Термистор

Термистор — это полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно изменяется в зависимости от температуры. Термисторы относятся к классу термочувствительных элементов (терморезисторов) и широко применяются в электронике и измерительной технике для измерения температуры, компенсации температурных дрейфов, а также в системах защиты от перегрева и в качестве датчиков.

Классификация и принцип действия

Основным физическим принципом работы термистора является зависимость удельного сопротивления полупроводникового материала от температуры. В отличие от металлических терморезисторов (например, платиновых или медных термометров сопротивления), термисторы имеют значительно больший температурный коэффициент сопротивления (ТКС), что обеспечивает высокую чувствительность.

По типу зависимости сопротивления от температуры термисторы делятся на два основных класса:

• Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC-термисторы). Их сопротивление уменьшается с ростом температуры. NTC-термисторы изготавливаются из смесей оксидов переходных металлов (марганца, никеля, кобальта, меди, железа), спечённых при высокой температуре. Они являются наиболее распространённым типом и используются для измерения температуры, ограничения пусковых токов и в системах термостабилизации.
• Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC-термисторы, или позисторы). Их сопротивление увеличивается с ростом температуры. PTC-термисторы обычно изготавливаются на основе титаната бария (BaTiO₃) с добавками. При достижении определённой температуры (точки Кюри) их сопротивление резко возрастает на несколько порядков. Это свойство используется в устройствах защиты от перегрева, в системах размагничивания кинескопов и в качестве саморегулирующихся нагревателей.

Устройство и характеристики

Конструктивно термистор представляет собой объёмный полупроводниковый элемент, заключённый в корпус. Форма может быть различной:

• Дисковая — наиболее распространённая форма для NTC-термисторов общего назначения.
• Стержневая — используется для высокомощных термисторов.
• Бусинковая — миниатюрные термисторы для высокоточных измерений, часто помещаются в стеклянную оболочку.
• Чип-форма — для поверхностного монтажа (SMD) на печатные платы.

Основные характеристики термисторов:

• Номинальное сопротивление — сопротивление при определённой температуре (обычно 25 °C). Диапазон значений: от единиц Ом до десятков мегаом.
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — относительное изменение сопротивления на один градус Цельсия. Для NTC-термисторов ТКС отрицательный и составляет от -2% до -6% на °C. Для PTC-термисторов ТКС положительный и может достигать десятков процентов на °C вблизи точки переключения.
• Постоянная времени — время, за которое термистор изменяет свою температуру на 63,2% от разницы между начальной и конечной температурой при скачкообразном изменении окружающей среды. Характеризует тепловую инерционность датчика.
• Максимальная рабочая температура — предельная температура, при которой термистор сохраняет работоспособность. Для различных типов может составлять от +100 °C до +300 °C и выше.
• Максимальная рассеиваемая мощность — предельная мощность, которую термистор может рассеивать без необратимого изменения характеристик.

История

Явление зависимости сопротивления полупроводников от температуры было известно ещё в XIX веке, однако практическое применение термисторов началось в середине XX века. В 1930-х годах были разработаны первые керамические полупроводниковые материалы с большим отрицательным ТКС. В 1940-х годах компания Bell Labs (США) начала промышленное производство термисторов на основе оксидных полупроводников. В СССР исследования и производство термисторов активно велись с 1950-х годов, в частности, в Институте радиотехники и электроники АН СССР и на специализированных предприятиях (например, завод «Квант» в г. Новгород). Разработка PTC-термисторов на основе титаната бария была осуществлена в 1950-х годах.

Применение

Термисторы находят применение в самых различных областях электроники и промышленности.

Измерение температуры

Благодаря высокой чувствительности и компактности, NTC-термисторы широко используются в качестве датчиков температуры в бытовой технике (термостаты холодильников, утюгов, стиральных машин), автомобильной электронике (датчики температуры охлаждающей жидкости, воздуха), медицинских приборах (термометры, датчики для физиотерапии), метеорологии и системах автоматизации.

Ограничение пусковых токов

NTC-термисторы с низким сопротивлением в холодном состоянии и высоким — в нагретом, применяются для ограничения бросков тока при включении мощных устройств (импульсные блоки питания, электродвигатели, лампы накаливания). При включении холодный термистор имеет высокое сопротивление, ограничивая ток, а затем нагревается, его сопротивление падает, и он практически не влияет на работу схемы.

Защита от перегрева

PTC-термисторы используются в качестве самовосстанавливающихся предохранителей. При превышении допустимого тока или температуры их сопротивление резко возрастает, ограничивая ток до безопасного уровня. После остывания термистор возвращается в исходное состояние. Такие элементы применяются в блоках питания, зарядных устройствах, трансформаторах.

Компенсация температурного дрейфа

В электронных схемах термисторы могут использоваться для компенсации температурной нестабильности других компонентов, например, транзисторов или диодов.

Времязадающие цепи

В сочетании с конденсаторами термисторы могут использоваться в генераторах и таймерах, где частота зависит от температуры.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая чувствительность (большой ТКС).
• Малые габариты и масса.
• Простота включения в электрическую цепь.
• Низкая стоимость.
• Широкий диапазон номинальных сопротивлений.
• Высокая надёжность и долговечность.

Недостатки:

• Нелинейность зависимости сопротивления от температуры (особенно у NTC-термисторов), что требует линеаризации в измерительных цепях.
• Относительно узкий диапазон рабочих температур (по сравнению с платиновыми термометрами сопротивления).
• Разброс параметров от экземпляра к экземпляру, что требует индивидуальной калибровки для высокоточных измерений.
• Старение характеристик со временем, особенно при работе в экстремальных условиях.

Интересные факты

• Первые термисторы были разработаны для использования в военной технике, в частности, для систем управления ракетами.
• Самые миниатюрные термисторы имеют размеры менее 0,5 мм и используются в медицинских катетерах для измерения температуры внутри организма.
• В бытовых электрочайниках и утюгах часто используются биметаллические термостаты, но в более современных моделях применяются термисторы для более точного контроля температуры.
• PTC-термисторы могут работать как саморегулирующиеся нагреватели: при достижении заданной температуры их сопротивление резко возрастает, и ток через них падает, автоматически поддерживая температуру на определённом уровне.

Источники

1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. — М.: Высшая школа, 1987.
2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: Высшая школа, 2000.
3. ГОСТ 21342.1-87. Резисторы. Методы измерения температурного коэффициента сопротивления.
4. Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К. К. Илюнина. — Л.: Энергия, 1979.
5. Техническая документация на термисторы серий NTC и PTC (производители: Murata, EPCOS, Vishay).