Princip činnosti, vlastnosti a hlavní parametry termistoru

Termistor (termistor, tepelný odpor) je polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor se mění v závislosti na její teplotě [1].

Termistor vynalezl Samuel Ruben v roce 1930 [2].

Termistory jsou vyrobeny z materiálů s vysokým teplotním koeficientem odporu (TCR), který je obvykle řádově vyšší než TCR kovů a kovových slitin.

Konstrukce a typy termistorů [editovat | upravit kód]

Termistory s axiálními vývody

Odporový prvek termistoru je vyroben práškovou metalurgií z oxidů, halogenidů, chalkogenidů některých kovů, v různých provedeních, například ve formě tyčí, trubek, kotoučů, podložek, perliček, tenkých desek a velikostí 1-10 mikrometrů až několika centimetrů.

Podle typu závislosti odporu na teplotě se rozlišují termistory se zápornými (NTC– termistory, ze slov “Negativní Temperatura Cefektivní”) a pozitivní (PTC– termistory, ze slov “Positivní Temperatura Cefektivní“ nebo posistory) teplotní koeficient odporu (nebo TCR). U posistorů se jejich odpor zvyšuje s teplotou; Pro NTC-termistory, zvýšení teploty vede k poklesu jejich odporu.

Termistory se záporným TKS (NTCtermistory) jsou vyrobeny ze směsi polykrystalických oxidů přechodných kovů (například MnO, CoOx, NiO a CuO), polovodičů typu A III BV, skelných, dotovaných polovodičů (Ge a Si) a dalších materiálů. PTC– termistory jsou vyrobeny z pevných roztoků na bázi BaTiO₃což dává pozitivní TCS.

Obvykle se termistory dělí na nízkoteplotní (navržené pro provoz při teplotách pod 170 K), středněteplotní (od 170 do 510 K) a vysokoteplotní (nad 570 K). Termistory jsou vyráběny pro provoz při teplotách od 900 do 1300 K.

Termistory jsou schopny pracovat v různých klimatických podmínkách a při značném mechanickém zatížení. V průběhu času však za drsných provozních podmínek, například při tepelném cyklování, dochází ke změně jeho počátečních termoelektrických charakteristik, jako jsou:

• jmenovitý (při 25 °C) elektrický odpor;
• teplotní koeficient odporu.

Existují také kombinovaná zařízení, jako jsou nepřímo vyhřívané termistory. Tato zařízení kombinují termistor a od něj galvanicky oddělené topné těleso v jednom pouzdře, které nastavuje teplotu termistoru a tím i jeho elektrický odpor. Taková zařízení mohou být použita jako proměnný odpor řízený napětím aplikovaným na topný článek takového kombinovaného zařízení.

1 T = A + B ln ⁡ ( R ) + C [ ln ⁡ ( R ) ] 3 =A+Bln(R)+C[ln(R)]^>

kde T – teplota, K;
R-odpor, Ohm;
A,B,C – termistorové konstanty určené kalibrací ve třech teplotních bodech vzdálených od sebe minimálně 10 °C.

Jednou z významných nevýhod „perličkových“ termistorů jako teplotních senzorů je, že nejsou zaměnitelné a vyžadují individuální kalibraci [3]. Neexistují žádné normy upravující jejich nominální odpor-teplotní charakteristiky. „Diskové“ termistory mohou být zaměnitelné, ale nejlepší dovolená chyba je minimálně 0,05 °C v rozsahu od 0 do 70 °C. Typický 10 kΩ termistor v rozsahu 0–100 °C má koeficienty blízké následujícím hodnotám:

Polovodičové rezistory, jejichž odpor závisí na teplotě, se nazývají termistory. Mají vlastnost významného teplotního koeficientu odporu, jehož hodnota je mnohonásobně větší než u kovů. Jsou široce používány v elektrotechnice.

Konstrukce a provoz

Mají jednoduchý design a jsou k dispozici v různých velikostech a tvarech.

Polovodiče obsahují dva typy volných nosičů náboje: elektrony a díry. Při konstantní teplotě se tyto nosiče náhodně tvoří a mizí. Průměrný počet volných nosičů je v dynamické rovnováze, tedy nezměněn.

Při změně teploty je rovnováha narušena. Zvyšuje-li se teplota, zvyšuje se i počet nosičů náboje a s klesající teplotou klesá koncentrace nosičů. Odpor polovodiče je ovlivněn teplotou.

Pokud se teplota blíží absolutní nule, pak má polovodič vlastnost dielektrika. Při silném zahřátí dokonale vede proud. Hlavním rysem termistoru je, že jeho odpor nejvýrazněji závisí na teplotě v obvyklém teplotním rozsahu (-50 + 100 stupňů).

Oblíbené termistory jsou vyráběny ve formě polovodičové tyče, která je potažena smaltem. Jsou k němu připojeny elektrody a krytky kontaktů. Takové odpory se používají na suchých místech.

Některé termistory jsou umístěny v utěsněném kovovém pouzdře. Proto je lze použít na vlhkých místech s agresivním vnějším prostředím.

Těsnost pouzdra je vytvořena pomocí cínu a skla. Polovodičové tyče jsou zabaleny do metalizované fólie. Pro připojení proudu se používá niklový drát. Jmenovitá hodnota odporu je 1-200 kOhm, provozní teplota -100 +129 stupňů.

Princip činnosti termistoru je založen na vlastnosti změny odporu s teplotou. K výrobě se používají čisté kovy: měď a platina.

Na elektrických schématech jsou termistory označeny:

Základní parametry

• TCR je tepelný koeficient odporu, který se rovná změně odporu části obvodu, když se teplota změní o 1 stupeň. Pokud je TCR kladné, pak se termistory nazývají posistory (RTS termistory). A pokud je TCS negativní, pak s termistory (NTS termistory). U pozistorů se s rostoucí teplotou zvyšuje i odpor, ale u termistorů je tomu naopak.
• Nominální odpor je hodnota odporu při 0 stupních.
• Rozsah provozu. Odpory se dělí na nízkoteplotní (méně než 170K), středoteplotní (od 170 do 510K), vysokoteplotní (více než 570K).
• Ztráta výkonu. Jedná se o množství výkonu, v rámci kterého termistor za provozu zajišťuje dodržení stanovených parametrů podle technických podmínek.

Typy a vlastnosti termistorů

Všechny teplotní senzory ve výrobě fungují na principu přeměny teploty na signál elektrického proudu, který lze přenášet vysokou rychlostí na velké vzdálenosti. Jakékoli veličiny lze převést na elektrické signály jejich převodem na digitální kód. Jsou přenášeny s vysokou přesností a zpracovávány počítačovou technikou.

Kovové termistory

Ne všechny proudové vodiče lze použít jako materiál pro termistory, protože termistory mají určité požadavky. Materiál pro jejich výrobu musí mít vysokou TCR a odpor musí záviset na teplotě podle lineárního grafu v širokém teplotním rozsahu.

Kovový vodič musí být také inertní vůči agresivnímu působení vnějšího prostředí a reprodukovat vysoce kvalitní vlastnosti, což umožňuje měnit senzory bez speciálního nastavení a měřicích přístrojů.

Měď a platina se pro tyto požadavky dobře hodí, navzdory jejich vysoké ceně. Termistory založené na nich se nazývají platina a měď. Tepelné odpory TSP (platina) fungují při teplotách -260 – 1100 stupňů. Pokud je teplota v rozsahu od 0 do 650 stupňů, pak se takové senzory používají jako vzorky a standardy, protože v tomto rozsahu nestabilita není větší než 0,001 stupňů.

Mezi nevýhody platinových termistorů patří nelinearita převodu a vysoká cena. Přesné měření parametrů je tedy možné pouze v provozním rozsahu.

Prakticky široce se používají levné měděné vzorky termistorů TCM, u kterých je linearita závislosti odporu na teplotě mnohem vyšší. Jejich nevýhodou je malý odpor a nestabilita vůči zvýšeným teplotám, rychlá oxidace. V tomto ohledu mají tepelné odpory na bázi mědi omezené použití, ne více než 180 stupňů.

Pro instalaci platinových a měděných snímačů se používá 2vodičové vedení ve vzdálenosti až 200 metrů od zařízení. Pokud je vzdálenost větší, pak se používá třížilový kabel, ve kterém třetí vodič slouží ke kompenzaci odporu vodičů.

Mezi nevýhody platinových a měděných termistorů patří jejich nízká provozní rychlost. Jejich tepelná setrvačnost dosahuje několika minut. Existují termistory s nízkou setrvačností, jejichž doba odezvy není delší než několik desetin sekundy. Toho je dosaženo malou velikostí senzorů. Takové tepelné odpory jsou vyrobeny z mikrodrátu ve skleněném plášti. Tyto snímače mají nízkou setrvačnost, jsou utěsněné a vysoce stabilní. Přestože jsou malé, mají odpor několika kOhmů.

Polovodič

Takové odpory se nazývají termistory. Pokud je porovnáme se vzorky platiny a mědi, mají zvýšenou citlivost a negativní hodnotu TCR. To znamená, že s rostoucí teplotou odpor rezistoru klesá. Termistory mají mnohem větší TCR než platinové a měděné senzory. U malých rozměrů dosahuje jejich odpor 1 megaohm, což neumožňuje ovlivnit měření odporu vodičů.

Pro měření teploty se staly velmi oblíbenými termistory na bázi polovodičů KMT, skládající se z oxidů kobaltu a manganu, a také tepelné odpory MMT na bázi oxidů mědi a manganu. Závislost odporu na teplotě na grafu má dobrou linearitu v rozsahu teplot -100 +200 stupňů. Spolehlivost termistorů na bázi polovodičů je poměrně vysoká, jejich vlastnosti jsou dostatečně stabilní po dlouhou dobu.

Jejich hlavní nevýhodou je skutečnost, že při sériové výrobě takovýchto termistorů není možné zajistit potřebnou přesnost jejich charakteristik. Proto se jeden jednotlivý rezistor bude lišit od jiného vzorku, stejně jako tranzistory, které ze stejné šarže mohou mít různé faktory zesílení, je obtížné najít dva stejné vzorky. Tento negativní bod vytváří potřebu dodatečného seřízení zařízení při výměně termistoru.

Pro připojení termistorů se obvykle používá můstkový obvod, ve kterém je můstek vyvážen potenciometrem. Jak se odpor rezistoru mění vlivem teploty, lze můstek uvést do rovnováhy nastavením potenciometru.

Tato metoda ručního nastavení se používá ve výukových laboratořích k demonstraci provozu. Regulátor potenciometru je vybaven stupnicí, která je odstupňována ve stupních. V praxi ve složitých schématech měření dochází k této úpravě automaticky.

Aplikace termistorů

Existují dva režimy provozu teplotních čidel. V prvním režimu je teplota čidla určena pouze teplotou okolí. Proud procházející rezistorem je malý a není schopen jej zahřát.

V režimu 2 je termistor ohříván protékajícím proudem a jeho teplota je určena podmínkami přenosu tepla, například rychlostí foukání, hustotou plynu atd.

Termistory na schématech (NTS) a odpory (RTS) mají záporné a kladné koeficienty odporu a jsou označeny takto:

Použití termistorů:

• Měření teploty.
• Domácí spotřebiče: mrazničky, fény, ledničky atd.
• Automobilová elektronika: měření nemrznoucí směsi a chlazení oleje, regulace výfukových plynů, brzdové systémy, vnitřní teplota.
• Klimatizace: rozvod tepla, regulace teploty v místnosti.
• Topení kotle, vytápěné podlahy, kamna.
• Zamykání dveří v topných zařízeních.
• Elektronický průmysl: teplotní stabilizace laserových fotobuněk a diod, stejně jako vinutí měděných cívek.
• V mobilních telefonech pro kompenzaci zahřívání.
• Omezení rozběhového proudu motorů, světel, spínaných zdrojů.
• Kontrola plnění kapalinou.

Aplikace pozistorů:

• Ochrana proti zkratu v motorech.
• Ochrana proti roztavení při proudovém přetížení.
• Zpoždění doby zapnutí spínaných zdrojů.
• Počítačové monitory a televizní obrazovky pro demagnetizaci a prevenci zkreslení barev.
• Ve startérech kompresoru chladničky.
• Tepelné blokování transformátorů a motorů.
• Měřicí přístroje.
• Automatizace ovládání zařízení.
• Informační paměťová zařízení.
• Jako ohřívače karburátorů.
• V domácích spotřebičích: zavírání dvířek pračky, vysoušeče vlasů atd.

Související témata:

• Peltierovy prvky. Provoz a aplikace. Opačný efekt
• Termostaty. Druhy a práce. Zařízení a aplikace. Zvláštnosti
• Teplotní senzory. Typy a princip činnosti, Jak si vybrat
• Termostaty. Druhy a práce. Aplikace a funkce
• Tepelná relé. Typy a zařízení. Provoz a aplikace