Termistor: Definicja, zastosowania i działanie

Artykuł powstał przy współpracy z Electrical4U

Czym jest termistor?

Termistor (lub rezystor termiczny) jest definiowany jako typ rezystora, którego rezystancja elektryczna zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Rezystancja wszystkich rezystorów zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą, lecz termistor jest szczególnie czuły na zmiany temperatury.

Te czujniki temperatury działają jako element pasywny w obwodzie. Są precyzyjnym, tanim i wytrzymałym narzędziem do pomiaru temperatury. Chociaż nie działają dobrze w ekstremalnie wysokich lub niskich temperaturach, to wciąż posiadają wiele różnych zastosowań. Idealnie nadają się, gdy wymagany jest precyzyjny odczyt temperatury. Symbol obwodu termistora pokazano poniżej:

 

Zastosowania termistora

Termistory mają szereg zastosowań. Są powszechnie stosowane do pomiaru temperatury cieczy i powietrza otoczenia jako termometry termistorowe. Zastosowanie termistorów możliwe najczęściej jest w:

• Cyfrowych termometrach (termostat)
• Motoryzacji (do pomiaru temperatury oleju i płynu chłodzącego w samochodach osobowych i ciężarowych)
• Urządzeniach domowych (np. w mikrofalówkach, lodówkach i piekarnikach)
• Urządzeniach do ochrony przed przepięciami
• Akumulatorach (zapewnia utrzymanie odpowiedniej temperatury)
• Urządzeniach do pomiaru przewodności cieplnej materiałów elektrycznych
• Urządzeniach do kompensacji temperatury (do utrzymywania rezystancji, aby skompensować skutki spowodowane zmianami temperatury w innej części obwodu)
• Mostku Wheatstone’a

Jak działa termistor? Termistor – charakterystyka

Zasada działania termistora opiera się na tym, że jego rezystancja zależy od temperatury. Możemy zmierzyć rezystancję termistora za pomocą omomierza. Jeśli znamy dokładny stosunek między zmianą temperatury, a rezystancją, to przez pomiar rezystancji tego czujnika możemy obliczyć jego temperaturę.

Wartość zmiany rezystancji zależy od rodzaju materiału użytego w termistorze. Związek między temperaturą i rezystancją termistora jest nielinearny. Typowy wykres termistora pokazano na rysunku poniżej:

Gdybyśmy wzięli czujnik temperatury z powyższym wykresem temperatury, moglibyśmy po prostu uszeregować rezystancję zmierzoną przez omomierz z temperaturą wskazaną na wykresie. Rysując poziomą linię w poprzek rezystancji na osi Y i rysując pionową linię w dół od miejsca, w którym ta pozioma linia przecina się z wykresem, możemy zatem uzyskać temperaturę termistora.

Rodzaje termistorów

Są dwa rodzaje termistorów:

• NTC – Termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym
• PTC – Termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym
• CTR (Critical Temperature Resistor) – Termistor CTR posiadający skokową zmianę rezystancji. W takim przypadku określony wzrost temperatury do ustalonego wcześniej poziomu powoduje nagłą zmianę rezystancji. W zależności od materiału, z którego zostały wykonane te termistory CTR, może to być nagły wzrost lub spadek rezystancji. Jeśli termistor CTR stworzono z polimerów, to następuje wzrost, a w przypadku tych ceramicznych, zawierających związki baru – spadek.

Termistor NTC – charakterystyka

W termistorze NTC wraz ze wzrostem temperatury spada rezystancja. A gdy temperatura spada, wzrasta rezystancja. Dlatego w termistorze NTC temperatura i rezystancja są odwrotnie proporcjonalne. Jest to najczęściej spotykany rodzaj termistorów.

Termistor rozruchowy to inna nazwa termistora NTC. Ma on za zadanie zabezpieczenie układu przed wzrostem temperatury. Tym samym produkt ten może służyć jako czujnik temperatury NTC.

Równanie współczynnika temperaturowego (czujnik NTC)

Zależność między rezystancją a temperaturą w termistorze NTC zależy od następującego równania:

Gdzie:

• RT to rezystancja przy temperaturze T (K)
• R0 to rezystancja przy temperaturze T0 (K)
• T0 to temperatura odniesienia (typowo 25°C)
• β to stała, jej wartość zależy od właściwości materiału. Wartość nominalna jest przyjmowana jako 4000.

Jeśli wartość β jest wysoka, wówczas relacja pomiędzy rezystorem a temperaturą będzie bardzo dobra. Wyższa wartość β oznacza większą zmienność rezystancji przy tym samym wzroście temperatury – stąd zwiększono czułość (a co za tym idzie dokładność) termistora.

Ujemna charakterystyka termistora NTC

Z równania (1) możemy uzyskać współczynnik temperaturowy rezystancji, jest to równanie wrażliwości termistora.

Powyżej widać wyraźnie, że αT poprzedza znak ujemny. Wskazuje on na ujemną charakterystykę rezystancyjno-temperaturową termistora NTC.

Jeśli β = 4000 K a T = 298 K, wówczas αT = –0.0045/°K. Jest to znacznie więcej niż czułość platynowego RTD. Jest zatem w stanie zmierzyć bardzo małe zmiany temperatury.

Niemniej, alternatywne modele silnie domieszkowanych termistorów są obecnie dostępne (w wysokich cenach), mają one współczynnik dodatniej temperatury. Równanie (1) pokazuje, że nie jest możliwe dokonanie linearnego przybliżenia krzywej nawet w niewielkim zakresie temperatur, co za tym idzie termistor jest zdecydowanie nielinearnym czujnikiem.

Termistor PTC – charakterystyka

Termistor PTC ma z kolei odwrotną zależność między temperaturą a rezystancją. Wraz ze wzrostem temperatury, wzrasta rezystancja. A gdy temperatura spada, rezystancja także spada.

Chociaż termistory PTC nie są tak powszechne, jak termistory NTC, są one często stosowane jako forma ochrony obwodu. Podobnie jak w przypadku bezpieczników, termistory PTC mogą działać jako urządzenie ograniczające prąd.

Gdy prąd przepływa przez urządzenie, powoduje to niewielką ilość ogrzewania oporowego. Jeśli prąd jest wystarczająco duży, aby wygenerować więcej ciepła, niż urządzenie może stracić w swoim otoczeniu, urządzenie nagrzewa się. W termistorze PTC nagrzewanie powoduje również wzrost jego rezystancji. Stwarza to efekt samonapędzający, który napędza rezystancję w górę, ograniczając w ten sposób prąd. W ten sposób działa jako urządzenie ograniczające prąd i chroniące obwód.

Właściwości termistora

Związek regulujący właściwości termistora podano poniżej:

Gdzie:

• R1 = rezystancja termistora przy temperaturze bezwzględnej T1[°K]
• R2 = rezystancja termistora przy temperaturze T2 [°K]
• β = stała zależna od materiału transduktora

W powyższym równaniu widać, że związek między temperaturą a rezystancją jest wysoce nielinearny. Standardowy termistor NTC zwykle wykazuje ujemny współczynnik temperaturowy oporu cieplnego o wartości około 0,05/°C.

Konstrukcja termistora

Aby stworzyć termistor, dwa lub więcej proszków półprzewodnikowych z tlenków metali miesza się ze spoiwem, tworząc zawiesinę. Małe krople tej zawiesiny tworzą się na ołowianych przewodach. Należy umieścić go w piecu do spiekania w celu wysuszenia.

Podczas tego procesu zawiesina kurczy się na przewodach doprowadzających, tworząc połączenie elektryczne. Ten przetworzony tlenek metalu jest uszczelniany przez nałożenie na niego szklanej powłoki. Powłoka zapewnia wodoodporność termistorom, zwiększając ich stabilność.

Kształty i rozmiary termistorów

Na rynku dostępne są różne kształty i rozmiary termistorów. Mniejsze termistory mają postać kulek o średnicy od 0,15 mm do 1,5 mm. Czujniki te mogą przybierać również postać dysków i podkładek wykonanych przez dociskanie materiału termistora pod wysokim ciśnieniem do płaskich cylindrów o średnicy od 3 milimetrów do 25 milimetrów.

Typowy rozmiary termistora wynosi 0.125 mm do 1.5 mm. Dostępne na rynku termistory mają wartości nominalne 1K, 2K, 10K, 20K, 100K itp. Wartość ta wyznacza wartość rezystancji w temperaturze 25°C.

Termistory są dostępne w różnych modelach: w postaci kulki, prętu, dysku itp. Ich głównymi zaletami są małe rozmiary i stosunkowo niska cena.

Mały rozmiar oznacza, że stała czasowa termistorów działających w osłonach jest mała, chociaż zmniejszenie wielkości zmniejsza również zdolność do rozpraszania ciepła, a tym samym zwiększa efekt samonagrzewania. Efekt ten może trwale uszkodzić termistor.

Aby zapobiec temu, termistory muszą pracować przy niskim poziomie prądu elektrycznego w porównaniu z termometrem oporowym, co powoduje obniżenie czułości pomiaru.

Termistor vs termopara

Głównymi różnicami między termistorem a termoparą są:

Termistor:

• Węższy zakres wykrywania (od -55°C do +150°C – zależy od producenta)
• Parametr wykrywania = Rezystancja
• Nielinearny związek między parametrem wykrywania (rezystancją), a temperaturą
• Termistory NTC mają wykładniczy spadek oporu wraz ze wzrostem temperatury
• Dobry do wykrywania małych zmian temperatury (trudno korzystać z niego precyzyjnie i z wysoką rozdzielczością powyżej zakresu 50°C).
• Obwód wykrywania jest prosty i nie wymaga wzmocnienia
• Precyzyjny pomiar jest trudny do uzyskania bez kalibracji 1°C

Termopara:

• Szeroki zakres rozpoznania (Typ T = -200-350°C; Typ J = 95-760°C; Typ K = 95-1260°C; inne typy w nawet wyższych temperaturach)
• Bardzo dokładny
• Parametr wykrywania = napięcie generowane przez złącza w różnych temperaturach
• Napięcie termopary jest względnie niskie
• Linearny związek między parametrem wykrywania (napięciem), a temperaturą

Termistor vs termometr rezystancyjny RTD

Termometr rezystancyjny (znany również pod nazwą czujnik RTD) jest bardzo podobny do termistora. Oba mają zmienną rezystancję w zależności od temperatury.

Główną różnicą jest materiał, z którego są wykonane. Termistory produkuje się z materiałów ceramicznych i polimerowych, natomiast termometry rezystancyjne są wykonane z czystych metali. Pod względem wydajności termistory wygrywają niemal we wszystkich aspektach.

Termistory są bardziej dokładne, tańsze, odpowiadają szybciej niż czujniki RTD. Jedyną prawdziwą wadą termistora w porównaniu z termometrem jest węższy zakres temperatury.

Poza tym, nie ma żadnych innych powodów, żeby wybrać termometr rezystancyjny zamiast termistora.

Jak zmierzyć rezystancję czujnika temperatury?

Jeśli zastanawiasz się, jak sprawdzić termistor, to czytaj dalej. Pomiaru rezystancji danego czujnika temperatury można dokonać w następujący sposób.