Положительный температурный коэффициент сопротивления

Положительный температурный коэффициент сопротивления (сокращённо PTC, от англ. Positive Temperature Coefficient) — это свойство материала увеличивать своё электрическое сопротивление при повышении температуры. Материалы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС) противопоставляются материалам с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), у которых сопротивление с ростом температуры падает. Данное свойство используется в электротехнике, электронике и измерительной технике для создания терморезисторов, датчиков температуры, устройств защиты от перегрузок по току и саморегулирующихся нагревателей.

Физическая природа

ПТКС характерен для большинства чистых металлов и их сплавов. В металлах электрический ток переносится свободными электронами, которые при движении сталкиваются с колеблющимися ионами кристаллической решётки. С повышением температуры амплитуда тепловых колебаний ионов возрастает, что увеличивает частоту столкновений электронов с решёткой и, как следствие, электрическое сопротивление. Для металлов зависимость сопротивления от температуры в широком диапазоне (до точки плавления) приближённо описывается линейным законом:

\[ R(T) = R_0 [1 + \alpha (T - T_0)] \]

где \(R_0\) — сопротивление при эталонной температуре \(T_0\) (обычно 20 °C), \(\alpha\) — температурный коэффициент сопротивления (ТКС), имеющий для металлов положительное значение (например, для меди \(\alpha \approx 0.0043 \, \text{°C}^{-1}\), для алюминия \(\alpha \approx 0.0042 \, \text{°C}^{-1}\)).

У некоторых материалов, включая полупроводники и керамику, ПТКС может проявляться в определённых температурных интервалах, часто с нелинейной зависимостью. Например, в легированных титанатом бария (BaTiO₃) керамических терморезисторах при достижении точки Кюри (около 120 °C для чистого BaTiO₃) происходит резкое возрастание сопротивления на несколько порядков. Этот эффект связан с фазовым переходом и изменением концентрации носителей заряда на границах зёрен.

Классификация материалов по знаку ТКС

По знаку температурного коэффициента сопротивления все материалы делятся на три группы:

• Проводники с положительным ТКС — металлы и их сплавы (медь, алюминий, железо, вольфрам, никель, платина). Для них характерна линейная или близкая к линейной зависимость сопротивления от температуры.
• Полупроводники и изоляторы с отрицательным ТКС — чистые полупроводники (германий, кремний), оксиды металлов (термисторы NTC). У них сопротивление падает с ростом температуры из-за увеличения концентрации свободных носителей заряда.
• Материалы с аномальным ПТКС — некоторые керамики (на основе BaTiO₃), полимерные композиты с проводящим наполнителем (например, углеродная сажа в полиэтилене). У них сопротивление резко возрастает в узком температурном диапазоне, что используется в защитных устройствах.

Применение

Терморезисторы с ПТКС (PTC-термисторы)

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-термисторы) изготавливаются из керамики на основе титаната бария или из полимерных композитов. Они делятся на два основных типа:

• Керамические PTC-термисторы — работают при температурах от -40 до +200 °C, имеют высокую нелинейность и используются в датчиках температуры, в системах защиты от перегрева и в качестве саморегулирующихся нагревателей.
• Полимерные PTC-термисторы (также называемые PTC-предохранителями, или ресеттерами) — изготавливаются из полимерной матрицы с проводящим наполнителем. При нормальной температуре они имеют низкое сопротивление, но при превышении порогового тока или температуры полимер расширяется, разрывая проводящие цепочки, и сопротивление резко возрастает, ограничивая ток. После остывания устройство возвращается в исходное состояние. Такие элементы широко применяются в электронике для защиты цепей от короткого замыкания и перегрузок.

Датчики температуры

Металлические термометры сопротивления (платиновые, медные, никелевые) используют ПТКС для точного измерения температуры. Наиболее распространены платиновые датчики (Pt100, Pt1000), которые обеспечивают высокую линейность и стабильность в диапазоне от -200 до +850 °C. Они применяются в промышленности, лабораториях, системах климат-контроля и метеорологии.

Саморегулирующиеся нагреватели

Нагревательные элементы на основе PTC-керамики или полимерных композитов обладают свойством автоматически поддерживать заданную температуру. При нагреве сопротивление возрастает, ток уменьшается, и выделяемая мощность падает, предотвращая перегрев. Такие нагреватели используются в автомобильных подогревателях сидений, зеркал, в бытовых обогревателях, в системах обогрева трубопроводов и в электронике.

Защита электрических цепей

PTC-предохранители (полимерные) применяются для защиты блоков питания, аккумуляторов, электродвигателей, трансформаторов и других устройств от перегрузок по току. В отличие от плавких предохранителей, они многократно восстанавливаются после устранения причины перегрузки, что снижает эксплуатационные расходы.

Измерительная техника

Металлические терморезисторы с ПТКС используются в мостовых схемах для измерения температуры, в компенсаторах температурных дрейфов других компонентов, а также в термоанемометрах, где по изменению сопротивления нагретой проволоки определяют скорость потока газа.

Примеры материалов с ПТКС

Сравнение с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Материалы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC) — обычно полупроводники (оксиды металлов, легированный кремний) — имеют противоположное поведение: их сопротивление уменьшается с ростом температуры. NTC-термисторы применяются в датчиках температуры, ограничителях пускового тока, в системах компенсации температурных дрейфов. В отличие от PTC-материалов, у которых зависимость часто резкая и нелинейная, NTC-термисторы имеют более плавную характеристику, что удобно для точных измерений, но менее эффективно для защиты от перегрузок.

Интересные факты

• Эффект положительного температурного коэффициента сопротивления в металлах был открыт ещё в XIX веке и использован для создания первых термометров сопротивления.
• В 1930-х годах советский физик А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС, а PTC-керамика на основе BaTiO₃ была разработана в 1950-х годах в США и Японии.
• Полимерные PTC-предохранители (ресеттеры) были изобретены в 1980-х годах компанией Raychem (сейчас часть TE Connectivity) и стали стандартом в защите электроники.
• В сверхпроводниках при температурах ниже критической сопротивление падает до нуля, что формально соответствует отрицательному ТКС, однако вблизи точки перехода может наблюдаться аномальный ПТКС.

Источники

1. Физические основы электротехники: учебник для вузов / Под ред. В. С. Попова. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергия, 1974.
3. ГОСТ 21342-75. Терморезисторы. Методы измерения температурного коэффициента сопротивления.
4. Каталог продукции TE Connectivity (Raychem) — PTC-предохранители.
5. Энциклопедия «Электроника и электротехника» / Под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2001.