Termistor je zariadenie určené na meranie teploty, pozostávajúce z polovodičového materiálu, ktorý pri malej zmene teploty výrazne mení svoj odpor. Vo všeobecnosti majú termistory záporné teplotné koeficienty, čo znamená, že ich odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou.
Všeobecná charakteristika termistora
Slovo "termistor" je skratka pre jeho úplný výraz: tepelne citlivý rezistor. Toto zariadenie je presný a ľahko použiteľný senzor pre akékoľvek zmeny teploty. Vo všeobecnosti existujú dva typy termistorov: záporný teplotný koeficient a kladný teplotný koeficient. Najčastejšie sa prvý typ používa na meranie teploty.
Označenie termistora v elektrickom obvode je zobrazené na obrázku.
Materiálom termistorov sú oxidy kovov s polovodičovými vlastnosťami. Počas výroby majú tieto zariadenia tento tvar:
- disc;
- rod;
- guľaté ako perla.
Termistor je založený na princípe silnéhozmena odporu s malou zmenou teploty. Zároveň sa pri danej sile prúdu v obvode a konštantnej teplote udržiava konštantné napätie.
Ak chcete zariadenie používať, je pripojené k elektrickému obvodu, napríklad k Wheatstoneovmu mostu, a meria sa prúd a napätie na zariadení. Podľa jednoduchého Ohmovho zákona R=U/I určíme odpor. Ďalej sa pozerajú na krivku závislosti odporu od teploty, podľa ktorej sa dá presne povedať, akej teplote výsledný odpor zodpovedá. Keď sa teplota zmení, hodnota odporu sa dramaticky zmení, čo umožňuje určiť teplotu s vysokou presnosťou.
Materiál termistora
Materiálom drvivej väčšiny termistorov je polovodičová keramika. Proces jeho výroby spočíva v spekaní práškov nitridov a oxidov kovov pri vysokých teplotách. Výsledkom je materiál, ktorého oxidové zloženie má všeobecný vzorec (AB)3O4 alebo (ABC)3O4, kde A, B, C sú kovové chemické prvky. Najčastejšie používané sú mangán a nikel.
Ak sa očakáva, že termistor bude pracovať pri teplotách nižších ako 250 °C, potom sú do keramickej kompozície zahrnuté horčík, kob alt a nikel. Keramika tohto zloženia vykazuje stabilitu fyzikálnych vlastností v špecifikovanom teplotnom rozsahu.
Dôležitou charakteristikou termistorov je ich špecifická vodivosť (prevrátená hodnota odporu). Vodivosť je riadená pridávaním malýchkoncentrácie lítia a sodíka.
Proces výroby nástrojov
Sférické termistory sa vyrábajú nanesením na dva platinové drôty pri vysokej teplote (1100°C). Potom sa drôt odreže, aby sa vytvarovali kontakty termistora. Na utesnenie guľového nástroja je nanesený sklenený povlak.
V prípade kotúčových termistorov je proces vytvárania kontaktov nanesením kovovej zliatiny platiny, paládia a striebra na ne a následným prispájkovaním na povlak termistora.
Odlišnosť od platinových detektorov
Okrem polovodičových termistorov existuje ešte jeden typ teplotných detektorov, ktorých pracovným materiálom je platina. Tieto detektory menia svoj odpor, keď sa teplota mení lineárnym spôsobom. Pre termistory má táto závislosť fyzikálnych veličín úplne iný charakter.
Výhody termistorov oproti platinovým náprotivkom sú nasledovné:
- Vyššia citlivosť odporu na zmeny teploty v celom prevádzkovom rozsahu.
- Vysoká úroveň stability prístroja a opakovateľnosti meraní.
- Malé rozmery, aby rýchlo reagovali na zmeny teploty.
Odpor termistora
Táto fyzikálna veličina klesá so zvyšujúcou sa teplotou a je dôležité zvážiť rozsah prevádzkovej teploty. Pre teplotné limity od -55 °C do +70 °C sa používajú termistory s odporom 2200 - 10000 ohmov. Pre vyššie teploty používajte zariadenia s odporom väčším ako 10 kOhm.
Na rozdiel od platinových detektorov a termočlánkov nemajú termistory špecifické normy pre krivky odporu verzus teplota a na výber je široká škála kriviek odporu. Je to preto, že každý materiál termistora, podobne ako snímač teploty, má svoju vlastnú krivku odporu.
Stabilita a presnosť
Tieto nástroje sú chemicky stabilné a časom nedegradujú. Termistorové snímače patria medzi najpresnejšie prístroje na meranie teploty. Presnosť ich meraní v celom prevádzkovom rozsahu je 0,1 - 0,2 °C. Upozorňujeme, že väčšina spotrebičov pracuje v rozsahu teplôt od 0 °C do 100 °C.
Základné parametre termistorov
Nasledovné fyzikálne parametre sú základné pre každý typ termistora (uvádzame dekódovanie názvov v angličtine):
- R25 - odpor zariadenia v Ohmoch pri izbovej teplote (25 °С). Kontrola tejto charakteristiky termistora je jednoduchá pomocou multimetra.
- Tolerancia R25 - hodnota tolerancie odchýlky odporu na zariadení od jej nastavenej hodnoty pri teplote 25 °С. Táto hodnota spravidla nepresahuje 20 % R25.
- Max. Ustálený prúd - maximumhodnota prúdu v ampéroch, ktorý môže pretekať zariadením dlhší čas. Prekročenie tejto hodnoty hrozí rýchlym poklesom odporu a následkom toho zlyhaním termistora.
- Pribl. R z Max. Prúd - táto hodnota udáva hodnotu odporu v Ohmoch, ktorú zariadenie nadobudne, keď ním prechádza maximálny prúd. Táto hodnota by mala byť o 1-2 rády menšia ako odpor termistora pri izbovej teplote.
- Dissip. Coef. - koeficient, ktorý ukazuje teplotnú citlivosť zariadenia na výkon, ktorý absorbuje. Tento faktor udáva množstvo výkonu v mW, ktoré musí termistor absorbovať, aby zvýšil svoju teplotu o 1 °C. Táto hodnota je dôležitá, pretože ukazuje, koľko energie potrebujete minúť na zahriatie zariadenia na prevádzkovú teplotu.
- Tepelná časová konštanta. Ak sa termistor používa ako obmedzovač nábehového prúdu, je dôležité vedieť, ako dlho bude trvať vychladnutie po vypnutí napájania, aby bol pripravený na opätovné zapnutie. Keďže teplota termistora po jeho vypnutí klesá podľa exponenciálneho zákona, zavádza sa pojem "Tepelná časová konštanta" - čas, počas ktorého teplota zariadenia klesne o 63,2% rozdielu medzi prevádzkovou teplotou zariadenie a okolitú teplotu.
- Max. Kapacita záťaže v ΜF - množstvo kapacity v mikrofaradoch, ktoré je možné vybiť cez toto zariadenie bez jeho poškodenia. Táto hodnota je uvedená pre špecifické napätie,napr. 220 V.
Ako otestovať funkčnosť termistora?
Na hrubú kontrolu funkčnosti termistora môžete použiť multimeter a bežnú spájkovačku.
V prvom rade zapnite na multimetri režim merania odporu a pripojte výstupné kontakty termistora na svorky multimetra. V tomto prípade na polarite nezáleží. Multimeter ukáže určitý odpor v ohmoch, mal by sa zaznamenať.
Potom musíte zapojiť spájkovačku a priviesť ju k jednému z výstupov termistora. Dávajte pozor, aby ste zariadenie nepopálili. Počas tohto procesu by ste mali sledovať hodnoty multimetra, mal by vykazovať hladko klesajúci odpor, ktorý sa rýchlo ustáli na minimálnej hodnote. Minimálna hodnota závisí od typu termistora a teploty spájkovačky, zvyčajne je niekoľkonásobne menšia ako hodnota nameraná na začiatku. V tomto prípade si môžete byť istí, že termistor funguje.
Ak sa odpor na multimetri nezmenil, alebo naopak prudko klesol, zariadenie nie je vhodné na jeho použitie.
Upozorňujeme, že táto kontrola je hrubá. Pre presné otestovanie zariadenia je potrebné zmerať dva indikátory: jeho teplotu a zodpovedajúci odpor a následne tieto hodnoty porovnať s hodnotami udávanými výrobcom.
Aplikácie
Termistory sa používajú vo všetkých oblastiach elektroniky, v ktorých je dôležité sledovať teplotné podmienky. Tieto oblasti zahŕňajúpočítače, vysoko presné zariadenia pre priemyselné inštalácie a zariadenia na prenos rôznych údajov. Termistor 3D tlačiarne sa teda používa ako senzor, ktorý riadi teplotu vyhrievacieho lôžka alebo tlačovej hlavy.
Jedným z najbežnejších použití termistora je obmedzenie nárazového prúdu, napríklad pri zapnutí počítača. Faktom je, že v okamihu zapnutia napájania sa vybije štartovací kondenzátor, ktorý má veľkú kapacitu, čím sa vytvorí obrovský prúd v celom okruhu. Tento prúd je schopný spáliť celý čip, preto je v obvode zahrnutý termistor.
Toto zariadenie malo v čase zapnutia izbovú teplotu a obrovský odpor. Takýto odpor môže účinne znížiť prúdový ráz v čase štartovania. Ďalej sa zariadenie zahrieva v dôsledku prúdu prechádzajúceho cez neho a uvoľňovania tepla a jeho odpor prudko klesá. Kalibrácia termistora je taká, že prevádzková teplota počítačového čipu spôsobí, že odpor termistora je prakticky nulový a nedochádza na ňom k poklesu napätia. Po vypnutí počítača termistor rýchlo vychladne a obnoví svoj odpor.
Používanie termistora na obmedzenie spínacieho prúdu je teda nákladovo efektívne a pomerne jednoduché.
Príklady termistorov
V súčasnosti je v predaji široká škála produktov, tu sú charakteristiky a oblasti použitia niektorých z nich:
- Termistor B57045-K s maticou, má menovitý odpor 1kOhm s toleranciou 10 %. Používa sa ako snímač merania teploty v spotrebnej a automobilovej elektronike.
- B57153-S kotúčový prístroj, má maximálny menovitý prúd 1,8 A pri 15 ohmoch pri izbovej teplote. Používa sa ako obmedzovač nábehového prúdu.
