10S080L). О таких я ещё расскажу. Служит он для ограничения пускового тока. Забавно. Вроде терморезистор, а служит в качестве защитного элемента.

Почему то если заходит речь о терморезисторах, то обычно думают, что они служат для измерения и контроля температуры. Оказывается, они нашли применение и как устройства защиты.

Также терморезисторы устанавливаются в автомобильные усилители. Вот терморезистор в усилителе Supra SBD-A4240. Здесь он задействован в цепи защиты усилителя от перегрева.

Вот ещё пример. Это литий-ионный аккумулятор DCB-145 от шуруповёрта DeWalt. Вернее, его «потроха». Для контроля температуры аккумуляторных ячеек применён измерительный терморезистор.

Его почти не видно. Он залит силиконовым герметиком. Когда аккумулятор собран, то этот терморезистор плотно прилегает к одной из Li-ion ячеек аккумулятора.

Прямой и косвенный нагрев.

По способу нагрева терморезисторы делят на две группы:

Прямой нагрев. Это когда терморезистор нагревается внешним окружающим воздухом или током, который протекает непосредственно через сам терморезистор. Терморезисторы с прямым нагревом, как правило, используются либо для измерения температуры, либо температурной компенсации. Такие терморезисторы можно встретить в термометрах, термостатах, зарядных устройствах (например, для Li-ion батарей шуруповёртов).

Косвенный нагрев. Это когда терморезистор нагревается рядом расположенным нагревательным элементом. При этом он сам и нагревательный элемент электрически не связаны друг с другом. В таком случае, сопротивление терморезистора определяется функцией тока, протекающего через нагревательный элемент, а не через терморезистор. Терморезисторы с косвенным нагревом являются комбинированными приборами.

NTC-термисторы и позисторы.

По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа:

PTC-термисторы (они же позисторы).

Давайте разберёмся, какая между ними разница.

NTC-термисторы.

Своё название NTC-термисторы получили от сокращения NTC – Negative Temperature Coefficient, или «Отрицательный Коэффициент Сопротивления». Особенность данных термисторов в том, что при нагреве их сопротивление уменьшается. Кстати, вот так обозначается NTC-термистор на схеме.

Обозначение термистора на схеме

Как видим, стрелки на обозначении разнонаправлены, что указывает на основное свойство NTC-термистора: температура увеличивается (стрелка вверх), сопротивление падает (стрелка вниз). И наоборот.

На практике встретить NTC-термистор можно в любом импульсном блоке питания. Например, такой термистор можно обнаружить в блоке питания компьютера. Мы уже видели NTC-термистор на плате ИКАР’а, только там он был серо-зелёного цвета.

На этом фото NTC-термистор фирмы EPCOS. Применяется для ограничения пускового тока.

Для NTC-термисторов, как правило, указывается его сопротивление при 25°С (для данного термистора это 8 Ом) и максимальный рабочий ток. Обычно это несколько ампер.

Данный NTC-термистор устанавливается последовательно, на входе сетевого напряжения 220V. Взгляните на схему.

Так как он включен последовательно с нагрузкой, то весь потребляемый ток протекает через него. NTC-термистор ограничивает пусковой ток, который возникает из-за заряда электролитических конденсаторов (на схеме С1). Бросок зарядного тока может привести к пробою диодов в выпрямителе (диодный мост на VD1 — VD4).

При каждом включении блока питания конденсатор начинает заряжаться, а через NTC-термистор начинает протекать ток. Сопротивление NTC-термистора при этом велико, так как он ещё не успел нагреться. Протекая через NTC-термистор, ток разогревает его. После этого сопротивление термистора уменьшается, и он практически не препятствует протеканию тока, потребляемого прибором. Таким образом, за счёт NTC-термистора удаётся обеспечить «плавный запуск» электроприбора и уберечь от пробоя диоды выпрямителя.

Понятно, что пока импульсный блок питания включен, NTC-термистор находится в «подогретом» состоянии.

Если в схеме происходит выход из строя каких-либо элементов, то, обычно резко возрастает и потребляемый ток. При этом нередки случаи, когда NTC-термистор служит своего рода дополнительным предохранителем и также выходят из строя из-за превышения максимального рабочего тока.

Далее на фото наглядный пример – сгоревший NTC-термистор 5D-11, который был установлен в зарядном устройстве ИКАР-506. Он ограничивал пусковой ток при включении.

Выход из строя ключевых транзисторов в блоке питания зарядного устройства привел к превышению максимального рабочего тока этого термистора (max 4A) и он сгорел.

Позисторы. PTC-термисторы.

Термисторы, сопротивление которых при нагреве растёт, называют позисторами. Они же PTC-термисторы (PTC — Positive Temperature Coefficient, «Положительный Коэффициент Сопротивления»).

Стоит отметить, что позисторы получили менее широкое распространение, чем NTC-термисторы.

Условное обозначение позистора на схеме.

Позисторы легко обнаружить на плате любого цветного CRT-телевизора (с кинескопом). Там он установлен в цепи размагничивания. В природе встречаются как двухвыводные позисторы, так и трёхвыводные.

На фото представитель двухвыводного позистора, который применяется в цепи размагничивания кинескопа.

Внутри корпуса между выводами-пружинами установлено рабочее тело позистора. По сути это и есть сам позистор. Внешне выглядит как таблетка с напылением контактного слоя по бокам.

Как я уже говорил, позисторы используются для размагничивания кинескопа, а точнее его маски. Из-за магнитного поля Земли или влияния внешних магнитов маска намагничивается, и цветное изображение на экране кинескопа искажается, появляются пятна.

Наверное, каждый помнит характерный звук «бдзынь», когда включается телевизор — это и есть тот момент, когда работает петля размагничивания.

Кроме двухвыводных позисторов широко применяются трёхвыводные позисторы. Вот такие.

Далее на фото трёхвыводный позистор СТ-15-3.

Отличие их от двухвыводных заключается в том, что они состоят из двух позисторов-«таблеток», которые установлены в одном корпусе. На вид эти «таблетки» абсолютно одинаковые. Но это не так. Кроме того, что одна таблетка чуть меньше другой, так ещё и сопротивление их в холодном состоянии (при комнатной температуре) разное. У одной таблетки сопротивление около 1,3

3,6 кОм, а у другой всего лишь 18

Трёхвыводные позисторы также применяются в цепи размагничивания кинескопа, как и двухвыводные, но только схема их включения немного иная. Если вдруг позистор выходит из строя, а такое бывает довольно часто, то на экране телевизора появляются пятна с неестественным отображением цвета.

Более детально о применении позисторов в цепи размагничивания кинескопов я уже рассказывал здесь.

Так же, как и NTC-термисторы, позисторы используются в качестве устройств защиты. Одна из разновидностей позистора — это самовосстанавливающийся предохранитель.

SMD-терморезисторы.

С активным внедрением SMT-монтажа, производители стали выпускать миниатюрные терморезисторы, адаптированные и под него. Размеры их корпуса, как правило, соответствуют стандартным типоразмерам (0402, 0603, 0805, 1206), которые имеют чип резисторы и конденсаторы. Маркировка на них не наносится, что затрудняет их идентификацию. По внешнему виду SMD-терморезисторы очень похожи на керамические SMD-конденсаторы.

Встроенные терморезисторы.

В электронике активно применяются и встроенные терморезисторы. Если у вас паяльная станция с контролем температуры жала, то в нагревательный элемент встроен тонкоплёночный терморезистор. Также терморезисторы встраиваются и в фен термовоздушных паяльных станций, но там он является отдельным элементом.

Стоит отметить, что в электронике наряду с терморезисторами активно применяются термопредохранители и термореле (например, типа KSD), которые также легко обнаружить в электронных приборах.

Теперь, когда мы познакомились с терморезисторами, пора узнать об их параметрах.

ТЕРМИСТОРЫ

Термисторы — это по сути термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом).

Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), целиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С.

При изготовлении бусинковых термисторов бусинки наносятся на две параллельные платиновые проволоки при температуре 1100 °С, проволоки разрезаются на куски для получения необходимой конфигурации выводов. На бусинки наносится стеклянное покрытие, спекаемое при 300 °С, либо бусинки герметизируются внутри миниатюрных стеклянных трубок. Для получения металлических контактов в дисковых термисторах, на диск наносится металлическое покрытие Pt-Pd-Ag и выводные проводники соединяются с покрытием пайкой или прессованием.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Зависимость сопротивления термистора от температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

где Т – абсолютная температура, при которой сопротивление резистора равно R, Т – абсолютная температура, при которой определяется сопротивление

R_Т, В ‑ постоянный коэффициент (принимает значения в диапазоне 2000 – 7000 К), е – основание натурального логарифма. Величина ТКС (размерность ‑ %/К) для большинства термисторов лежит в диапазоне 2,4 – 8,4.

Постоянной времени термистора принято считать время, в течение которого его сопротивление уменьшится в е раз при резком изменении температуры окружающей среды от +20 С до + 120 С, она колеблется в пределах 30‑100 с. Обозначения термисторов — КМТ, ММТ, СТ1, СТ3, номинальные сопротивления при 20 С – от 1 Ом до 1000 кОм.

Однако, сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода.

Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

,

где T – температура в К; R – сопротивление в Ом; a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОмный термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С близкие к следующим значениям:

Дисковые термисторы могут быть взаимозаменяемыми, т.

е. все датчики определенного типа будут иметь одну и ту же характеристику в пределах установленного производителем допуска. Лучший возможный допуск, как правило, ±0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Бусинковые термисторы не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки.

Градуировка термисторов может осуществляться в жидкостных термостатах. Необходимо герметизировать термисторы, погрузив их в стеклянные пробирки. Обычно для градуировки и вычисления констант проводится сличение термистора с образцовым платиновым термометром. В диапазоне от 0 до 100 °С сличение проводится в точках с интервалом 20 °С.

Могут также использоваться реперные точки: тройная точка воды (0,01 °С), точка плавления галлия (29,7646 °С), точки фазовых переходов эвтектик и органических материалов.

Для градуировки нескольких термисторов они могут быть соединены последовательно, так чтобы через них проходил одинаковый ток. При градуировке и использовании термисторов важно учитывать эффект нагрева измерительным током. Для 10 кОм – ого термистора рекомендуется выбирать токи от 10 мкА (погрешность 0,1 мК), до 100 мкА (погрешность 10 мК).

Стабильность

Причины нестабильности термисторов следующие:

— напряжения, возникающие в материале при термоциклировании и образование микротрещин;

— структурные изменения в полупроводнике;

— внешнее загрязнение (водой и др. веществами) и в результате химические реакции в порах и на поверхности полупроводника;

— нарушение адгезии металлической пленки;

— миграция примесей из металлических контактов в материал термистора.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Диапазон наилучшей стабильности термисторов – от 0 до 100 °С. Основными преимуществами термисторов являются вибропрочность, малый размер, малая инерционность и невысокая цена.

Сравнительная таблица трех основных типов контактных температурных датчиков

Тип датчика	Термистор	Термометр сопротивления	Термопара
ПАРА-МЕТР	Эл. сопротивление	Эл. сопротивление	Эл. напряжение
ПРЕИ-МУ-ЩЕСТ-ВА	Высокая чувствитель-ность сопротивление-температура Малая инерционность Высо-кое сопротивление, что устраняет необходи-мость четырех-проводного включения Малый размер Низкая стоимость. Высокая стабильность Хорошая взаимозаменяемость	Хорошая линейность характеристики Высокая стабильность Высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур	Широкий температурный диапазон Простота производства Низкая стоимость Износоустойчивость Не требует дополнительных источников энергии
НЕДО-СТАТ-КИ	Нелинейная характеристика. Рабочий диапазон температур примерно от -60 до +300 °С Взаимозаменяемость только в узком диапазоне температур Необходим источник тока	Низкая чувствиитель-ность Относительно большая инерцион-ность. Необходимость трех- или четырех-проводной схемы включения. Чувствительность к ударам и вибрациям. Необходим источник тока. Высокая стоимость	Нелинейная характеристика Относительно низкая стабильность Низкая чувствительность Измерение низких ЭДС может осложниться электро-магнитными шумами и наводками Необходима компенсация холодных спаев

|	следующая лекция ==>
Розробка програми санації	|	Хирургическая анатомия паховых грыж. Топографическая анатомия паховой области

Дата добавления: 2016-04-19 ; просмотров: 1153 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры называются терморезисторы. Они имеют свойство значительного температурного коэффициента сопротивления, величина которого больше, чем у металлов во много раз. Они широко применяются в электротехнике.

На электрических схемах терморезисторы обозначаются:

Устройство и работа

Они имеют простую конструкцию, выпускаются разных размеров и формы.

В полупроводниках есть свободные носители заряда двух видов: электроны и дырки. При неизменной температуре эти носители произвольно образуются и исчезают. Среднее количество свободных носителей находится в динамическом равновесии, то есть неизменно.

При изменении температуры равновесие нарушается. Если температура повышается, то число носителей заряда также увеличивается, а при снижении температуры концентрация носителей уменьшается. На удельное сопротивление полупроводника оказывает влияние температура.

Если температура подходит к абсолютному нулю, то полупроводник имеет свойство диэлектрика. При сильном нагревании он идеально проводит ток. Основной особенностью терморезистора является то, что его сопротивление наиболее заметно зависит от температуры в обычном интервале температур (-50 +100 градусов).

Популярные терморезисторы производятся в виде стержня из полупроводника, который покрыт эмалью. К нему подведены электроды и колпачки для контакта. Такие резисторы применяются в сухих местах.

Некоторые терморезисторы располагают в металлическом герметичном корпусе. Поэтому они могут использоваться во влажных местах с агрессивной внешней средой.

Герметичность корпуса создается при помощи олова и стекла. Стержни из полупроводника обернуты металлизированной фольгой. Для подключения тока применяется проволока из никеля. Величина номинального сопротивления составляет 1-200 кОм, температура работы -100 +129 градусов.

Принцип действия терморезистора основан на свойстве изменения сопротивления от температуры. Для изготовления используются чистые металлы: медь и платина.

Основные параметры

• ТКС – термический коэффициент сопротивления , равен изменению сопротивления участка цепи при изменении температуры на 1 градус. Если ТКС положительный, то терморезисторы называют позисторами (РТС-термисторы) . А если ТКС отрицательный, то термисторами (NТС-термисторы) . У позисторов при повышении температуры повышается и сопротивление, а у термисторов все происходит наоборот.
• Номинальное сопротивление – это величина сопротивления при 0 градусах.
• Диапазон работы . Резисторы делят на низкотемпературные (менее 170К), среднетемпературные (от 170 до 510 К), высокотемпературные (более 570К).
• Мощность рассеяния . Это величина мощности, в пределах которой терморезистор во время работы обеспечивает сохранение заданных параметров по техническим условиям.

Виды и особенности терморезисторов

Все датчики температуры на производстве работают по принципу преобразования температуры в сигнал электрического тока, который можно передавать с большой скоростью на дальние расстояния. Любые величины можно преобразовать в электрические сигналы, переведя их в цифровой код. Они передаются с высокой точностью, и обрабатываются вычислительной техникой.

Металлические терморезисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к терморезисторам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен иметь высокий ТКС, а сопротивление должно зависеть от температуры по линейному графику в большом интервале температур.

Также проводник из металла должен обладать инертностью к агрессивным действиям внешней среды и качественно воспроизводить характеристики, что дает возможность менять датчики без особых настроек и измерительных приборов.

Для таких требований хорошо подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Терморезисторы на их основе называют платиновыми и медными. ТСП (платиновые) термосопротивления работают при температурах -260 — 1100 градусов. Если температура в пределах от 0 до 650 градусов, то такие датчики применяют в качестве образцов и эталонов, так как в этом интервале нестабильность составляет не более 0,001 градусов.

Из недостатков платиновых терморезисторов можно назвать нелинейность преобразования и высокую стоимость. Поэтому точные замеры параметров возможны только в рабочем диапазоне.

Практически широко применяются недорогие медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление и неустойчивость к повышенным температурам, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное использование, не более 180 градусов.

Для монтажа платиновых и медных датчиков применяют 2-проводную линию при расстоянии до прибора до 200 метров. Если удаление больше, то применяют трехжильный кабель, в котором третий проводник служит для компенсирования сопротивления проводов.

Из недостатков платиновых и медных терморезисторов можно отметить их малую скорость работы. Их тепловая инерция достигает нескольких минут. Существуют терморезисторы с малой инерционностью, время срабатывания которых не выше нескольких десятых секунды. Это достигается небольшими размерами датчиков. Такие термосопротивления производят из микропровода в стеклянной оболочке. Эти датчики имеют небольшую инерцию, герметичны и обладают высокой стабильностью. При небольших размерах они обладают сопротивлением в несколько кОм.

Полупроводниковые

Такие сопротивления имеют название термисторов. Если их сравнить с платиновыми и медными образцами, то они обладают повышенной чувствительностью и ТКС отрицательного значения. Это значит, что при возрастании температуры сопротивление резистора снижается. У термисторов ТКС намного больше, чем у платиновых и медных датчиков. При небольших размерах их сопротивление доходит до 1 мегома, что не позволяет оказывать влияние на измерение сопротивлению проводников.

Для осуществления замеров температуры большую популярность приобрели терморезисторы на полупроводниках КМТ, состоящих из оксидов кобальта и марганца, а также термосопротивления ММТ на основе оксидов меди и марганца. Зависимость сопротивления от температуры на графике имеет хорошую линейность в интервале температур -100 +200 градусов. Надежность терморезисторов на полупроводниках довольно высока, свойства имеют достаточную стабильность в течение длительного времени.

Основным их недостатком является такой факт, что при массовом изготовлении таких терморезисторов не получается обеспечить необходимую точность их характеристик. Поэтому один отдельно взятый резистор будет отличаться от другого образца, подобно транзисторам, которые из одной партии могут иметь различные коэффициенты усиления, трудно найти два одинаковых образца. Этот отрицательный момент создает необходимость дополнительной настройки аппаратуры при замене терморезистора.

Для подключения термисторов обычно применяют мостовую схему, в которой мост уравновешивается потенциометром. Во время изменения сопротивления резистора от действия температуры мост можно привести в равновесие путем регулировки потенциометра.

Такой метод ручной настройки используется в учебных лабораториях для демонстрации работы. Регулятор потенциометра оснащен шкалой, которая имеет градуировку в градусах. На практике в сложных схемах измерения эта регулировка происходит в автоматическом режиме.

Применение терморезисторов

В работе термодатчиков существует два режима действия. При первом режиме температура датчика определяется лишь температурой внешней среды. Протекающий по резистору ток маленький и не способен его нагреть.

При 2-м режиме термистор нагревается протекающим током, а его температура определяется условиями отдачи тепла, например, скоростью обдува, плотностью газа и т.д.

На схемах термисторы (NТС) и резисторы (РТС) имеют соответственно отрицательный и положительный коэффициенты сопротивления, и обозначаются следующим образом:

Страница не найдена — Вместе мастерим

Содержание1 Что нужно для создания собственного парфюма?2 Свойства различных форм собственных духов. 3 Подбор эфирных масел для собственного парфюма4 Какой должна быть ароматическая пирамида собственных духов?5 Как составить свой собственный парфюм?6 Что нужно знать перед изготовлением духов?7 Почему стоит делать духи своими руками? Как сделать духи своими руками? На ум приходит знаменитый фильм «Парфюмер», показывающий всю …

Читать далее

Содержание1 По какому принципу работает аэрогриль?1.1 Мощность1.2 Тип управления1.3 Функции и настройки1.4 Дополнительные аксессуары Аэрогриль – вещь универсальная и практичная. Состоит из стеклянной емкости и стеклянной крышки, в крышку встроены блок управления и ручка. Современные модели имеют не только верхний ТЭН, но и нижний ТЭН. Изначально аэрогриль выполнял только функцию гриля, но сегодня он выполняет …

Читать далее

Содержание1 Все разнообразие цветочной моды2 Тонкости метода3 Необходимые материалы и инструменты4 Пошаговый алгоритм5 Цветочные образы Цветами часто украшают прически, повседневную и праздничную одежду, помещения. При созерцании этой красоты подчас возникает желание освоить замечательное искусство и научиться создавать изысканный декор своими руками. Увлечение позволит творить, подражая самой природе, а также фантазировать, придумывая оригинальные авторские подходы. Базовыми …

Читать далее

В канун Нового года все мечтают о чудесах и подарках. И эта атмосфера казалось бы возникает сама по себе. Однако, на самом деле бывает и такое, что праздник приближается, а радость и воодушевление совсем запаздывают. Сейчас подобное случается практически в каждой семье. Т.к. в бесконечном круговороте дел люди порой забывают о важном. Поэтому для полноценного …

Читать далее

Содержание1 Животные из яичной скорлупы2 Для любителей рисовать3 Домашний театр4 Яичная гирлянда5 Горшочек для зелени Что вы делаете с яичной скорлупой? Простите, вопрос, безусловно, глупый. Конечно, выбрасываете. А вот и зря. Никогда не задумывались, что она может быть полезна? Не спешите кривить рожицы и крутить пальцем у виска, но из яичной скорлупы можно сделать много …

Читать далее

Рустикальный стиль, стиль шале и «русская изба» стабильно в моде уже достаточное количество лет. Полноценную мебель сделать без навыков сложно, но некоторые детали интерьера под силу практически каждому. Я подготовила серию мастер-классов, в которых подробно расскажу как сделать своими руками из подручных материалов и доступным инструментом уникальные вещи. Красивая и не сложная поделка своими руками …

Читать далее

Содержание1 Причины засоров и как их избежать.2 Как понять, что на поверхности трубы скопилась сажа3 Чем топить печь, чтобы прочистить дымоход4 Механическая очистка с помощью троса и ерша.4.1 Инструменты для работы4.2 Как снять сажу с поверхности4. 3 Правила безопасности5 Как почистить дымоходы в печи народными средствами.6 Биологическая чистка: и в снег, и в дождь7 Химическая чистка: …

Читать далее

Содержание1 Как работает микроволновая печь2 Как выбрать микроволновку2.1 Типы3 Объем4 Функции Микроволновая печь – незаменимый помощник делового человека. Это экономит наше время, облегчает нашу жизнь и делает возню на кухне более приятной. Однако было время, когда домохозяйки боялись этого устройства. Многие до сих пор думают, что пища, приготовленная в ней, опасна для здоровья. Это действительно …

Читать далее

Содержание1 Как подключить беспроводную камеру заднего вида?2 Какая камера заднего вида лучше?3 Рекомендуемые модели4 Сколько стоит беспроводная камера заднего вида?5 Что лучше: датчики заднего вида или камера заднего вида? Рынок автомобильных аксессуаров очень велик. Некоторые из них представляют собой избыток формы над содержанием, но некоторые определенно заслуживают внимания, поскольку могут быть полезны. Отличным примером этого …

Читать далее

Содержание1 Топ-5 блендеров для смузи1.1 Ninja BL7701.2 NutriBullet Pro NB9-1301 — Самый удобный миксер для смузи1.3 Vitamix Pro 7501.4 Oster Pro 1200 — Лучшая классика1.5 Blendtec Classic 575 — лучший автоматизированный Блендеры — это универсальные кухонные приборы, которые могут измельчать ингредиенты для соуса сальса и превращать овощи в пюре для супов. Одной из задач, которую люди …

Читать далее

15.3 Сопротивление и удельное сопротивление – Физика Колледжа Дугласа 1104 Индивидуальный учебник – зима и лето 2020

Глава 15 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

• Объясните понятие удельного сопротивления.
• Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления определенных конфигураций материала.
• Используйте термический коэффициент удельного сопротивления для расчета изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он состоит. Цилиндрический резистор на рис. 1 легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] прямо пропорционально его длине [латекс]\жирный символ{L}[/латекс], аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. . Чем длиннее цилиндр, тем больше столкновений зарядов с его атомами произойдет. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же аналогично потоку жидкости по трубе). На самом деле, [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] обратно пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра [латекс]\жирный символ{А}[/латекс].

Рисунок 1. Однородный цилиндр длиной L и площадью поперечного сечения A . Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше его площадь поперечного сечения A , тем меньше его сопротивление.

Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы оказывают различное сопротивление потоку заряда. Мы определяем удельное сопротивление  [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] вещества, так что сопротивление  [латекс]\жирныйсимвол{R}[/латекс] объекта прямо пропорционально [латекс]\жирныйсимвол{ \ро}[/латекс]. Удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] — это внутреннее свойство материала, не зависящее от его формы или размера. Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] однородного цилиндра длиной [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс], площадью поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс] , и изготовлен из материала с удельным сопротивлением [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс], составляет

[латекс]\boldsymbol{R =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\rho L}{A}}[/латекс].

В таблице 1 приведены репрезентативные значения [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс]. Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельного сопротивления. Проводники имеют наименьшее удельное сопротивление, а изоляторы — наибольшее; полупроводники имеют промежуточное сопротивление. Проводники имеют разную, но большую плотность свободного заряда, в то время как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут свободно перемещаться. Полупроводники занимают промежуточное положение, имея гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладая свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников используются в современной электронике, что будет рассмотрено в последующих главах. 9{11}}[/латекс] Таблица 1. Удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] различных материалов при 20ºC

Пример 1.

Расчет диаметра резистора: нить накала фары

Нить накала автомобильной фары изготовлена ​​из вольфрама и имеет морозостойкость [латекс]\boldsymbol{0,350 \;\Omega}[/латекс]. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (можно свернуть в спираль для экономии места), то каков ее диаметр?

Стратегия

Мы можем преобразовать уравнение [латекс]\boldsymbol{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex], чтобы найти площадь поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/latex] нить из предоставленной информации. Тогда его диаметр можно найти, предполагая, что он имеет круглое поперечное сечение.

Решение

Площадь поперечного сечения, полученная перестановкой выражения сопротивления цилиндра, приведенного в [латекс]\жирный символ{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex],

[латекс]\boldsymbol{A =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\rho L}{R}}[/латекс] 9{-5} \;\textbf{m}} \end{array}.[/latex]

Обсуждение

Диаметр чуть меньше одной десятой миллиметра. Он заключен в кавычки только до двух цифр, потому что [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс] известен только до двух цифр.

Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые даже становятся сверхпроводниками (нулевое сопротивление) при очень низких температурах. (См. рис. 2.) И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы вибрируют быстрее и преодолевают большие расстояния при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, что фактически увеличивает удельное сопротивление. При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC или меньше) удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] зависит от изменения температуры [латекс]\жирныйсимвол{\Delta T}[/латекс], как это выражается в следующем уравнении

[латекс]\boldsymbol{ \rho = \rho_{0} (1 + \alpha \Delta T)},[/latex]

, где [latex]\boldsymbol{\rho_0}[/latex] — исходное удельное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex] — температурный коэффициент удельного сопротивления . (См. значения [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] в таблице 2 ниже.) Для больших изменений температуры [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] может меняться, или нелинейное уравнение может быть нужно найти [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс]. Обратите внимание, что [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] положителен для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. Манганин (состоящий из меди, марганца и никеля), например, имеет [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] близок к нулю (до трех цифр по шкале в таблице 2), поэтому его удельное сопротивление лишь незначительно зависит от температуры. Это полезно, например, для создания эталона сопротивления, не зависящего от температуры.

Рис. 2. Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — это сверхпроводник примерно до 4,2 К. Выше этой критической температуры его сопротивление делает резкий скачок, а затем увеличивается почти линейно с температурой. 9{-3}}[/латекс]

Таблица 2: Температурные коэффициенты удельного сопротивления [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс]

Отметим также, что [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] имеет отрицательное значение для полупроводников, перечисленных в таблице 2, что означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высокой температуре, потому что повышенное тепловое возбуждение увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения [латекса] \boldsymbol{\rho}[/латекса] с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.

Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как [латекс]\boldsymbol{R_0}[/латекс] прямо пропорционально [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс]. Для цилиндра мы знаем [латекс]\boldsymbol{R = \rho L/A}[/latex], и поэтому, если [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{A}[ /латекс] не сильно меняются с температурой, [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] будет иметь ту же температурную зависимость, что и [латекс]\жирныйсимвол{\rho}[/латекс]. (Изучение коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol {A}[/latex] примерно на два порядка меньше, чем на [latex]\boldsymbol{\rho}[/latex].) Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/латекс]

— зависимость сопротивления объекта от температуры, где [latex]\boldsymbol{R_0}[/latex] — исходное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{R}[/latex] — сопротивление после изменения температуры [ латекс]\boldsymbol{\Delta T}[/латекс]. Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление. (См. рис. 3.) Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для получения его температуры. Устройство маленькое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

Рисунок 3. Эти известные термометры основаны на автоматизированном измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры. (кредит: Biol, Wikimedia Commons)

Пример 2: Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити

Хотя следует соблюдать осторожность при применении [латекс]\boldsymbol{ \rho = \rho_0(1 + \alpha \Delta T)}[ /latex] и [latex]\boldsymbol{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/latex] для изменений температуры более 100ºC, для вольфрама уравнения работают достаточно хорошо при очень больших изменениях температуры. Каково же тогда сопротивление вольфрамовой нити в предыдущем примере, если ее температуру повысить с комнатной (20°С) до типичной рабочей температуры 2850°С? 9{\circ}C)]} \\[1em] & \boldsymbol{4.8 \;\Omega} \end{array}.[/latex]

Обсуждение

Это значение согласуется с примером сопротивления фары в Пример 1 Глава 20.2 Закон Ома: сопротивление и простые цепи.

Исследования PhET: сопротивление в проводе

Узнайте о физике сопротивления в проводе. Измените его удельное сопротивление, длину и площадь, чтобы увидеть, как они влияют на сопротивление провода. Размеры символов в уравнении меняются вместе со схемой провода.

Рис. 4. Сопротивление в проводе

• Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] цилиндра длиной [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и площадью поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex], где [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] — удельное сопротивление материала.
• Значения [латекс]\жирныйсимвол{\rho}[/латекс] в таблице 1 показывают, что материалы делятся на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы .
• Температура влияет на удельное сопротивление; для относительно небольших изменений температуры [латекс]\boldsymbol{\Delta T}[/latex], удельное сопротивление равно [латекс]\boldsymbol{\rho = \rho_0(1 + \alpha \Delta T)}[/latex], где [ латекс]\boldsymbol{\rho_0}[/латекс] — исходное удельное сопротивление, а αα — температурный коэффициент удельного сопротивления.
• В таблице 2 приведены значения [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс], температурный коэффициент удельного сопротивления.
• Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] объекта также зависит от температуры: [латекс]\жирный символ{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/латекс], где [латекс ]\boldsymbol{R_0}[/latex] — исходное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{R}[/latex] — сопротивление после изменения температуры.

Задачи и упражнения

1: Чему равно сопротивление отрезка медной проволоки 12-го калибра диаметром 2,053 мм длиной 20,0 м?

2: Диаметр медной проволоки 0-го калибра 8,252 мм. Найти сопротивление такого провода длиной 1,00 км, по которому осуществляется передача электроэнергии.

3: Если вольфрамовая нить диаметром 0,100 мм в лампочке должна иметь сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,200 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºC, какой длины она должна быть? 93 \;\textbf{V}}[/latex] применяется к нему? (Такой стержень можно использовать, например, для изготовления детекторов ядерных частиц). в габаритах? (б) Происходит ли это в бытовой электропроводке при обычных обстоятельствах?

7: Резистор из нихромовой проволоки используется в тех случаях, когда его сопротивление не может измениться более чем на 1,00% от его значения при 20,0ºC. В каком диапазоне температур его можно использовать?

8: Из какого материала изготовлен резистор, если его сопротивление при 100°С на 40,0% больше, чем при 20,0°С?

9: Электронное устройство, предназначенное для работы при любой температуре в диапазоне от –10,0ºC до 55,0ºC, содержит чисто углеродные резисторы. Во сколько раз увеличивается их сопротивление в этом диапазоне?

10: (а) Из какого материала изготовлена ​​проволока, если она имеет длину 25,0 м, диаметр 0,100 мм и сопротивление [латекс]\boldsymbol{77,7 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºС? б) Каково его сопротивление при 150°С?

11: При постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления, каково максимальное уменьшение сопротивления константановой проволоки в процентах, начиная с 20,0ºC?

12: Проволоку протягивают через матрицу, растягивая ее в четыре раза по сравнению с первоначальной длиной. Во сколько раз увеличивается его сопротивление?

13: Медная проволока имеет сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,500 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºC, а железная проволока имеет сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,525 \; \Omega}[/latex] при той же температуре. При какой температуре их сопротивления равны? 9{\circ} \textbf{C}}[/latex]), когда он имеет ту же температуру, что и пациент. Какова температура тела пациента, если сопротивление термистора при этой температуре составляет 82,0% от его значения при 37,0°С (нормальная температура тела)? (b) Отрицательное значение для [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] может не поддерживаться при очень низких температурах. Обсудите, почему и так ли это, здесь. (Подсказка: сопротивление не может стать отрицательным.)

15: Комплексные концепции

(a) Повторите упражнение 2 с учетом теплового расширения вольфрамовой нити. Вы можете принять коэффициент теплового расширения [латекс]\boldsymbol{12 \times 10^{-6}/^{\circ} \textbf{C}}[/латекс]. б) На сколько процентов ваш ответ отличается от ответа в примере?

16: Необоснованные результаты

(a) До какой температуры нужно нагреть резистор, сделанный из константана, чтобы удвоить его сопротивление при постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления? б) Разрезать пополам? в) Что неразумного в этих результатах? (d) Какие предположения неразумны, а какие предпосылки противоречивы?

Сноски

1. 1 Значения сильно зависят от количества и типов примесей
2. 2 Значения при 20°C.

Глоссарий

Удельное сопротивление

внутреннее свойство материала, независимое от его формы или размера, прямо пропорциональное сопротивлению, обозначаемому ρ

температурный коэффициент удельного сопротивления

эмпирическая величина, обозначаемая α , которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала при изменении температуры

Объяснение системы измерения температуры на основе термистора

В статье Analogue Devices, написанной Джеллени Родригес и Мэри Маккарти, обсуждаются история и проблемы проектирования системы измерения температуры на основе термистора, а также ее сравнение с системой измерения температуры на основе термометра сопротивления (RTD).

В нем также будет описан выбор термистора, компромиссы в конфигурации и важность сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в этой прикладной области.

Термисторы и RTD Рис. 1. Характеристики срабатывания термисторов по сравнению с RTD.

Датчик температуры сопротивления RTD представляет собой тип резистора, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Термисторы работают аналогично RTD. В отличие от RTD, которые имеют только положительный температурный коэффициент, термисторы могут иметь как положительные, так и отрицательные температурные коэффициенты.

Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) уменьшает свое сопротивление при повышении температуры, а термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC) увеличивает свое сопротивление при повышении температуры. На рис. 1 показаны характеристики срабатывания типичных термисторов NTC и PTC и их сравнение с кривой RTD.

Что касается температурного диапазона, кривая RTD близка к линейной, и датчик охватывает гораздо более широкий диапазон температур (обычно от –200°C до +850°C), чем термисторы, благодаря нелинейным (экспоненциальным) характеристикам термистора. RTD обычно имеют хорошо известную стандартизированную кривую, в то время как кривые термисторов варьируются в зависимости от производителя. Мы подробно обсудим это в разделе «Руководство по выбору термистора» этой статьи.

Термисторы изготовлены из композитных материалов, обычно керамических, полимерных или полупроводниковых (как правило, оксидов металлов), которые имеют меньшие размеры и более дешевы, но не такие прочные по сравнению с термометрами сопротивления, изготовленными из чистого металла (платина, никель или медь). Термисторы могут обнаруживать изменения температуры намного быстрее, чем RTD, обеспечивая более быструю обратную связь. Таким образом, термисторы обычно используются датчиками в приложениях, требующих низкой стоимости, небольшого размера, более высокой скорости отклика, более высокой чувствительности и с ограниченным диапазоном температур, например, для мониторинга электронного оборудования, управления домом и зданием, научных лабораторий или компенсации холодного спая. используется для термопар в коммерческих или промышленных целях.

В большинстве случаев для точного измерения температуры используются термисторы NTC, а не термисторы PTC. Есть несколько доступных термисторов PTC, которые используются в цепях защиты от перегрузки по току или в качестве самовосстанавливающихся предохранителей для приложений безопасности. Кривая сопротивления термистора с положительным температурным коэффициентом показывает очень небольшую область NTC до достижения точки переключения (или точки Кюри), выше которой резкое увеличение сопротивления на несколько порядков происходит в диапазоне нескольких градусов Цельсия. . Таким образом, в условиях перегрузки по току термистор PTC будет иметь высокую степень самонагрева выше температуры переключения, и его сопротивление резко возрастет, что приведет к уменьшению входного тока в систему и, таким образом, к предотвращению повреждения. Точка переключения термистора PTC обычно составляет от 60°C до 120°C, что не подходит для контроля измерений температуры в широком диапазоне приложений. В этой статье основное внимание уделяется термисторам NTC, которые обычно могут измерять или контролировать температуру от –80°C до +150°C. Термисторы NTC доступны с номинальным сопротивлением при 25°C в диапазоне от нескольких Ом до 10 МОм. Как показано на рис. 1, изменение сопротивления на градус Цельсия более существенно для термистора, чем для термосопротивления. Высокая чувствительность и высокие значения сопротивления термисторов делают их входную схему намного проще по сравнению с термометрами сопротивления, поскольку термистор не требует каких-либо специальных конфигураций проводки, таких как 3-проводная или 4-проводная, для компенсации сопротивления выводов. В конструкции термистора используется только простая 2-проводная конфигурация.

В таблице 1 показаны плюсы и минусы RTD, термисторов NTC и PTC.

Проблемы измерения температуры с помощью термисторов

Высокоточное и точное измерение температуры с помощью термисторов требует точной обработки сигнала, аналого-цифрового преобразования, линеаризации и компенсации, как показано на рис. 2. Хотя цепочка сигналов выглядит простым и понятным, существует несколько сложных факторов, которые также влияют на общий размер, стоимость и производительность системной платы. В линейке прецизионных АЦП ADI имеется несколько интегрированных решений, таких как AD7124-4/AD7124-8, которые предлагают множество преимуществ при проектировании температурной системы, поскольку большинство строительных блоков, необходимых для приложения, уже встроены. проблемы, связанные с проектированием и оптимизацией решения для измерения температуры на основе термисторов.

Рис. 2. Типичный блок цепи сигнала измерения термистора NTC.

Проблемы включают:

• На рынке представлен широкий ассортимент термисторов.
• Как мне выбрать правильный для моего приложения?
• Как и термометры сопротивления, термисторы являются пассивными устройствами, которые сами по себе не создают выходной электрический сигнал. Ток возбуждения или напряжение используются для измерения сопротивления датчика путем пропускания небольшого электрического тока через датчик для создания напряжения.
• Как выбрать ток/напряжение?
• Как следует обработать сигнал термистора?
• Как настроить вышеуказанные переменные, чтобы преобразователь или другие стандартные блоки использовались в соответствии с их спецификацией?
• Подключение нескольких термисторов в системе: как подключены датчики? Могут ли некоторые блоки быть общими для разных датчиков? Как это влияет на общую производительность системы?
• Основной проблемой термисторов является их нелинейный отклик и точность системы.
• Какова ожидаемая ошибка для моего проекта?
• Какие методы линеаризации и компенсации используются для достижения целевых характеристик?

В этой статье обсуждается каждая из этих проблем и даются советы о том, как решить эти проблемы и еще больше упростить процесс проектирования такой системы.

Руководство по выбору термисторов

Сегодня на рынке представлен широкий выбор термисторов NTC, поэтому выбор определенного термистора для вашего приложения может быть довольно сложным. Обратите внимание, что термисторы перечислены по их номинальному значению, которое является номинальным сопротивлением при 25°C. Так, термистор 10 кОм имеет номинальное сопротивление 10 кОм при 25°C. Доступны термисторы с номинальным или базовым сопротивлением от нескольких Ом до 10 МОм. Термисторы с низким номинальным сопротивлением (номинальное сопротивление 10 кОм или менее) обычно поддерживают более низкий температурный диапазон, например от –50°C до +70°C. Термисторы с более высоким номинальным сопротивлением поддерживают температуры до 300°C.

Термисторный элемент изготовлен из оксидов металлов. Термисторы доступны в виде шариков, радиальных и SMD-форм. Термисторы-шарики имеют эпоксидное покрытие или стеклянную капсулу для дополнительной защиты. Шариковые термисторы с эпоксидным покрытием, радиальные и поверхностные термисторы подходят для температур до 150°C. Термисторы со стеклянными шариками подходят для измерения высоких температур. Покрытие/упаковка для всех типов также предотвращает коррозию. Некоторые термисторы также будут иметь дополнительный корпус для дополнительной защиты в суровых условиях. Термисторы с шариками имеют более быстрое время отклика по сравнению с термисторами радиального/ поверхностного монтажа. Однако они не такие прочные. Таким образом, тип используемого термистора зависит от конечного применения и среды, в которой будет находиться термистор. Долговременная стабильность термистора зависит от материалов, из которых он изготовлен, а также от его упаковки и конструкции. Например, терморезистор NTC с эпоксидным покрытием может изменяться на 0,2°C в год, в то время как герметично закрытый терморезистор изменяется только на 0,02°C в год.

Термисторы имеют разную точность. Стандартные термисторы обычно имеют точность от 0,5°C до 1,5°C. Термисторы имеют допуск на их номинальное значение сопротивления и на их бета-значение (соотношение от 25°C до 50°C/85°C). Обратите внимание, что бета-значение термистора зависит от производителя. Например, термисторы NTC 10 кОм от разных производителей будут иметь разные значения бета. Для более точных систем можно использовать термисторы, такие как серия Omega™ 44xxx. Они имеют точность 0,1°C или 0,2°C в диапазоне температур от 0°C до 70°C. Таким образом, измеряемый диапазон температур вместе с требуемой точностью в этом диапазоне температур определяют, подходит ли термистор для применения. Обратите внимание, что чем точнее серия Omega 44xxx, тем выше ее стоимость.

Следовательно, используемый термистор зависит от:

• Диапазон измеряемой температуры
• Требуется точность
• Окружающая среда, в которой используется термистор
• Долговременная стабильность

Линеаризация: бета по сравнению с уравнением Стейнхарта-Харта

Для преобразования сопротивления в градусы Цельсия обычно используется значение бета. Значение бета определяется путем знания двух температурных точек и соответствующего сопротивления в каждой температурной точке.

экв.[1]

Где:

• R _T1 = сопротивление при температуре 1
• R _T2 = сопротивление при температуре 2
• T ₁  = Температура 1 (K) T ₂  = Температура 2 (K)

В паспорте термистора обычно указано значение бета для двух случаев:

• Две температуры: 25°C и 50°C
• Две температуры: 25°C и 85°C

Пользователь использует значение бета, наиболее близкое к диапазону температур, используемому в проекте. В большинстве спецификаций термисторов указано значение бета вместе с допуском сопротивления при 25°C и допуском значения бета.

Термисторы с более высокой точностью, такие как серия Omega 44xxx, и концевые решения с более высокой точностью используют уравнение Стейнхарта-Харта для преобразования сопротивления в градусы Цельсия. Из уравнения 2 необходимы три константы — A, B и C, и они снова предоставляются производителем датчика. Поскольку коэффициенты уравнения генерируются с использованием трех температурных точек, результирующее уравнение минимизирует ошибку, вносимую из-за линеаризации (ошибка из-за линеаризации обычно составляет 0,02 °C).

экв.[2]

Где:

• A, B и C — константы, полученные по трем контрольным точкам температуры.
• R = сопротивление термистора в Ом
• T = температура в градусах K

Возбуждение тока/напряжения

На рис. 3 показано возбуждение датчика током. Ток возбуждения подается на термистор, и такой же ток подается на прецизионный резистор; прецизионный резистор используется в качестве эталона для измерения. Значение эталонного резистора должно быть больше или равно наибольшему значению сопротивления термистора (в зависимости от минимальной измеряемой температуры в системе).

При выборе величины тока возбуждения снова необходимо учитывать максимальное сопротивление термистора. Это гарантирует, что напряжение, генерируемое на датчике и эталонном резисторе, всегда находится на приемлемом для электроники уровне. Источники тока возбуждения требуют некоторого запаса мощности или соответствия выходного сигнала. Если термистор имеет большое сопротивление при минимальной измеряемой температуре, это приводит к очень низкому значению тока возбуждения. Следовательно, напряжение, генерируемое на термисторе при высоких температурах, мало. Для оптимизации измерения этих сигналов низкого уровня можно использовать каскад с программируемым усилением. Однако коэффициент усиления необходимо программировать динамически, поскольку уровень сигнала термистора значительно изменяется в зависимости от температуры.

Рис. 3. Ток возбуждения термистора. Рис. 4. Напряжение возбуждения термистора

Другим вариантом является установка коэффициента усиления, но использование динамического тока возбуждения. Таким образом, при изменении уровня сигнала от термистора значение тока возбуждения изменяется динамически, так что напряжение, генерируемое на термисторе, находится в пределах заданного входного диапазона электроники. Пользователь должен убедиться, что напряжение, генерируемое на эталонном резисторе, также находится на приемлемом для электроники уровне. Оба варианта требуют высокого уровня контроля, постоянного контроля напряжения на термисторе, чтобы гарантировать, что сигнал может быть измерен электроникой. Есть более простой вариант? Рассмотрим возбуждение по напряжению — рис. 4.9.0005

Когда термистор возбуждается постоянным напряжением, ток через термистор автоматически масштабируется по мере изменения сопротивления термистора. Вместо эталонного резистора теперь используется прецизионный резистор, его цель состоит в том, чтобы рассчитать ток, протекающий через термистор, чтобы можно было рассчитать сопротивление термистора. Поскольку напряжение возбуждения также используется в качестве опорного АЦП, это устраняет необходимость в каскаде усиления. Процессор не загружается с точки зрения контроля напряжения на термисторе, определения того, может ли уровень сигнала быть измерен электроникой, и расчета того, на какое значение усиления/тока возбуждения необходимо отрегулировать. Именно такой подход используется в этой статье.

Диапазон сопротивления термистора/возбуждение

Если номинальное сопротивление термистора и диапазон сопротивления малы, можно использовать либо напряжение, либо ток возбуждения. В этом случае ток возбуждения и коэффициент усиления могут быть фиксированными. Таким образом, схема будет такой, как показано на рис. 3. Этот метод полезен, поскольку можно контролировать ток, протекающий через датчик и эталонный резистор, что ценно в приложениях с низким энергопотреблением. Кроме того, самонагревание термистора сведено к минимуму.

Также можно использовать возбуждение по напряжению для термистора с низким номинальным сопротивлением. Тем не менее, пользователь должен убедиться, что ток через датчик не слишком велик для самого датчика или приложения в любое время.

При использовании термисторов с большим номинальным сопротивлением и большим диапазоном температур возбуждение по напряжению упрощает реализацию. Большее номинальное сопротивление обеспечивает приемлемый уровень номинального тока. Однако разработчик должен убедиться, что ток находится на приемлемом уровне во всем диапазоне температур, поддерживаемом приложением.

Важность сигма-дельта АЦП в приложениях, основанных на термисторах

Сигма-дельта АЦП предлагают множество преимуществ при разработке систем измерения термисторов. Во-первых, поскольку сигма-дельта АЦП передискретизирует аналоговый вход, внешняя фильтрация сводится к минимуму, и единственным требованием является простой RC-фильтр. Они обеспечивают гибкость в плане выбора типа фильтра и скорости передачи данных на выходе. Встроенная цифровая фильтрация может использоваться для подавления любых помех от сетевого питания в устройствах, работающих от сети. 24-битная микросхема, такая как AD7124-4/AD7124-8, имеет разрешение максимум 21,7 бит, поэтому они обеспечивают высокое разрешение.

Другие преимущества:

• Широкий диапазон синфазных сигналов для аналоговых входов
• Широкий диапазон синфазных сигналов для входов задания
• Возможность поддержки логометрических конфигураций

Некоторые сигма-дельта АЦП имеют высокую степень интеграции и включают:

• PGA
• Внутренняя ссылка
• Буферы опорных/аналоговых входов
• Функции калибровки

Использование сигма-дельта АЦП значительно упрощает конструкцию термистора, а также уменьшает спецификацию, стоимость системы, место на плате и время выхода на рынок.

В этой статье в качестве АЦП используются AD7124-4/AD7124-8, поскольку они представляют собой прецизионные АЦП с низким уровнем шума и малым током со встроенным PGA, встроенным опорным сигналом, аналоговым входом и опорными буферами.

Конфигурация цепи термистора — логометрическая конфигурация

Независимо от того, используете ли вы ток возбуждения или напряжение возбуждения, рекомендуется использовать логометрическую конфигурацию, в которой опорное напряжение и напряжение датчика получаются от одного и того же источника возбуждения. Это означает, что любые изменения в источнике возбуждения не повлияют на точность измерения.

На рис. 5 показан постоянный ток возбуждения, питающий термистор и прецизионный резистор R _REF , при этом напряжение, генерируемое на резисторе R _REF , является эталонным напряжением для измерения термистора. Ток возбуждения не обязательно должен быть точным и может быть менее стабильным, поскольку любые ошибки в токе возбуждения будут устранены в этой конфигурации. Ток возбуждения обычно предпочтительнее возбуждения напряжением из-за его лучшего контроля над чувствительностью и лучшей помехоустойчивости, когда датчик находится в удаленной области. Этот тип метода смещения обычно используется для RTD или термисторов с низкими значениями сопротивления.

Однако для термисторов с более высокими значениями сопротивления и более высокой чувствительности уровни генерируемого сигнала будут выше при изменении температуры, поэтому используется возбуждение по напряжению. Например, термистор 10 кОм имеет сопротивление 10 кОм при 25°C. При −50°C сопротивление термистора NTC составляет 441,117 кОм. Наименьший ток возбуждения 50 мкА, обеспечиваемый AD7124-4/AD7124-8, создает напряжение 441,117 кОм × 50 мкА = 22 В, что слишком велико и находится за пределами рабочего диапазона большинства доступных АЦП, используемых в этой прикладной области. Термисторы также обычно подключаются или располагаются рядом с электроникой, поэтому преимущество тока возбуждения в помехозащищенности не требуется.

Рис. 5. Конфигурация термистора NTC с источником постоянного тока. Рис. 6. Конфигурация термистора NTC со схемой делителя напряжения.

На рис. 6 показано постоянное напряжение возбуждения, используемое для создания напряжения на термисторе NTC. Добавление последовательного чувствительного резистора в виде схемы делителя напряжения ограничит ток, протекающий через термистор при его минимальном значении сопротивления. В этой конфигурации значение чувствительного резистора R _SENSE , должно быть равно величине сопротивления термистора при базовой температуре 25°C, чтобы выходное напряжение было установлено на среднем значении опорного напряжения при номинальной температуре 25°C. Итак, опять же, если используется термистор на 10 кОм, который имеет сопротивление 10 кОм при 25°C, значение R _SENSE должно быть равно 10 кОм. При изменении температуры сопротивление термистора NTC также изменяется, и доля напряжения возбуждения на термисторе также изменяется, создавая выходное напряжение, пропорциональное сопротивлению термистора NTC.

Если выбранное опорное напряжение, которое используется для питания термистора и/или R _SENSE , совпадает с опорным значением АЦП, используемым для измерения, то система настроена на логометрическое измерение (рис. 7) таким образом, что любой ошибки, связанные с источником напряжения возбуждения, будут устранены.

Рис. 7. Измерение логометрической конфигурации термистора. Рис. 8. Измерения конфигурации аналогового входа нескольких термисторов.

Обратите внимание, что измерительный резистор (возбуждение по напряжению) или эталонный резистор (возбуждение по току) должны иметь низкий начальный допуск и малый дрейф, поскольку обе переменные вносят вклад в общую точность системы.

При использовании нескольких термисторов можно использовать одно напряжение возбуждения. Однако каждый термистор должен иметь свой собственный прецизионный резистор, как показано на рис. 8. Другим вариантом является использование внешнего мультиплексора или переключателей с низким сопротивлением во включенном состоянии, что позволяет использовать один прецизионный резистор. При использовании этой конфигурации каждому термистору требуется некоторое время установления при измерении.

Резюме

Подводя итог, можно сказать, что при проектировании температурных систем на основе термисторов возникает множество проблем: выбор датчика, подключение датчика, компромиссы в отношении выбора компонентов, конфигурация АЦП и то, как эти различные переменные влияют на систему в целом.