Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!
Статью про терморезистор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики,
ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты.
Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое терморезистор, позистор, болометр, микроболометр
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Виды и устройство терморезисторов
Терморезисторы можно разделить на две большие группы по реакции на изменение температуры:
Тип термистора определяется свойствами материалов, из которых изготовлены терморезисторы. Металлы при нагреве увеличивают сопротивление, поэтому на их основе (точнее, на базе оксидов металлов) выпускают термосопротивления с положительным ТКС. У полупроводников зависимость обратная, поэтому из них делают NTC-элементы. Термозависимые элементы с отрицательным ТКС теоретически можно делать и на основе электролитов, но этот вариант на практике крайне неудобен. Его ниша – лабораторные исследования.
Конструктив термисторов может быть различным. Их выпускают в виде цилиндров, бусин, шайб и т.п. с двумя выводами (как у обычного резистора). Можно подобрать наиболее удобную форму для установки на рабочем месте.
Приложения в физике элементарных частиц
Термин болометр также используется в физике элементарных частиц для обозначения нетрадиционного детектора частиц . Они используют тот же принцип, что описан выше. Болометры чувствительны не только к свету, но и ко всем видам энергии. Принцип работы аналогичен калориметру в термодинамике . Однако приближения, сверхнизкая температура и различное назначение устройства сильно различают его эксплуатационное использование. На жаргоне физики высоких энергий эти устройства не называются «калориметрами», поскольку этот термин уже используется для обозначения другого типа детектора (см. « Калориметр»).). Их использование в качестве детекторов частиц было предложено с начала 20 века, но первое регулярное, хотя и новаторское, использование было только в 1980-х годах из-за трудностей, связанных с охлаждением и работой системы при криогенных температурах . Их еще можно считать находящимися в стадии разработки.
Структура термометров сопротивления
Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.
Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.
При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.
Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.
На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.
В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:
У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.
Принцип работы терморезисторов
Терморезисторы (термисторы) представляют собой полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой, отличительной особенностью которых является резко выраженная температурная зависимость электрического сопротивления в диапазоне от -100 до 200 °С.
Наибольшее распространение получили терморезисторы, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры, т. е. терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Вместе с тем, существуют резисторы, сопротивление которых возрастает с ростом температуры. Их обычно называют позисторами. Позисторы изготавливают на основе титанато-бариевой керамики.
Рассмотрим терморезисторы с отрицательным ТКС, изготовляемые из полупроводниковых материалов. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами –– увеличением концентрации носителей заряда или увеличением их подвижности, а также фазовыми превращениями.
Первое явление характерно для терморезисторов, изготовленных из германия, кремния, карбида кремния, соединений типа АΙΙΙВV и др. Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как относительно слабым изменением их подвижности в большинстве случаев можно пренебречь.
При абсолютном нуле температуры все энергетические уровни валентной зоны невырожденного полупроводника заняты электронами. В этом случае валентные электроны не могут участвовать в электрическом токе, так как любое их движение связано с увеличением энергии и, следовательно, с переходом на более высокий энергетический уровень, что невозможно в пределах валентной зоны. Поэтому при Т = 0 К полупроводник подобен изолятору, и его проводимость равна нулю. Для перехода электрона в зону проводимости беспримесного полупроводника необходимо передать ему энергию, равную ширине запрещенной зоны ∆Еg. Такую энергию валентные электроны могут получить, если кристалл нагреть до некоторой температуры. Благодаря наличию свободных уровней в зоне проводимости, перешедшие туда электроны смогут двигаться под действием электрического поля. Заметим, что проводимость полупроводника в данном случае будет обусловлена не только наличием электронов в зоне проводимости, но и появлением дырок в валентной зоне.
Вероятность переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости, а, следовательно, и число образовавшихся свободных электронов и дырок значительно (по экспоненциальному закону) возрастают с увеличением температуры:
где ni – концентрация свободных электронов (индекс i указывает на то, что полупроводник собственный; заметим, что в собственном полупроводнике концентрация свободных дырок p = ni);
∆Εg – ширина запрещенной зоны, которая, строго говоря, сама зависит
Т – абсолютная температура;
k – постоянная Больцмана.
Если в полупроводнике имеются примеси, то это приводит к образованию энергетических уровней внутри запрещенной зоны. Примесные атомы даже при относительно низких температурах могут поставлять электроны в зону проводимости (в этом случае примесь называется донорной, а полупроводник – n-типа) или дырки в валентную зону (примесь называется акцепторной, а полупроводник – p-типа), так как требуемая для этого энергия обычно значительно меньше ширины запрещенной зоны. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа от температуры показана на рис. 1.
Большую часть терморезисторов, выпускаемых промышленностью, изготавливают из поликристаллических оксидных полупроводников, в которых преобладает ионная связь. Электропроводность этих материалов отличается от электропроводности рассмотренных выше ковалентных полупроводников. Как правило, полупроводниками являются оксиды переходных металлов, для которых характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. При образовании такого оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность оксидных полупроводников объясняется обменом электронами между этими ионами. Так как энергия, необходимая для такого обмена, невелика, все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию постоянной при температурах в рабочем для терморезистора диапазоне.
Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в оксидном полупроводнике оказывается довольно низкой и экспоненциально возрастает с ростом температуры. В результате зависимость сопротивления оксидного полупроводника от температуры оказывается такой же, как у ковалентных полупроводников, но она обусловлена не изменением концентрации свободных носителей заряда, а изменением их подвижности.
В оксидах ванадия V2O4 и V2O3, в отличие от рассмотренных выше полупроводников, причиной значительного (на несколько порядков) изменения их сопротивления является фазовый переход при температурах 68 и -110 °С соответственно. На основе этих оксидов созданы терморезисторы с очень большим температурным коэффициентом сопротивления.
Схематическое изображение температурной зависимости концентрации электронов в примесном (донорном) и собственном полупроводниках
Разновидности терморезисторов
1. Термистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.
2. Позистор – терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.
3. Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.
4. Терморезистор косвенного подогрева, разогревается от специального дополнительного встроенного нагревателя.
5. Болометр – терморезистор, чувствительный к воздействию теплового и оптического излучений, содержащий в своем составе активную и компенсационную части.
Недостатки микроболометров
Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны: для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звезд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала.
Полупроводниковые болометры применяются, например, в системах ориентации, для дистанционного измерения температуры объектов, в датчиках обнаружения облучения военных машин (напр., лазерным лучом головок самонаведения) и для изготовления болометрических матриц, применяемых в тепловизорах.
Используется в системах ПОНАБ, для определения нагрева букс вагонов.
Для демонстрации некоторых проблем определения температуры по излучению был придуман куб Лесли, у которого стороны выполнены из разных материалов. Изображения куба Лесли справа демонстрируют разницу в излучательных и отражательных свойствах разных граней куба при одной и той же температуре куба.
Нагретый куб Лесли. Видно что черная и белая грани куба имеют высокий коэффициент излучения и тепловизор показывает что грани горячие. А полированная и матовая грани куба сделаны из материала с низким коэффициентом излучения но с высоким коэффициентом отражения, потому в тепловизоре они выглядят холодными и в них отражается тепло руки.
Хотя болометры могут использоваться для измерения излучения любой частоты, для большинства диапазонов длин волн существуют другие методы обнаружения, которые более чувствительны. Для субмиллиметровых длин волн (от примерно 200 мкм до 1 мм длины волны, также известной как дальняя инфракрасная область или терагерц ) болометры являются одними из самых чувствительных доступных детекторов и поэтому используются в астрономии на этих длинах волн. Для достижения наилучшей чувствительности их необходимо охладить до доли градуса выше абсолютного нуля (обычно от 50 мК до 300 мК). Известные примеры болометров, используемых в субмиллиметровой астрономии, включают Космическую обсерваторию Гершеля ,Телескоп Джеймса Клерка Максвелла и стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (SOFIA).
Градуировка
Она выполняется тремя способами.
Популярные производители
Термометр сопротивления – это сложное и дорогое устройство. Поэтому не рекомендуется брать изделия неизвестных производителей, лучше довериться продукции проверенных фирм. Тем более что сбой при измерении может нанести значительный ущерб. Среди достойных моделей от известных производителей можно выделить следующие:
Этот список далеко не полный, конечно, есть и другие достойные модели. Главное при выборе производителя – убедиться, что изделия сертифицированы по ГОСТ 6651-2009 или по МЭК 60751. Не стесняйтесь требовать документацию, особенно для дорогих платиновых термометров.
О том, как правильно пользоваться термометром сопротивления, смотрите в следующем видео.
Что происходит с едой в микроволновке
Ученый выяснил, как работает микроволновый ракетный двигатель EmDrive
Бытовая микроволновка — “дочка” военного радара. Первым человеком, который по рассеянности “разогрел” бутерброд на нем, был американский изобретатель Перси Спенсер. Он занимался оборудованием для военных приборов, а параллельно в 1946 году оформил патент на микроволновую печь.
Первая в мире СВЧ-печь использовалась только для быстрого размораживания продуктов в солдатских столовых и военных госпиталях. Ее высота была равна примерно человеческому росту, а весил прибор 340 килограммов.
Так как же микроволновка нагревает продукты? В нашей пище очень много дипольных молекул, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом — отрицательный.
Именно из таких молекул состоит вода. Она представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах, поэтому появилась возможность нагревать ее микроволнами.
А вместе с ней и все продукты, каждый из которых содержит воду. Например, в сосиске эти молекулы расположены хаотично, но как только продукт помещают в микроволновку, они попадают в электрическое поле и выстраиваются “плюсом” в одну сторону, “минусом” — в другую.
Физики научились переворачивать молекулы со скоростью света
Под действием излучения молекулы “кувыркаются” с бешеной частотой и в буквальном смысле “трутся” друг о друга. Выделяющееся при этом тепло и разогревает пищу.
Если вы начнете тереть одну ладонь о другую, поверхность рук тоже нагреется. Только чтобы достичь эффекта микроволн, придется совершать движения со скоростью 4,9 миллиарда раз в секунду.
Нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов — прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину за счет теплопроводности.
Внутри микроволновки волны излучает вакуумный прибор — магнетрон. Стоит только подать напряжение через внутреннюю нить и медный анод снаружи, как электроны начнут срываться со средней нити и лететь к медной секции. В этот момент с помощью магнитов можно заставить электроны поворачивать обратно к центру нити. Так, пролетая мимо отверстий полостей, они создают колебательные волны, которые раскачивают молекулы воды, создавая тепло.
Жидкости нагреваются микроволнами намного дольше, поскольку там больше молекул воды. Из этого же принципа следует и ответ на вопрос о том, почему нагревается лишь еда, а не тарелка — в посуде нет молекул воды.
Физики создали камеру, способную видеть все виды излучения
В свою очередь, яйца, помещенные в микроволновку, взрываются, поскольку молекулы воды при нагреве расширяются и образуют большое давление.
Как известно, металл, из которого состоят стенки и внутренняя поверхность микроволновок, отражает радиоволны. Если забыть вилку внутри прибора, взрыва, конечно, не произойдет, однако металл (особенно его тонкий слой — фольга или ободок на блюдце) очень быстро нагреется.
Более того, острые объекты иногда образуют “корону” (огни святого Эльма), которая может сжечь и еду, и саму микроволновку. Учитывая это, производители решили просто запретить использовать металл внутри приборов.
Принцип работы термистора
Во многих случаях явление зависимости сопротивления от температуры вредное. Так, низкое сопротивление нити лампы накаливания в холодном состоянии служит причиной перегорания в момент включения. Изменение значения сопротивления постоянных резисторов при нагреве или охлаждении ведет к изменению параметров схемы.
С этим явлением борются разработчики, выпускаются резисторы с уменьшенным ТКС — температурным коэффициентом сопротивления. Стоят такие элементы дороже обычных. Но существуют такие электронные компоненты, у которых зависимость сопротивления от температуры ярко выражена и нормирована. Эти элементы называются терморезисторами (термосопротивлениями) или термисторами.
Устройство и действие терморезисторов
Наиболее распространенные терморезисторы изготавливаются в виде полупроводникового стержня, покрытого эмалевой краской. К нему подводятся выводы и контактные колпачки, использующиеся только в сухой среде. Отдельные конструкции терморезисторов помещаются в герметичном металлическом корпусе. Они могут свободно применяться в помещениях с любой влажностью и легко переносят влияние агрессивной среды.
Герметичность конструкции обеспечивается с помощью стекла и олова. Стержни в таких терморезисторах оборачиваются металлической фольгой, а для токоотвода используется никелевая проволока. Номинальные значения терморезисторов находятся в диапазоне от 1 до 200 кОм, а их температурный диапазон находится в пределах от -100 до +129 градусов. В работе терморезисторов применено свойство проводников, изменять значение сопротивления в зависимости от температуры. Для этих приборов применяются металлы в чистом виде, чаще всего, платина и медь.
Применение термисторов
Терморезисторы применяемые в качестве датчиков, могут работать в двух режимах. В первом случае температурный режим зависит лишь от температуры окружающей среды. Значение тока, проходящего через термистор, очень мало и нагревания устройства практически не происходит. Второй режим предполагает нагревание термистора электрическим током, проходящим внутри него. В данном случае значение температуры будет зависеть от различных изменяющихся условий тепловой отдачи. Это может быть плотность газовой среды, окружающей прибор, интенсивность обдува и другие факторы.
Каждый термистор, принцип работы которого основан на снижении сопротивления при повышении температуры, используется в определенных сферах электротехники. Они применяются для измерения и компенсации температуры, в крупных бытовых электроприборах — холодильниках и морозильных камерах, посудомоечных машинах и другой технике. Эти устройства нашли широкое применение в автомобильной электронике. С их помощью измеряется температура охлаждающей жидкости или масла, а также температурные показатели других элементов автомобиля.
В кондиционере термисторы устанавливаются в тепловом распределителе. Кроме того, они используются в качестве датчика слежения за температурой в комнате. С помощью термисторов осуществляется блокировка дверей нагревательных приборов, они устанавливаются в нагреватели теплых полов и в газовые котлы. Терморезисторы применяются, когда нужно определить уровень нестандартных жидкостей, например, жидкого азота. В целом, они получили самое широкое распространение в промышленной электронике.
SMD и встроенные терморезисторы
Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:
Виды и их характеристика
Основное различие между термометрами – устройство датчика. Они сделаны из разных материалов, отличаются толщиной чувствительного элемента и имеют различную стоимость.
Металлические
Они бывают платиновые, никелевые и медные. Рассмотрим подробнее элементы их этих металлов.
Также существуют различные конструкции чувствительного элемента.
Металлические датчики можно покупать отдельно от прибора. Они взаимозаменяемые (в идентичных устройствах), и у разных датчиков одной модели одинаковая номинальная статическая характеристика. Это значительно облегчает использование таких устройств.
Полупроводниковые
Обычно они изготавливаются из германия и кремния. В качестве легирующей добавки выступает сурьма. Также есть кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ) приборы, работающие в пределах от -90 до +180 градусов. Благодаря большому внутреннему сопротивлению датчика проводимостью соединителей можно пренебречь. Чувствительный элемент расположен в защитном корпусе.
Преимущества – высокое быстродействие, возможность работы в сверхнизких температурах – от -270 градусов по Цельсию. Точность и стабильность измерений большие. Недостатки – нелинейная характеристика НСХ и невоспроизводимость градуировочной характеристики.
Это значит, что датчики индивидуально настраиваются под конкретный измеритель, заменить их в дальнейшем нельзя.
Благодаря нелинейной зависимости «температура-сопротивление» такие устройства скачкообразно меняют проводимость при определенной температуре. Это называется релейным эффектом и позволяет использовать данные приборы в системах сигнализации. Датчики по-разному крепятся на поверхность. Варианты креплений делятся на:
Расшифровка обозначений термометров сопротивления не составит труда. Обычно латиницей или кириллицей указывается его тип, далее цифрами – сопротивление в Ом при температуре 0 градусов Цельсия. Например, Pt100 – термометр платиновый, сопротивление термопреобразователя – 100 Ом при 0 градусов. Также есть несколько общепринятых сокращений:
Базовые характеристики терморезисторов
При оценке терморезисторов нужно учесть и проанализировать их характеристики:
Болометрические матрицы и ы
В девяностые года 20-го века произошел настоящий технологических прорыв, разделивший тепловизоры на две большие группы – охлаждаемые и не охлаждаемые. Этому послужило создание болометрических матриц современного типа, на основе оксида ванадия и аморфного кремния. Разрешение со временем увеличилось с 16 х 16 до 640 х 480 элементов. Чувствительность достигла 0,1 градуса по Цельсию. Большая часть приборов на основе болометрических матриц стали носимыми за счет снижения веса до сотен грамм.
Этому послужили болометрические матрицы которые позволили отказаться от дорогостоящих систем охлаждения и по сей день применяемых в современных фотонных тепловизорах на базе антимонида индия.
Микроболометр – это специфический неохлаждаемый тип болометра используется в качестве детектора в тепловой камере . Это сетка тепловых датчиков из оксида ванадия или аморфного кремния поверх соответствующей сетки из кремния . Инфракрасное излучение определенного диапазона длин волн попадает на оксид ванадия или аморфный кремний и изменяет его электрическое сопротивление.. Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в температуры, которые могут быть представлены графически. Сетка микроболометра обычно бывает трех размеров: матрица 640 × 480, матрица 320 × 240 (аморфный кремний 384 × 288) или менее дорогая матрица 160 × 120. Различные массивы обеспечивают одинаковое разрешение, а массив большего размера обеспечивает более широкое поле обзора .
Микроболометр состоит из массива пикселей , каждый из которых состоит из нескольких слоев. Схема поперечного сечения, показанная на рисунке 1, представляет собой обобщенный вид пикселя. У каждой компании, производящей микроболометры, есть своя уникальная процедура их изготовления, и они даже используют множество различных поглощающих материалов. В этом примере нижний слой состоит из кремниевой подложки и интегральной схемы считывания ( ROIC). Электрические контакты осаждаются, а затем выборочно вытравливаются. Отражатель, например, титановое зеркало, создается под материалом, поглощающим ИК-излучение. Поскольку часть света может проходить через поглощающий слой, рефлектор перенаправляет этот свет обратно, чтобы обеспечить максимально возможное поглощение, что позволяет генерировать более сильный сигнал. Затем наносится временный слой, чтобы позже в процессе можно было создать зазор для термической изоляции материала, поглощающего ИК-излучение, от ROIC. Затем наносится слой поглощающего материала, который избирательно травится, чтобы можно было создать окончательные контакты. Чтобы создать окончательную структуру, подобную мосту, показанную на рисунке 1, удаляемый слой удаляется, так что поглощающий материал находится примерно на 2 мкм над схемой считывания. Поскольку микроболометры не охлаждаются, Поглощающий материал должен быть термически изолирован от нижней части ROIC, и конструкция типа моста позволяет это осуществить. После создания массива пикселей микроболометр герметизируют, чтобы увеличить срок службы устройства. В некоторых случаях весь процесс изготовления выполняется без нарушения вакуума.
В 2008 году было объявлено о более крупных массивах 1024 × 768.
Рис. 1. Вид микроболометра в разрезе.
Микроболометр – это болометр в миниатюре , сжатый до минимально возможных размеров набор датчиков. Микроболометры не такие «мощные» как фотонные приемники и не дотягивают по наибольшей дистанции обнаружения как у охлаждаемых тепловизоров, но этот недостаток с лихвой компенсируется малым весом и удобством. Микроболометры уверенно заняли нишу приборов ближнего наблюдения и автоматического контроля, где важны малые габариты и низкое энергопотребление.
Сегодня размер такого датчика может составлять до 11 микрометров. Особенно восхищает и то, что и у этой микроскопической детали есть еще более мелкие элементы. Элементы микроболометра подвешены на высоте 2,5 мкм. Ширина ножек элемента составляет всего 1,5-1,8 мкм.
Чем меньше структурные элементы матрицы, тем более четкое изображение может выдавать ваш тепловизор. Поэтому в будущем основная технологическая гонка в сфере тепловидения будет перемещаться из макромира в сферу микромира.
Большинство микроболометров содержат резистор, чувствительный к температуре, что делает их пассивным электронным устройством. В 1994 году одна компания, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), начала заниматься производством микроболометров, в которых использовался тонкопленочный транзистор (TFT), который представляет собой особый вид полевого транзистора тоесть активный микроболометр. Основным изменением в этих устройствах будет добавление электрода затвора. Хотя основные концепции устройств схожи, использование такой конструкции позволяет использовать преимущества TFT. Некоторые преимущества включают настройку сопротивления и энергии активации, а также уменьшение периодических шумов. По состоянию на 2004 год это устройство все еще проходило испытания и не использовалось в коммерческой инфракрасной визуализации.
Позисторы
Позистор – это полупроводниковый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Рис. 8.4. Зависимость удельного сопротивления титаната бария от концентрации примесей: 1 – неодима; 2 – церия, лантана, ниобия; 3 – иттрия
Механизм электропроводности полупроводникового титаната бария обусловлена замещением в узлах кристаллической решетки бария примесью. При этом часть атомов титана, поддерживая электрическую нейтральность всего кристалла, захватывает лишние валентные электроны примеси, имеющей большую валентность, чем барий. Захватываемые электроны находятся в квазиустойчивом состоянии и легко перемещаются под действием электрического поля.
Резистивный слой позистора состоит из большого числа контактирующих зерен или кристаллитов полупроводникового титаната бария. Сопротивление позистора определяется сопротивленим обедненных поверхностных слоев на зернах. При температурах ниже точки Кюри, когда в зернах существует спонтанная поляризация и материал обладает очень большой диэлектрической проницаемостью, высота поверхностных потенциальных барьеров на зернах оказывается малой. При температурах, превышающих точку Кюри, титанат бария претерпевает фазовое превращение из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. При этом пропадает спонтанная поляризация, резко уменьшается диэлектрическая проницаемость, растет высота поверхностных потенциальных барьеров на зернах и увеличивается сопротивление позистора.
Таким образом, в узком диапазоне температур при нагреве выше точки Кюри удельное сопротивление полупроводникового титаната бария увеличивается на несколько порядков.
Рис.8.5. Температурные характеристики позисторов
Температурные характеристики позисторов (рис.8.5) связаны с точкой Кюри керамики. Точка Кюри титаната бария может быть смещена в сторону низких температур путем частичного замещения бария стронцием, цирконием, оловом или самарием, а также в сторону высоких температур – частичной заменой бария свинцом. Такое регулирование позволяет создавать позисторы, у которых положительный температурный коэффициент сопротивления наблюдается в разных диапазонах температур.
Титанат бария, хотя и наиболее распространенный, но не единственный материал, пригодный для изготовления позисторов. Положительный температурный коэффициент можно получит при использовании материалов SrTiO3 с добавкой ниобия, PbTiO3 с добавкой лантана, PbNbO6 с добавкой вольфрама и ряда других.
Свойства позисторов оцениваются характеристиками и параметрами, аналогичными характеристикам и параметрам термисторов.
При относительно малых и больших температурах температурные характеристики позисторов являются падающими, то есть позисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Существенным недостатком поликристаллических розисторов является неоднозначность температурных характеристик при различных приложенных напряжениях.
Температурный коэффициент сопротивления для позисторов оказывается не очень удобным параметром, так как его значение сильно зависит от температуры.
Статическая вольт-амперная характеристика позистора (рис.8.6) представляет собой зависимость напряжения на позисторе от проходящего через него тока при условии теплового равновесия между теплотой, выделяемой в позисторе, и теплотой, отводимой от него.
Рис.8.6. Вольт-амперная характеристика позистора
Отличия от термопары
Несмотря на схожесть термометров сопротивления и термопар, у них разные принципы действия. В термопарах используются 2 проволоки из разных металлов, соединенные между собой. При изменении температуры в месте контакта образуется разность потенциалов и возникает термо-ЭДС (электродвижущая сила). Далее она фиксируется вольтметром и переводится в значение температуры. Таким образом, для использования термопары не нужен источник питания, и она проще в применении. Но возникает резонный вопрос, а что точнее? Производитель аппаратуры «Тесей» провел и опубликовал исследования на этот счет.
Из графика можно определить, что при температуре до +300 градусов термопары класса «к0» точнее, чем термометры класса В. Если температура выше, то лучше применять термопары класса «к1». Так что при выборе измерителя нужно в первую очередь смотреть на его точность и стоимость, а не на принципы работы.
Термисторы
Термистор – это полупроводниковый резистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
В термисторах прямого подогрева
сопротивление изменяется либо под влиянием теплоты, которая выделяется при протекании электрического тока, либо в результате изменения температуры из-за изменения теплового облучения.
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления может быть обусловлен различными причинами: увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью, фазовыми превращениями полупроводникового материала.
Первая причина характерна для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, соединения типа АIIIВV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности с неполной ионизацией примесей и собственной электропроводности, так как в обоих случаях температурные изменения подвижности пренебрежимо малы.
В указанных диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры достаточно точно определяется выражением:
где B – коэффициент температурной чувствительности; R∞ – коэффициент, который зависит от материала и размеров термистора.
При неполной ионизации примесей для нескомпенсированного полупроводника
а для скомпенсированного полупроводника
где ΔEп – энергия ионизации примесей.
При собственной электропроводности
где ΔEg – ширина запрещенной зоны.
Значительная часть термисторов изготовлена из оксидных полупроводников (оксидов металлов переходной группы от титана до цинка).
Для металлов переходной группы характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность.
В результате при образовании оксида в определенных условиях в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. С увеличением температуры энергия обмена экспоненциально уменьшается, что приводит к увеличению интенсивности обменов и уменьшению сопротивления. Температурная зависимость сопротивления термисторов из оксидных полупроводников имеет такой же характер, как и ковалентных полупроводников (рис. 8.1), однако коэффициент температурной чувствительности в данном случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.
Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры, которая выражается соотношением (8.1). Коэффициенты R∞ и B могут быть найдены экспериментально путем измерения сопротивлений термистора при температурах T1 и T0:
Рис. 8.1. Температурная характеристика термистора
Таким образом, температурная характеристика считается заданной, если известны сопротивления R0 и R1. В качестве сопротивления R0 используют сопротивление при температуре T0=293 К, которое называют номинальным сопротивлением. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких Ом до нескольких сотен килоом.
Сопротивление R1 удобно измерять при сопротивлении кипения воды. Зависимость сопротивления термистора от температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления термистора – это величина, определяемая отношением относительного сопротивления термистора к изменению температуры:
Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры. Используя (8.1) и (8.7), получим
Статическая вольт-амперная характеристика термистора представляет собой зависимость падения напряжения от протекающего тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Вольт-амперные характеристики термисторов прямого подогрева
Характеристики линейны при малых токах и напряжениях, поскольку выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного увеличения его температуры. Увеличение тока вызывает рост выделяемой мощности, что повышает температуру термистора, вызывая уменьшение сопротивления и нарушение линейности характеристики. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора на вольт-амперной характеристики может наблюдаться участок отрицательного дифференциального сопротивления: падение напряжения на термисторе уменьшается с увеличением тока.
Для каждой точки статической вольт-амперной характеристики термистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, которая выделяется в термисторе, и мощностью, которую термистор рассеивает в окружающую среду:
где H – коэффициент рассеяния термистора; T – температура термистора; Tокр – температура окружающей среды.
Коэффициент рассеяния термистора определяет мощность, которую необходимо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на 1 К.
Из (8.1) и (8.9) можно получить уравнение статической ВАХ термистора в параметрическом виде:
Как следует из (8.10), вид статической ВАХ термистора определяется коэффициентом рассеяния, коэффициентом температурной чувствительности, номинальным сопротивлением термистора и температурой окружающей среды.
При уменьшении коэффициента рассеяния происходит более интенсивный разогрев термистора, следовательно, те же температуры достигаются при меньших мощностях и характеристики смещаются в область меньших напряжений.
Увеличение коэффициента температурной чувствительности приводит к смещению максимума характеристики в сторону меньших мощностей, а крутизна падающего участка возрастает.
При увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление термистора, снижается максимум ВАХ и уменьшается ее крутизна.
Исследуя (8.10) на экстремум, можно определить температуру полупроводника, соответствующую точке максимума ВАХ:
Коэффициент энергетической чувствительности термистора
определяется как мощность, которую нужно подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления
и зависит от режима работы, то есть различно в каждой точке статической ВАХ.
Быстродействие термистора характеризуется постоянной времени, которая определяется как интервал времени, в течение которого температура термистора при его свободном охлаждении уменьшается в е раз по отношению к первоначальной разности температур термистора и окружающей среды. Для различных термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140с.
Термистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник теплоты – подогреватель.
Конструкции термисторов косвенного подогрева различны, однако имеют общую особенность – наличие двух электрически изолированных друг от друга цепей: управляющей и управляемой.
Помимо характеристик и параметров, общих для всех термисторов, термисторы косвенного подогрева обладают специфическими характеристиками и параметрами.
Статические ВАХ термисторов косвенного подогрева приводят для различных значений тока через подогреватель (рис. 8.3,а).
Подогревная характеристика представляет собой зависимость сопротивления от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 8.3,б).
Рис. 8.3. Статические вольт-амперные (а) и подогревная (б) характеристики термистора косвенного подогрева
Тепловая инерционность термисторов косвенного подогрева характеризуется двумя постоянными времени. Одна постоянная времени определяет время, в течение которого температура термочувствительного элемента изменяется в е раз по отношению к установившемуся значению при мгновенном изменении мощности в цепи подогревателя. Вторая постоянная времени характеризует задержку в изменении температуры термочувствительного элемента по отношению к изменению температуры подогревателя.
Форма термисторов
Самые маленькие терморезисторы в виде бусинок. Их размеры меньше 1 миллиметра, а характеристики элементов отличаются стабильностью. Недостатком является невозможность взаимной подмены в электрических схемах.
Классификация терморезисторов по числу градусов в Кельвинах:
Максимальный нагрев хоть и допустим для термоэлементов, но сказывается на их работе ухудшением качества и появлением значительной погрешности в показателях.
PTC
В отличие от рассмотренных выше терморезисторов, PTC — термисторы, имеющие положительный коэффициент сопротивления. Это означает, что в случае нагрева детали увеличивается и ее сопротивление. Такие изделия активно применялись в старых телевизорах, оборудованных цветными телескопами.
Сегодня выделяется два типа PTC-терморезисторов (от числа выводов) — с двумя и тремя отпайками. Отличие трехвыводных изделий заключается в том, что в их состав входит два позитрона, имеющих вид «таблеток», устанавливаемых в одном корпусе.
Внешне может показаться, что эти элементы идентичны, но на практике это не так. Одна из «таблеток» имеет меньший размер. Отличается и сопротивление — от 1,3 до 3,6 кОм в первом случае, и от 18 до 24 Ом для второй такой таблетки.
Двухвыводные терморезисторы производятся с применением полупроводникового материала (чаще всего Si — кремний). Внешне изделие имеет вид небольшой пластинки с двумя выводами на разных концах.
Терморезисторы PTC применяются в разных сферах. Чаще всего их используют для защиты силового оборудования от перегруза или перегрева, а также поддержания температуры в безопасном режиме.
Главные направления применения:
Принцип действия
Работа термометров основана на том, что некоторые металлы и полупроводники меняют свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды. При этом у металлов при увеличении температуры сопротивление возрастает, их называют позисторами. У полупроводников оно падает, поэтому их название – термисторы. Измерение проводимости чувствительного элемента и является принципом действия. При этом различные материалы обладают разным температурным коэффициентом. Это значит, что одни реагируют на изменения больше, другие меньше. Этот параметр влияет на точность прибора. Всего существует несколько классов точности измерителей:
- B – 0,3;
- C – 0,6.
Самый точный – АА. Но он и самый дорогой, так как содержит платину. Немаловажную роль при измерении имеет соединение чувствительного элемента с измерителем. Обычно используется мостовая схема. При подключении питания ток, идущий от отрицательного полюса батареи, попадает на узловую точку А. Далее он разделяется на 2 равные части, поскольку сопротивление резисторов R1 и R2 одинаково. Из точек B и С через резисторы R3 и R4 он попадает в узел D и затем на плюс аккумулятора.
Если сопротивление всех резисторов одинаковое, то через резистор R5 ток не проходит. Это можно доказать законами Киргофа. Заменим один из резисторов, например, R3, на чувствительный элемент RTD. При комнатной температуре его сопротивление идентично другим резисторам. При изменении температуры оно меняется, и мост выходит из равновесия.
В этом случае через R5 начинает проходить ток. Если мы поменяем его на вольтметр, тогда по его показаниям можно судить, насколько изменилось сопротивление RTD. По этому изменению можно определить значение температуры. Данная схема широко применяется, поскольку она проста в реализации и обеспечивает хорошую точность. Компоненты моста скрыты в одном корпусе, а наружу выходит только чувствительный элемент RTD.
Болометры
Полупроводниковый болометр – это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения.
Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов, один из которых является активным, а второй – компенсационным. Активный термистор непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения, что приводит к изменению его сопротивления. Компенсационный термистор служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды и экранирован от измеряемого излучения. Оба термистора помещают в один герметичный корпус.
Болометры, как правило, имеют три внешних вывода: от активного и компенсационного термисторов и от средней точки.
Для характеристики болометров используют следующие параметры:
· сопротивление активного термистора при комнатной температуре;
· рабочее напряжение;
· чувствительность, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра, к мощности падающего на болометр излучения;
· порог чувствительности – мощность излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов;
· постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного термистора.
Как проверить термистор на работоспособность
Первая проверка исправности термистора – измерение номинального сопротивления обычным мультиметром. Если замер ведется при комнатной температуре, которая не очень отличается от +25 °С, то и измеренное сопротивление не должно существенно отличаться от указанного на корпусе или в документации.
Если температура окружающего воздуха выше или ниже указанного значения, надо взять небольшую поправку.
Можно попытаться снять температурную характеристику термистора – чтобы сравнить её с заданной в документации или чтобы восстановить её для элемента неизвестного происхождения.
Есть три температуры, доступные для создания с достаточной точностью без измерительных приборов:
На рисунке изображены типовые зависимости сопротивлений от температуры – сплошной линией для PTC, штриховой – для NTC.
Где находится на схеме
Отображение терморезистора на схеме может различаться. Изделие легко найти по обозначениям t и t0. Внешне оно отражается как сопротивление, через которое проходит полоска по диагонали с «подставкой» под t0 снизу. Главные обозначения — R1, TH1 или RK1.
Если возникают сомнения в сфере применения, терморезистор можно нагреть и посмотреть на его поведение. Если сопротивление будет меняться, это нужный элемент.
Терморезисторы используются почти везде — в плате зарядного устройства, в автомобильных усилителях, блоках питания ПК, в Li-Ion аккумуляторах и других устройства. Найти их на схеме не трудно.