Термистор — полупроводниковый терморезистор¶

Термистор (сокращение от «терморезистивный резистор», англ. thermistor) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно и воспроизводимо зависит от температуры. Относится к классу полупроводниковых датчиков температуры. Изготавливается на основе керамических композиций на основе оксидов переходных металлов — прежде всего марганца, никеля, кобальта, железа, а также диоксида титана, оксида ванадия и других соединений. В отличие от металлических термометров сопротивления, у которых изменение сопротивления с температурой относительно невелико (около 0,4 %/°C), у термисторов этот коэффициент может достигать 3–7 %/°C, что обеспечивает высокую чувствительность.

¶Принцип работы

Физической основой работы термистора является зависимость концентрации носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводнике от температуры. При нагреве полупроводника число носителей, способных преодолевать запрещённую зону, растёт экспоненциально, что уменьшает удельное сопротивление материала. Зависимость сопротивления от температуры для большинства термисторов описывается формулой:

R(T) = R₀ · exp[B · (1/T − 1/T₀)]

где R₀ — сопротивление при опорной температуре T₀ (обычно 298,15 K или 25 °C), B — материал-константа (коэффициент B), характеризующая чувствительность термистора. Значение B лежит в диапазоне 2000–5000 K и зависит от состава материала и технологии изготовления.

¶Классификация

По знаку температурного коэффициента сопротивления (ТКС) термисторы делятся на два основных типа:

¶Термисторы NTC

Наибольшее распространение получили NTC-термисторы. Изготавливаются из спечённых керамических таблеток или гранул оксидов переходных металлов. Применяются для измерения температуры, компенсации температурных дрейфов приборов, ограничения пусковых токов, в измерительных мостах и делителях напряжения. Широко используются в бытовой технике, автомобильной электронике, медицинском оборудовании, системах HVAC.

¶Термисторы PTC

PTC-термисторы на основе бариевой титановой керамики обладают нелинейной характеристикой: при достижении определённой температуры (точки Кюри, typically 60–120 °C для защитных типов) сопротивление возрастает на 3–6 порядков. Это свойство используется для саморегулирующихся нагревателей, защитных предохранителей и ограничителей тока. Полимерные PTC-термисторы (на основе полиэтилена с углеродным наполнителем) применяются в слаботочных цепях.

¶Конструкция и изготовление

Типовой NTC-термистор состоит из керамического тела (таблетки, диска, бусины или стержня), к которому присоединены выводы, и герметизирующего корпуса — стеклянного, эпоксидного или покрытия из полиимидной плёнки. Размеры тела варьируются от долей миллиметра (для SMD-компонентов) до нескольких сантиметров (для силовых ограничителей).

Основные формы выпуска:

• дисковые и таблеточные — для монтажа на печатные платы;
• SMD-чипы — для поверхностного монтажа;
• стержневые и бусинные — для погружных измерений;
• тонкоплёночные и толстоплёночные — для интегральных схем и миниатюрных датчиков;
• в стеклянной оболочке — для химически агрессивных сред.

Процесс изготовления включает приготовление шихты из оксидных порошков, формование, спекание при 1000–1400 °C, нанесение контактных электродов (серебряная паста) и монтаж выводов.

¶Основные параметры

• Номинальное сопротивление при 25 °C — типовые значения от 100 Ом до 1 МОм;
• Коэффициент B — определяет чувствительность;
• ТКС — в интервале −3…−7 %/°C для NTC;
• Диапазон рабочих температур — от −100 °C до +300 °C для керамических NTC, до +600 °C для специальных исполнений;
• Рассеиваемая мощность — от десятков милливатт до единиц ватт;
• Временная постоянная — от долей секунды (в жидкой среде) до десятков секунд (в воздухе).

¶Применение

Основные области применения термисторов:

1. Измерение температуры — в термометрах, системах управления отоплением, холодильной технике, медицинских приборах (термометры, инкубаторы).
2. Температурная компенсация — стабилизация характеристик измерительных приборов, осцилляторов, преобразователей.
3. Ограничение тока (inrush current limiter) — NTC-термистор последовательно включается в цепь питания и ограничивает пусковой ток ёмкостных нагрузок; при нагреве его сопротивление падает, и он «выходит» из цепи.
4. Защита от перегрева — PTC-термисторы в обмотках электродвигателей, трансформаторах, зарядных устройствах.
5. Саморегулирующиеся нагревательные кабели — PTC-полимерные элементы, меняющие мощность в зависимости от локальной температуры.
6. Измерительные мосты и датчики — в составе преобразовательных схем, включая цифровые термометры и системы сбора данных.

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам термисторов относятся высокая чувствительность, малые размеры, низкая стоимость, возможность массового производства с малым разбросом параметров. Ограничениями являются нелинейность характеристики (требующая линеаризации или калибровки), сравнительно узкий рабочий диапазон температур по сравнению с термопарами и термометрами сопротивления, а также саморазогрев при протекании тока измерения.

¶История

Термистор изобретён в 1833 году Майклом Фарадеем, обнаружившим резкое уменьшение сопротивления сернида серебра при нагреве. В 1880-х годах Сэмюэл Уиллиг и другие исследователи изучали полупроводниковые свойства оксидных керамик. Массовое промышленное производство термисторов началось в 1930-х годах в США и СССР; в Советском Союзе активная разработка полупроводниковых датчиков велась в 1950–1960-е годы в рамках развития радиоэлектроники и приборостроения.

¶Источники

• Справочник по радиокомпонентам: термисторы NTC/PTC
• ГОСТ Р МЭК 60751 — Промышленные платиновые термометры сопротивления (сравнительные данные)
• Даташиты производителей: Vishay, Murata, TDK, Amphenol
• Физика полупроводников: учебные пособия вузов РФ