Терморезисторный эффект. Терморезисторы

Также используют окислы титана, ванадия, железа. При изменении соотношения компонентов соответствующих материалов можно получить заданные значения удельного сопротивления и ТКС. Использованием указанных компонентов и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжига удалось создать терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП).

Интерес для производства терморезисторов вызывают тройные марганцевые системы окислов, так как электропроводность таких материалов слабо зависит от примесей, следовательно, можно получать на их основе терморезисторы с малым разбросом по сопротивлению и ТКС, а значит массовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами.

Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец. Кроме того, практикуется добавление таких элементов, как железо, алюминий, цинк, магний, которые позволяют модифицировать свойства перечисленных систем.

Тенденции развития современных материалов с отрицательным ТКС выявили три основных направления в производстве терморезисторов. Главное – получение более стабильных терморезисторов. В результате появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательным ТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходных материалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всех стадиях изготовления терморезистора.

Второе направление – расширение верхней границы рабочих температур. Было создано несколько типов терморезисторов, у которых эта граница приблизительно равна 1000oC. Это было достигнуто за счет применения высокотемпературных материалов.

Третье направление – создание переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменение сопротивления в узком интервале температур и называются терморезисторы с критической температурой и терморезисторы на основе металлоксидных соединений, в которых используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой к металлической, например VO2 с температурой перехода 68oC.

Довольно перспективное направление представляют собой терморезисторы с положительным ТКС. Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики, сопротивление этих элементов значительно снижено добавлением редкоземельных элементов. Титанат бария BaTiO3 – диэлектрик, поэтому его удельное сопротивление при комнатной температуре велико (1010-1012) Ом∙см. При введении туда примесей, таких, как лантан или церий, в ничтожно малых количествах (0,1-0,3 атомного процента) его удельное сопротивление уменьшается до 10-100 Ом∙см. Если ввести эти примеси в титанат бария, его сопротивление в узком интервале температур увеличится на несколько порядков.

Основные параметры терморезисторов.

Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи.

Основные параметры терморезисторов с отрицательным ТКС:

1.     Габаритные размеры.

2.     Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при определенной температуре окружающей среды в t, oC, или T, К. Для терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125-200 oC, температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25oC и величина Rt называется «холодным сопротивлением».

3.     Величина ТКС α в процентах на 1oC. Обычно она указывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в этом случае обозначается через αt.

.

4.     Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая тепловую инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной 100oC.

5.     Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

6.     Максимально допустимая мощность рассеивания Pmax в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью Pmax его температура не должна превышать tmax.

7.     Коэффициент рассеяния H в Вт на 1oC. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1oC.

8.     Коэффициент температурной чувствительности B, размерность – [К].

.

9.     Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния  и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой. Величины G, H и α связаны соотношением: . В самом деле, .

10. Теплоемкость C в Дж на 1oC, равная количеству тепла (энергии), необходимому для повышения температуры терморезистора на 1oC. Можно доказать, что τ, H и C связаны между собой следующим соотношением: .

Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров, обычно указывают также еще примерное положение интервала положительного температурного коэффициента сопротивления, а также кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС.

Основные характеристики терморезисторов.

ВАХ – зависимость напряжения на терморезисторе от тока, проходящего через него. Снимается в условиях теплового равновесия с окружающей средой.

На графике: (а) – терморезистор с отрицательным ТКС, (б) – с положительным.

Температурная характеристика – зависимость R(T), снимающаяся в установившемся режиме.

Принятые допущения: масштаб по оси R взят возрастающий по закону 10x, по оси T пропущен участок в интервале (0-223) К.

Подогревная характеристика – характеристика, свойственная терморезисторам косвенного подогрева – зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности.

Принятые допущения: масштаб по оси R взят возрастающий по закону 10x.

Классификация и маркировка.

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых (ММТ и СТ3), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ1) и медно-кобальто-марганцевых (СТ3) оксидных полупроводников.

По конструктивному оформлению терморезисторы можно разделить на следующие типы:

·        в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4, ММТ-4);

·        в виде дисков (СТ1-17, СТ3-17, СТ5-1);

·        в виде миниатюрных бусинок (СТ1-18, СТ1-19 и др.);

·        в виде плоских прямоугольников (СТ3-23).

Особенностью бусинковых терморезисторов типов СТ1-18, СТ3-18 и СТ3-25 является то, что термочувствительный элемент для защиты от внешних воздействий покрыт тонким слоем стекла, а тонкие платиновые контакты приварены или припаяны (СТ3-25) к траверсам из толстой проволоки.

Терморезисторы типов СТ1-18 и СТ3-18 имеют бусинку диаметром 0,5 мм (выводы диаметром до 0,05 мм), терморезисторы типа СТ3-25 – 0,3 и 0,03 мм соответственно. Терморезисторы типов КМТ-14, СТ1-19 и СТ3-19 имеют герметичную конструкцию. Термочувствительный элемент резистора КМТ-14 – бусинка диаметром не более 0,5 мм, нанесенная на две параллельные платиновые проволоки, приваренные к платиновым выводам диаметром 0,4 мм. Бусинка герметизирована в коническом конце стеклянной трубки, которая является корпусом терморезистора. Термочувствительные элементы терморезисторов СТ1-19 и СТ3-19 помещены в конец миниатюрной капсулы, которая защищает термочувствительный элемент и места соединения контактов с выводами. СТ1-19 и СТ3-19 имеют меньшие размеры и более стойки к механическим нагрузкам, чем КМТ-14.

Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 предназначены для работы в закрытых сухих помещениях, ММТ-4 и КМТ-4 герметизированы, работоспособны в условиях с повышенной влажностью и даже в жидкой среде.

Также существуют измерительные терморезисторы, предназначенные для измерений в маломощных цепях сверхвысокочастотных колебаний. Терморезисторы типа ТП (ТП2/0,5, ТП2/2, ТП6/2 – цифра в числителе – номинальное значение напряжения в В, знаменатель – рабочий ток в мА) – для стабилизации напряжения в цепях постоянного или переменного тока с частотой до 150 кГц. По конструкции – круглые опрессованные стержни, заключенные в стеклянный баллон, воздух из которого откачан до давления 10-5 мм рт. ст.

Терморезисторы ТКП, СТ1-21, СТ3-21 и СТ3-27 применяются в радиотехнических устройствах и схемах автоматики как регулируемые бесконтактные резисторы. Они имеют косвенный подогрев от специальной спирали, при изменении тока в которой происходит плавное изменение сопротивления терморезистора. Используются, когда необходимо отделить управляемую цепь от управляющей.

Рабочий элемент и подогреватель терморезисторов типа ТКП помещены в стеклянный баллон с нормальным октальным цоколем. Терморезисторы типов СТ1-21, СТ3-21 и СТ3-27 (более новые) имеют более совершенную конструкцию по сравнению с ТКП.

В отличие от понятия «наименование» резистора, применяемого для его характеристики в конструкторской и товаропроизводительной документации, под маркировкой резистора понимают цифры, буквы и символы, наносимые на корпус резистора.

Маркировка содержит лишь самые необходимые и важнейшие сведения о резисторе. Обязательным показателем во всех случаях является номинальное сопротивление.

Сведения о нескольких конкретных приборах.

Терморезисторы с отрицательным ТКС прямого подогрева.

Стержневые и трубчатые.

КМТ-1, ММТ-1, СТ3-1.

Терморезисторы негерметизированные неизолированные предназначены для измерения и регулирования температуры в электрических цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока частотой до 400 Гц, а также для температурной компенсации элементов электрических схем, имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.

Масса: не более 0,6 г

Диапазон номинальных сопротивлений:

  КМТ-1:       22∙103-1∙106 Ом

  ММТ-1:      1∙103-220∙103 Ом

СТ3-1:        680-2,2∙103 Ом

Примечание: промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е6 с допуском ±20% (ММТ-1, КМТ-1); ряду Е12 с допусками ±10, ±20% (СТ3-1).

Максимальная мощность рассеяния:

  КМТ-1:                1000 мВт

  ММТ-1, СТ3-1:    600 мВт

Температурный коэффициент сопротивления:

  КМТ-1:       -(4,2-8,4) %/oC

  ММТ-1:      -(2,4-5,6) %/oC

  СТ3-1:        -(3,35-3,95) %/oC

Коэффициент температурной чувствительности:

  КМТ-1:       3600-7200 К

  ММТ-1:      2060-4300 К

  СТ3-1:        2870-3395 К

Коэффициент рассеяния: 5 мВт/ oC

Коэффициент энергетической чувствительности:

  КМТ-1:                1 мВт

  ММТ-1, СТ3-1:    1,3 мВт

Постоянная времени: не более 85с

Предельные эксплуатационные данные:

Температура окружающей среды:

  КМТ-1:                от -60 до +155 oC

  ММТ-1, СТ3-1:    от -60 до +125 oC

Относительная влажность воздуха:

  КМТ-1, ММТ-1 при температуре ±25 oC: до 98%

  СТ3-1 при температуре +35 oC:                до 98%

Пониженное атмосферное давление: до 133 Па (1 мм рт. ст.)

Минимальная наработка:

  КМТ-1, ММТ-1:  15 000 часов

  СТ3-1:                  5 000 часов

Срок сохраняемости:

  КМТ-1, ММТ-1:  15 лет

  СТ3-1:                  12 лет

Бусинковые.

ТР-4.

Терморезисторы герметизированные изолированные предназначены для использования в сигнализаторах уровня жидкости, измерения и регулирования температуры, а также для температурной компенсации элементов электрической цепи с положительным ТКС.

Масса: не более 0,3 г

Номинальное сопротивление: 1∙103 Ом.

            Примечание: допуск ±20%.

1	2	3