Termistor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Termistor
NTC bead.jpg
Termistor NTC, fir izolat
Tip pasiv
Principiul de funcționare rezistență electrică
Simbol electric
Thermistor.svg
Vezi: componentă electronică

Un termistor , în electronică și în automatizare în general, este un rezistor a cărui valoare a rezistenței variază semnificativ în funcție de temperatură . Termenul provine din combinația cuvintelor termic și rezistor . Principiul de funcționare se bazează pe dependența rezistenței materialului de temperatură.

Termistorii sunt folosiți pe scară largă ca limitatori de curent de intrare, senzori de temperatură și pentru protecția circuitului.

Detalii tehnice

Măsurătorile folosind termistori exploatează variabilitatea rezistenței electrice a unui material cu temperatura. Prin urmare, se bazează pe același principiu ca și termometrele de rezistență , singura diferență dintre cei doi senzori constă în materialul din care sunt compuși:

În timp ce în metale conductivitatea electrică , și deci curentul, scade în orice caz odată cu creșterea temperaturii, în semiconductori este posibil să se obțină un comportament opus: rezistența electrică poate scădea (în consecință provocând o creștere a curentului) odată cu creșterea temperaturii. De fapt, în timp ce în conductori singurele mecanisme implicate în transport sunt vibrațiile termice ale materialului, în semiconductori creșterea temperaturii încurajează saltul electronilor de la banda de valență la banda de conducție și, prin urmare, o creștere a conductivității. În acest sens, semiconductorii puternic dopați au caracteristici similare cu cele ale conductorilor prin faptul că, la temperaturi scăzute, mecanismele de generare sunt cumva „acoperite” de cantitatea enormă de purtători disponibili; În comparație cu termometrele cu rezistență, cu toate acestea, sensibilitățile mult mai bune pot fi obținute cu termistori.

Clasificarea termistorilor

Simbol PTC
Simbol NTC

Termistorii pot fi clasificați în:

  • NTC ( Coeficient negativ de temperatură ): rezistența scade odată cu creșterea temperaturii;
  • PTC ( Coeficient de temperatură pozitivă ): rezistența crește odată cu creșterea temperaturii.

Comportamentul fizic

Având în vedere că este dificil de generat curenți constanți și independenți de temperatură, termistorul este utilizat prin stresarea capetelor sale cu un generator de tensiune și, după cum sa menționat deja, prin măsurarea fluxului de sarcină care trece prin el, care va fi proporțional cu electricitatea sa conductivitate .

Într-un semiconductor ușor dopat și la o temperatură suficient de ridicată, mecanismele care afectează conductivitatea sunt exclusiv cele de generare și recombinare : deoarece acestea sunt procese activate termic , dacă presupunem că putem ignora anumite fenomene atribuite principiului excluderii pentru purtătorii de sarcină și dependența mobilității de temperatură, conductivitatea va depinde de temperatură după cum urmează:

În mod normal, suntem interesați să detectăm doar mici variații dT de temperatură prin măsurarea creșterii relative dR a rezistenței asociate termistorului: în acest scop, ceea ce trebuie să știm este coeficientul specific de variație a rezistenței materialului utilizat la temperatura nominală. , definit de:

Acest parametru este negativ pentru a sublinia faptul că termistorul considerat este de tip NTC. Formula este evident valabilă în măsura în care variațiile de geometrie ale termistorului cauzate de modificarea temperaturii pot fi ignorate.
Parametrul α este indicativ al sensibilității dispozitivului la variațiile de temperatură. Ca orientare, termistoarele au o a de ordinul mărimii (de zece ori) mai mare decât termometrele cu rezistență .

Ecuația Steinhart-Hart

Pentru o măsurare precisă a relației de rezistență / temperatură a termistoarelor NTC folosim ecuația Steinhart-Hart care permite o aproximare de ordinul trei:

unde a , b și c sunt parametrii Steinhart-Hart și trebuie specificați pentru fiecare dispozitiv. T este temperatura în kelvin și R este rezistența în ohmi .

Pentru a avea rezistența în funcție de temperatură, funcția trebuie rescrisă:

unde este:

Și

Eroarea făcută cu utilizarea ecuației Steinhart-Hart este în general mai mică de 0,002 ° C.

De exemplu, sunt raportați parametrii ecuației unui termistor cu o rezistență de 3000 Ω la temperatura camerei (25 ° C = 298,15 K [1] ):

Funcție tipică de termistor NTC.
Pe axa ordonată R (t) / R (25 ° C).
Pe abscisă temperatura în ° C.

Ecuație cu parametrul B

Termistorii NTC pot fi caracterizați cu o ecuație mai simplă numită ecuație cu parametrul B sau valoarea beta (care în esență este ecuația Steinhart-Hart cu c = 0):

unde temperaturile sunt în kelvini (K) și R 0 este rezistența la temperatura T 0 (de obicei 25 ° C = 298,15 K).
B este constantă doar ca primă aproximare și de obicei este indicat intervalul de temperatură în care este valabil și toleranța sa în% (de exemplu B 25/85 ± 2% indică faptul că B între 25 ° C și 85 ° C are o eroare maximă în afara acestui interval, precizia nu este definită, dar nu trebuie confundată cu intervalul de temperatură de funcționare care este mai larg).
Rezolvând în funcție de rezistența termistorului R obținem:

sau într-un mod echivalent:

unde este reprezintă:

Ecuația cu parametrul B poate fi rezolvată în funcție de temperatură:

Aceeași ecuație poate fi scrisă și ca:

.

Aceasta poate fi utilizată pentru a converti ecuația rezistenței în funcție de temperatură utilizând o relație liniară între Și .

Panta medie a acestei funcții permite o estimare a valorii parametrului B.

În acest caz, coeficientul de variație a rezistenței (α) devine:

.

Factor de disipare

Ecuațiile Steinhart-Hart și cu parametrul B sunt date în absența puterii disipate de termistor. Aceasta este o condiție ideală care poate fi doar aproximată.
Când curge un curent în termistor (tip NTC și PTC), acesta dezvoltă căldură care determină o creștere a temperaturii în comparație cu mediul în care este scufundat ( autoîncălzire sau în engleză: autoîncălzire ). Dacă termistorul este utilizat pentru a măsura temperatura acestui mediu, se poate introduce o eroare semnificativă dacă nu se efectuează nicio corecție.
Alternativ, în unele aplicații, acest efect poate fi folosit. De exemplu, se poate crea un dispozitiv sensibil la curenții de aer (un instrument pentru măsurarea ratei de urcare a planorelor ), un variometru electronic sau poate servi ca temporizator pentru un releu așa cum se folosea în trecut la comutarea telefonică.

Puterea electrică aplicată termistorului este:

unde I este curentul care curge prin el și V tensiunea aplicată peste el.

Puterea electrică este transformată în căldură și energia termică este transferată în mediul înconjurător.
Rata de transfer este descrisă de legea de răcire a lui Newton:

unde T (R) este temperatura termistorului în funcție de rezistența sa R , T 0 este temperatura mediului înconjurător și K este „constanta de disipare” exprimată de obicei în miliți la ° C.
Condițiile de echilibru ale celor două puteri sunt egale:

Curentul și tensiunea termistorului vor depinde de configurația particulară a circuitului electric în care este introdus.
De exemplu, dacă se aplică o tensiune constantă termistorului de echilibru, luând în considerare legea lui Ohm pe care o avem , temperatura ambiantă poate fi explicată ca o funcție a rezistenței termistorului:

După cum se poate observa din raportul anterior, temperatura mediului real este cea măsurată de termistor minus sfârșitul autoîncălzirii. Dacă un termistor are o constantă de disipare de 1,2 mW / ° C și la o anumită temperatură disipează 1 mW, temperatura pe care o măsoară va fi cu 0,83 ° C mai mare decât cea a mediului în care este scufundat. Din formulă se poate observa că cu cât valoarea sa (K) este mai mare, cu atât diferența dintre temperatura pe care o detectează și temperatura ambiantă (T 0 ) este mai mică.
Prin urmare, constanta de disipare este o măsură a conexiunii termice a termistorului la mediul său înconjurător. Se administrează de obicei pentru un termistor în aer liniștit și în ulei bine agitat.
Valorile tipice pentru termistoarele mici din sticlă încapsulate sunt 1,5 mW / ° C în aer liniștit și 6,0 mW / ° C în ulei mixt. Dacă se cunoaște temperatura ambiantă, se poate determina constanta de disipare a termistorului.

În literatura engleză factorul de disipare se numește constantă de disipare termică , factor de disipare sau nume similare.

Utilizarea termistorilor

  • senzori de temperatură (NTC)
  • protecția circuitelor electrice prin monitorizarea temperaturii (PTC)
  • limitarea curentului maxim care curge într-un circuit (siguranțe cu auto-resetare) (PTC)
  • limitarea curentului de intrare (NTC)
  • generarea de întârzieri
  • sisteme mici de încălzire
  • senzori de nivel; [2]

Pentru unele posibile aplicații ale termistorilor, consultați referințele din nota [3]

fundal

Primul termistor NTC a fost descoperit în 1833 de Michael Faraday , care a făcut cunoscut comportamentul semiconductorilor cu sulfură de argint . Faraday a remarcat că rezistența sulfurii de argint a scăzut dramatic odată cu creșterea temperaturii. Deoarece primele termistori erau greu de fabricat și aplicațiile tehnologice erau limitate, comercializarea lor nu a început decât în ​​anii 1930. [4]

Samuel Ruben (cofondator al Duracell ) a inventat termistorul în 1930 și i sa acordat brevetul SUA nr. 2.021.491. [5]

Notă

  1. ^ Amintiți-vă că relația liniară există între temperatura exprimată în kelvin (K) și în grade Celsius (° C):
  2. ^ datorită variației temperaturii componentelor pe măsură ce fluidul trece
  3. ^ Exemple de aplicare a termistorilor:
  4. ^ (EN) Donald Thomas McGee, Principiile și metodele de măsurare a temperaturii, New York, Wiley-IEEE Press, 1988, p. 203, ISBN 0-471-62767-4 . ( Previzualizare limitată pe Google Cărți )
  5. ^ Cerere de brevet depusă la 18 martie 1930 și acordată la 19 noiembrie 1935 , pe google.com ( arhivat la 5 august 2012) .

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității GND (DE) 4128535-9 · NDL (EN, JA) 00.570.083