Терморези́стор (термистор, термосопротивление) — полупроводниковый прибор , электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры .

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году .

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким ТКС, который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов .

Конструкция и разновидности терморезисторов

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов , галогенидов , халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1—10 микрометров до нескольких сантиметров .

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным ( NTC -термисторы, от слов « N egative T emperature C oefficient») и положительным ( PTC -термисторы, от слов « P ositive T emperature C oefficient» или позисторы ) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для NTC -термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.

Терморезисторы с отрицательным ТКС ( NTC -термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO , Сo O x, NiO и CuO ), полупроводников типа A ^III B ^V , стеклообразных, легированных полупроводников ( Ge и Si ), и других материалов. PTC -термисторы изготовляют из твёрдых растворов на основе BaTiO ₃ , что даёт положительный ТКС.

Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температуpax ниже 170 К ), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

• номинального (при 25 °C ) электрического сопротивления;
• температурного коэффициента сопротивления.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор и гальванически развязанный от него нагревательный элемент, задающий температуру терморезистора, и, соответственно, его электросопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением , приложенным к нагревательному элементу такого комбинированного прибора.

Температура рассчитывается по уравнению Стейнхарта — Харта :

${\displaystyle {1 \over T}=A+B\ln(R)+C[\ln(R)]^{3}}$

где T — температура, К ;
R — сопротивление, Ом ;
A,B,C — константы термистора, определённые при градуировке в трёх температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Одним из существенных недостатков «бусинковых» термисторов, как температурных датчиков, является то, что они не взаимозаменяемы и требуют индивидуальной градуировки . Не существует стандартов, регламентирующих их номинальную характеристику сопротивление — температура. «Дисковые» термисторы могут быть взаимозаменяемыми, однако при этом лучшая допускаемая погрешность не менее 0,05 °С в диапазоне от 0 до 70 °С. Типичный 10-килоомный термистор в диапазоне 0—100 °С имеет коэффициенты, близкие к следующим значениям:

${\displaystyle A=1,03\cdot 10^{-3}}$ ; ${\displaystyle B=2,93\cdot 10^{-4}}$ ; ${\displaystyle C=1,57\cdot 10^{-7}}$ .

Режим работы терморезисторов и их применение

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) термистора (терморезистора с отрицательным ТКС ) нелинейна из-за температурных изменений сопротивления термистора от его нагрева протекающим через него током. На ВАХ термистора, при снятии её в статическом режиме, то есть так, чтобы время измерения существенно превышало постоянную времени тепловой инерции прибора, можно выделить на три основных участка: ОА, АВ и ВС. На начальном участке ОА характеристика линейна, так как при малых токах через него мощность , выделяющаяся в термисторе мала, и температура терморезистора практически не изменяется. На участке АВ линейность характеристики нарушается, так как с ростом тока выделяемая мощность увеличивается, температура терморезистора заметно повышается относительно температуры окружающей среды, а его сопротивление уменьшается. При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопротивления оказывается столь сильным, что напряжение на термисторе уменьшается (если ток поддерживать неизменным), при этом на ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок ВС и далее при увеличении тока). Тангенс углов наклона прямых, проведённых из начала координат в точки на кривой ВАХ ${\displaystyle \beta _{A},\ \beta _{B},\ \beta _{C}}$ равен статической проводимости термистора в этих точках.

Режим работы терморезисторов зависит от выбранной рабочей точки на ВАХ такого прибора. В свою очередь ход ВАХ зависит от температуры прибора и его конструктивных особенностей.

Терморезисторы с рабочей точкой, выбранной на линейном участке ВАХ, используются для измерения температуры и компенсации ухода параметров ( электрическое напряжение или электрический ток ) электрических цепей, возникших вследствие изменения температуры.

Терморезисторы с рабочей точкой выставленной на нисходящем участке ВАХ (с «отрицательным сопротивлением») применяются в качестве , реле времени , в системах измерения и контроля мощности электромагнитного излучения на сверхвысоких частотах (или СВЧ), системах теплового контроля и пожарной сигнализации , в установках регулирования расхода жидких и сыпучих сред.

Наиболее распространены среднетемпературные терморезисторы (с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К), имеющие широкий диапазон сопротивлений (от 1 до 10 ⁶ Ом ).

Также существуют терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на основе кремния , сопротивление которых изменяется по закону близкому к линейному. Такие терморезисторы находят применение в системах охлаждения и температурной стабилизации режимов работы транзисторов в различных радиоэлектронных системах .

Так же терморезисторы с положительным ТКС применяются в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, сопротивление которых растет по мере роста собственной температуры (PTC нагреватель). Такой нагревательный элемент никогда не перегреется и будет стремиться сохранить постоянную температуру, близкую к точке Кюри . Температура может сохраняться постоянной при работе в широком диапазоне напряжений и температур окружающей среды. Тепловая мощность при этом зависит от эффективности теплосъема. Чем эффективнее отводится тепло, тем выше тепловая мощность позисторного нагревателя, потребляемый ток, соответственно, тоже выше.

См. также

• Термометр сопротивления
• Резистор
• Бареттер
• Термопара
• Термостат

Примечания

Литература

• Шефтель И. Т . Терморезисторы.
• Мэклин Э. Д . Терморезисторы.
• Шашков А. Г . Терморезисторы и их применение.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е перераб. и доп. изд. — М. : Высшая школа, 1987. — С. 401—407. — 479 с. — 50 000 экз.