Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы. Терморезисторы с положительным ТКС, позисторы

Устройство является универсальным и предназначено для поддержания фиксированного значения заданной положительной температуры в диапазоне +1...80 °С с точностью 0,2 °С.

Термостабилизатор может применяться в искусственном инкубаторе для выведения цыплят из яиц (+37,5 °С), сушильном шкафу (+60 °С), домашней бане или же поддерживать положительную температуру (+2 °С) в утепленном хранилище для овощей на балконе при отрицательной температуре окружающего воздуха. При этом на работе устройства не сказывается возможная нестабильность сетевого напряжения.

Питается устройство по бестрансформаторной схеме непосредственно от сети 220 В, что позволяет значительно уменьшить его габариты.

Принцип работы схемы на компараторе D1 в особых пояснениях не нуждается - он часто применяется в различных устройствах и описан в литературе. Особенностью данного включения компаратора является управление выходной нагрузкой по эмиттерному выходу микросхемы. Использование транзистора VT1 позволяет улучшить работу компаратора и упростить схему управления тиристором.

В качестве нагревателя подойдет любая нагрузка мощностью не более 1000 Вт (я использовал "воздушный" ТЭН на 500 Вт - он более долговечен, чем нагреватель в виде лампочки). Если же требуется управлять более мощной нагрузкой, то диоды VD3...VD7 необходимо применять на больший допустимый рабочий ток (например Д246А, Б, Д247А, Б) и подключить дополнительный тиристор совместно с еще одним транзистором КТ940А аналогично с приведенной схемой. Сигнал управления второй нагрузкой (она подключается к отдельным гнездам) снимается с вывода D1/1.

Для управления нагрузкой мощностью более 1000 Вт можно применить один тиристор типа Т122-20-4 или Т122-25-4 (последняя цифра в обозначении может быть и больше).

Индикаторами режимов работы схемы являются светодиоды HL1, HL2. Так, при включении устройства тумблером S2, если не подключен нагревательный элемент А1 (или он перегорел), то светиться будут одновременно оба светодиода, а при нормальной работе устройства свечение между индикаторами будет чередоваться: при нагреве А1 светится красный светодиод HL1 (тиристор открыт), при остывании HL2 - зеленый.

В схеме применен в качестве датчика температуры терморезистор типа СТЗ-19 (он обладает малыми габаритами и массой), но подойдут и другие типы (при этом может возрасти инерционность термостабилизации).

Для удобства эксплуатации термостабилизатора используется переключатель (S1), который позволяет иметь 5 фиксированных значений температуры и одно изменяемое. В шестом положении переключателя переменный резистор R2 позволяет устанавливать любую температуру в указанном диапазоне.

Наиболее часто используемые значения температуры удобно настроить резисторами R3, R6...R8, R10 (многооборотные, типа СП5-2) в соответствующих положениях переключателя.

В схеме применены постоянные резисторы типа С2-23; переменный резистор R2 типа СП2-2; конденсатор С1- К50-15, С2 - К10-7В; переключатель S1 типа ПГ2-5-6П2Н; тумблер S2 типа ТЗ; разъем Х1 - РС-4; гнезда Х2, ХЗ типа Г4,0 .

При изготовлении конструкции необходимо предусмотреть теплоотвод для тиристоpa VSI и диодов VD3...VD7.

Внешний вид конструкции корпуса показан на рисунке выше. Выполняется он из диэлектрических материалов.

Соединительный кабель от гнезда Х1 до термодатчика может иметь длину до двух метров и выполняется перевитыми между собой проводами - это уменьшит влияние помех и наводок на вход схемы.

Страница 5

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = B/Θ2. При 20° С величина ТКС составляет 2-8 проц/К.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 7 , кривая 2) достаточно хорошо описывается формулой RT = AeB/Θ, где Θ - абсолютная температура; А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления; В - коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис. рис. 7 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая 1). Для каждого конкретного ПТР коэффициенты А и В, как правило, постоянны, за исключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последних В может принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемых температур.

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны сопротивления R1 и R2 при Θ1 и Θ2, то величину сопротивления и коэффициент В для любой другой температуры можно определить из соотношений

"

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эма­левой краской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.,

Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металли­ческие капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, ие являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5-0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

Рис. 8

В табл. 4 представлены основные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых для большинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов

Таблица 4

Полупроводниковые резисторы К полупроводниковым резисторам относят:

• терморезисторы
• бо-лометры
• позисторы
• варисторы
• фоторезисторы.

Терморезисторы. Они представляют собой полупроводниковые тепловые приборы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ТКС. При увеличении темпе-ратуры возникает термогенерация носителей заряда в материале полупроводника, вследствие чего снижается электрическое сопротив-ление терморезистора ТР. Различают ТР, реагирующие на измене-ние температур окружающей среды и на нагрев, вызванный прохо-дящим через них током. Свойства ТР первой группы определяются температурной характеристикой Rr=Ф(t°), выражающей зависи-мость сопротивления прибора от температуры окружающей среды (кривая 2). Сврйства ТР второй группы оценивают по вольтампер-ной характеристике U=ф(I), которая.отражает его нагрев прохо-дящим током и определяет нелинейные свойства прибора

Параметрами терморезисторов являются:

• сопротивление (ом) Rт при температуре 20 °С;
• темпера-турный коэффициент сопротивления, выражающий в процентах из-менение сопротивления прибора при изменении температуры,на 1 °С
• мощность рассеивания Pтi при которой температура не превы-шает допустимой;
• постоянная времени т, характеризующая тепловую инерционность терморезистора ТР (т=Ст/Рр, где Ст — теплоемкость, представляю-щая энергию, необходимую для нагрева ТР на 1 °С, Вт*с/°С; РР — коэффициент рассеивания, т. е. мощность, рассеиваемая ТР при раз-ности температур между ним и средой в 1 °С, Вт/°С).

Обозначение терморезисторов состоит из трех-четырех элемен-тов, например, СП-21, СТ2-26, СТЗ-27, СТ4-15 и др. Буквы первого элемента СТ означают термочувствительное сопротивление, цифры второго элемента характеризуют тип используемого полупроводни-кового материала (1 — кобальто-марганцевый, 2 — медно-марганце-вый, 3 — медно-кобальто-марганцевые, 4 — кобальто-никелево-мар-ганцевые), третьего элемента — код конструкции, буквы четвертого элемента обозначают код интервала рабочих температур (эти бук-вы можно и не ставить).

Терморезисторы групп СТ1-21, СТЗ-21, СТЗ-27 и других исполь-зуют в качестве регулируемых бесконтактных резисторов в цепях автоматики; групп ММТ, КМТ и других — для измерения и регули-рования температуры, а также для термокомпенсации элементов элек-трияеских цепей; групп Т8Д, Т8Е, Т8С2М и других — в качестве термочувствительного элемента при измерении мощности СВЧ коле-баний.

Болометры. Представляют собой особый вид терморезисторов, используемых в качестве приемников лучистой энергии. Действие болометров основано на изменении сопротивления чувствительного элемента при его нагревании в результате поглощения энергии из-лучения.

Полупроводниковые болометры содержат два (активный и ком-пенсационный) терморезисторных элемента. Активный непосредст-венно подвергается воздействию измеряемого излучения, а компен-сационный экранирован от излучения и служит для компенсации влияния изменения температуры окружающей среды. Обозначения полупроводниковых болометров состоят из букв и цифр (например, БКМ-1, БКМ-2), указывающих порядковый номер типа прибора.

Таблица 46

Примечание. Параметры терморезисторов и позисторов указаны для температуры окружающей среды 20 °С, а СТ1-19 — для 150°С.

Применяют болометры для бесконтактного дистанционного из-мерения температуры в качестве приемников лучистой энергии в спектральных приборах, в различных системах ориентации. Иммер-сионные полупроводниковые болометры (например, БП1-2) исполь-зуют в качестве приемников инфракрасного, излучения в аппаратуре автоконтроля ответственных узлов железнодорожного подвижного состава (колесных пар, подшипников и др.)

Позисторы. Представляют собой терморезисторы с положитель-ным температурным коэффициентом сопротивления. ТКС позисторов, изготовленных на основе титаната бария, достигает десятков про-центов на 1 °С

Применяют позисторы для ограничения и стабилизации тока в электрических цепях, авторегулировки усиления в схемах термо-компенсации, для защиты элементов схемы и приборов от перегре-ва, регулировки температуры и т. д. Позисторами служат приборы СТ5-1, СТ6-1А, СТ6-1Б, СТ6-5Б, СТ6-4В, СТ64Г и др.

Основные параметры некоторых терморезисторов и позисторов приведены в табл 46.

Вариаторы. Эти приборы представляют собой полупроводниковые резисторы объемного типа с нелинейными вольт-амперными характеристиками Для напряжений различной полярно-сти вольт-амперные характеристики симметричны. Варисторы можно использовать в цепях постоянного, переменного (с частотами до не-скольких килогерц) и импульсного токов. Изготовляют стержневые и дисковые варисторы из порошкообразного карбида кремния.

Основными параметрами варисторов являются следующие.

• Номинальное классификационное напряжение Uкл — постоян-ное напряжение, при котором через варистор проходит заданный токIкл.
• Максимально допустимое импульсное напряжение Uи макс [для стержневых варисторов
• Uи,макc = (1,2-2) Uкл, а для дисковыхUж макс = (3Ч- 4) UKa] .
• Коэффициент нелинейности Р — отношение сопротивления варистора постоянному току к его сопротивлению переменно-му току.
• Номинальная мощность рассеивания Раон — 1кяУкл при заданной температуре среды.
• Условное обозначение ва-ристоров состоит из букв и цифр (например, СН1-1-1-1500).

Буквы СН обозначают — нели-нейное сопротивление, первая цифра указывает применяемый материал, вторая — конструк-цию (1 — стержневой, 2 — дис-ковый), третья — порядковый номер разработки; число в конце обо-значения характеризует величину падения напряжения.

Параметры некоторых типов варисторов приведены в табл. 47.

Варисторы применяют в устройствах стабилизации высоковольт-ных источников напряжения телевизионных приемников, для стаби-лизации токов в отклоняющих катушках кинескопов, в системах раз-магничивания цветных кинескопов, системах автоматического регу-лирования.

Фоторезисторы. Представляют собой полупроводниковые при-боры, электрическое сопротивление которых изменяется под дейст-вием электромагнитного (светового) излучения. Характер изменения сопротивления определяется интенсивностью и составом облучающе-го света.

Параметрами фоторезисторов ФР являются следующие.

• Рабочее напряжение, при котором ФР может быть использован в течение указанного срока службы с сохранением его параметров.
• Допустимая мощность рассеивания рф — максимальная мощ-ность, рассеиваемая на ФР без его теплового повреждения
• Темновое электрическое сопротивление RT — при 20 °С через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
• Темповой ток Iт, проходящий в цепи ФР при приложенном ра-бочем напряжении через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
• Световой ток Iс, проходящий через ФР при напряжении и ос-вещенности 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850К.Таблица 47

Для измерения температуры применяют металлические и полу­проводниковые резисторы. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0-100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношением R Т =R 0 (1 +A Θ +B Θ 2 ), гдеR 0 - сопротивление при 0° С; Θ - температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления,A = 3,96847∙10 -12 1/К;В = - 5,847∙10 7 1/К 2 . В интервале от 0 до - 200° С зависимость сопротивления платины от температуры имеет видR т =R 0 , гдеС = - 4,22∙10 12 1/К 3 .

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от - 50 до + 180° С можно пользоваться формулой R Т =R 0 (1 + aΘ), где a = 4,26∙10 3 1/К.

Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление R T2 (при температуре Θ 2) по известному сопротивлению R T2 (при температуре Θ 1), то следует пользоваться формулой

или более удобным соотношением

где Θ = 1/a - постоянная, имеющая размерность температуры и равная Θ 0 = 234,7° С (по физическому смыслу Θ 0 - это такое значение температуры, при котором сопротивление меди должно было бы стать равным нулю, если бы ее сопротивление уменьшалось все время по линейному закону, чего нет на самом деле).

В значительной степени сопротивление металлов зависит от их химической чистоты и термообработки. ТКС сплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, и для некоторых сплавов может быть даже отрицательным в определенном температурном диапазоне.

Выбор металла для терморезистора определяется в основном химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур. С этой точки зрения медный преобразователь можно применять только до температур порядка 200° С в атмосфере, свободной от влажности и коррелирующих газов. При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных термометров сопротивления равен - 50° С хотя при введении индивидуальной градуировки возможно их применение вплоть до - 260° С.

Промышленные платиновые термометры используются в диапазоне температур от -200 до +650° С, однако есть данные, свидетельствующие о возможности применения платиновых термометров для измерения температур от -264 до +1000° С.

Основным преимуществом никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только для температур не выше 100° С. При условии хорошей изоляции от воздействия среды никелевые терморезисторы можно применять до 250-300° С. Для более высоких температур его ТКС неоднозначен. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, вы-сокостабильны, малоинерционны и при малых габаритах могут иметь сопротивления до десятков килоом.

Высокий ТКС имеют вольфрам и тантал, но при температуре свыше 400° С они окисляются и применяться не могут. Для низкотемпературных измерений хорошо зарекомендовали себя некоторые фосфористые бронзы. Кроме того, для измерений низких температур находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.

Некоторые характеристики металлов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.

Таблица 3:

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые теоморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001° С.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются отметаллических меньшими габаритами и большими значениями ТКС.

ТКС полупроводниковых терморезисторов (ПТР) отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: a = B /Θ 2 . При 20° С величина ТКС составляет 2-8 проц/К.

Температурная зависимость сопротивления ПТР (рис. 7 , кривая2) достаточно хорошо описывается формулой R T =Ae B /Θ , где Θ - абсолютная температура;А - коэффициент, имеющий размерность сопротивления;В - коэффициент, имеющий размерность температуры. На рис.рис. 7 для сравнения приведена температурная зависимость для медного терморезистора (кривая1 ). Для каждого конкретного ПТР коэффициентыА иВ, как правило, постоянны, за исключением некоторых типов 1 ПТР (например, СТ 3-14), для последнихВ может принимать два разных значения в зависимости от диапазона измеряемых температур.

Если для применяемого ПТР не известны коэффициенты А иВ, но известны сопротивленияR 1 иR 2 при Θ 1 и Θ 2 , то величину сопротивления и коэффициентВ для любой другой температуры можно определить из соотношений

"

Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 8 показано устройство нескольких типов терморезисторов. Терморезисторы типа ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эма­левой краской с контактными колпачками и выводами. Этот тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.,

Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металли­ческие капсулы и герметизированы, благодаря чему они могут быть использованы в условиях любой влажности и даже в жидкостях, ие являющихся агрессивными относительно корпуса терморезистора.

Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру малых объектов с минимальными искажениями режима работы, а также температуру, изменяющуюся во времени. Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют каплевидную форму. Чувствительный элемент в них герметизирован стеклом и снабжен выводами из проволоки, имеющей низкую теплопроводность. В терморезисторе СТЗ-25 чувствительный элемент также помещен в стеклянную оболочку, диаметр которой доведен до 0,5-0,3 мм. Терморезистор с помощью выводов прикреплен к траверсам.

Рис. 8

В табл. 4 представлены основные характеристики некоторых ПТР. В графе «номинальные сопротивления» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений, нормируемых для большинства ПТР при 20° С. Исключение составляют ПТР типов

Таблица 4

КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19, номинальные сопротивления которых нормируются для температуры 150° С. В графе «постоянная В» для некоторых типов ПТР приводятся два диапазона возможных значенийВ, первая строчка при этом относится к низким температурам, а вторая - к высоким. Перелом характеристики для ПТР типа СТЗ-6 происходит при - 28° С, для СТ4-2 и СТ4-15 - при 0° С и Для СТЗ-14- при 5° С.

Точность измерения температуры с помощью ПТР может быть весьма высокой. В настоящее время разработаны также ПТР для измерений низких и высоких температур. В частности, ПТР типа СТ7-1 может измерять температуру в диапазоне от - 110 до - 196° С. Высокотемпературный ПТР типа СТ12-1 предназначен для применения при температурах 600-1000° С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры (см. рис. 14-12) и значительный разброс от образца к образцу как номинального значения сопротивления, так и постоянной В. Согласно ГОСТ 10688-63 допуск на величину номинального сопротивления может составлять ±20%. Допуск на величину постояннойВ не нормируется. Практически он достигает± 17% от номинального.

Нелинейность характеристики и технологический разброс параметров терморезисторов затрудняет получение линейных шкал термометров, построение многоканальных приборов, обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовом производстве термометров с терморезисторами. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость терморезисторов, приходится применять специальные унифицирующие и линеаризующие цепи, как пассивные, так и активные.

Позисторы изготавливаются также из полупроводниковых материалов, но имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Для температурных зависимостей сопротивления позисторов характерно увеличение сопротивления при повышении температуры в определенном интервале температур. Ниже и выше этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается. Положительные ТКС позисторов могут достигать величины порядка 30-50 проц/К, графики изменения их сопротивления в зависимости от температуры приведены нарис. 9 .

Возможно также создание других видов полупроводниковых Датчиков температуры. В частности, для измерения температуры Можно применять датчики из органических полупроводников и Датчики на основе открытых или запертыхр -n -переходов. Например, при заданном токе напряжение на открытомр - п- переходе или на стабилитроне линейно изменяется с температурой, чричем ТКС для открытогор -n -перехода отрицателен и составляет 2-3 мВ/К, а для стабилитрона положителен и достигает 8 мВ/К.

Измерительные цепи. Отличия измерительных цепей для терморезисторов от обычных цепей омметров заключаются в более узком диапазоне изменения измеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротивления с измерительной цепью. Если используется простейшая двухпроводная соединительная линия, то может возникнуть погрешность от температурного изменения сопротивления этой линии. При применении высокоомных термометров (например, полупроводниковых) эта погрешность может быть пренебрежимо мала, однако в большинстве практических случаев, когда используются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать во вни­мание.

Е
сли, например, сопротивление медной линии равно 5 Ом и используется термометр сRo = 53 Ом, то изменение температуры линии на 10° С приведет к изменению показаний прибора примерно на ГС. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соедини­тельной линии часто применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключают к мостовой цепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказался подключен­ным последовательно с источником питания или указателем. На рис. 10, а показана схема моста, содержащего термометр сопротивления, присоединенный трехпроводной линией.

Исключить влияние сопротивлений соединительной линии можно, используя четырехпроводное включение терморезистора, как это показано на рис. 10 а , б , и вольтметр с большим входным сопротивлением для измерения падения напряженияU Θ = IR на терморезисторе. Ток через терморезистор должен быть задан, поэтому "и такой схеме включения терморезистор питают от стабилизатора тока. Возможно также построение мостовых цепей с четырехпроводным подключением термометра.