Термисторы

ТЕРМИСТОРЫ

Схемы для исследования варисторов

Схема на рис. 5.3.1 позволяет снять вольтамперные I = f(U) и ампер-температурные характеристики варисторов I = f(θ). Величина напряжения источника питания Е и сопротивление нагрузки R_H выбираются в зависимости от типа исследуемого варистора.

При исследовании температурных зависимостей варистор помещается в термостат.

Термистор (терморезистор) – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием тепла, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения теплового облучения термистора (например, при изменении температуры окружающей среды). Наиболее широко применяются термисторы, основной особенностью которых является значительное уменьшение сопротивление с увеличением температуры, то есть термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением их подвижности или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

I. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа А^IIIB^V и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, когда концентрация носителей из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменение концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

, (6.1.1)

где В – коэффициент температурной чувствительности; R _¥ – постоянная, зависящая от материала и размеров термистора.

При неполной ионизации и отсутствии компенсации ,

где DE_п – энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей

.

При собственной электропроводности

,

где DE – ширина запрещённой зоны полупроводника.

II. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических окисных полупроводников – из оксидов так называемых металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, то есть путём обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании окисла в определённых условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких металлов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур термистора.

Из-за сильного воздействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в окисном полупроводнике оказывается малой и экспериментально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора из окисного полупроводника оказывается такой же, как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 6.1.1), но коэффициент температурной чувствительности характеризует в этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

III. В окислах ванадия V₂O₂ и V₂ O₃ при температуре фазовых превращений (68 ^оС и –110 ^оС) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.

6.2.Характеристики и параметры термисторов прямого подогрева

Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов приведён на рис. 6.2.1.

Номинальное сопротивление термистора – это его сопротивление при определённой температуре (обычно 20 ^оС). Термисторы изготовляют с допустимым отклонением от номинального сопротивления ±20, 10 и 5 %. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких Ом до нескольких сотен килоОм.

Коэффициент температурной чувствительности В – это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики термистора (1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термистора, практически постоянно для данного термистора в рабочем диапазоне температур и для различных типов термисторов находится в пределах от 700 до 15 00 К. Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путём измерения сопротивления термистора при двух температурах Т_о и Т по формуле

. (6.2.1)

Температурный коэффициент сопротивления термистора показывает относительное изменение сопротивление термистора при изменении температуры на один градус:

ТК .(6.2.2)

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать индексом, указывающем температуру, при которой имеет место данное значение. Зависимость температурного коэффициента от температуры можно получить из уравнений (6.2.1) и (6.2.2):

ТК R = – B/T ² (6.2.3)

Значение температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах (0,8¸6,0)×10^-2 К^-1.

Коэффициент рассеяния термистора Н численно равен мощности, рассеиваемой термистором при разности температур термистора и окружающей среды в один градус, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой

На рис.6.2.2. показаны статические вольтамперные характеристики термисторов. Линейность характеристик при малых токах и напряжения объясняется тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нём мощность повышает его температуру. Сопротивление термистора определяется, таким образом, суммарной температурой окружающей среды и температурой подогревателя термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и темпе-ратуры в соответствии с (6.2.2), линейность статической вольтамперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувст-вительности термистора может наблюдаться падающий участок статической вольт-амперной характеристики, то есть умень-шение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока.

Максимально допустимая температура термистора – это температура, при которой ещё не происходит необратимых изменений параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая температура определяется не только свойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.

Максимально допустимая мощность рассеяния термистора – это мощность, при которой термистор, находящийся в спокойном воздухе при температуре 20 ^оС, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры. При уменьшении температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора в среда, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.

Коэффициент энергетической чувствительности термистора G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления соотношением G=H/ TK R.

Величина коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы термистора, то есть будет различна в каждой точке статической вольтамперной характеристики.

Постоянная времени термистора – это время, в течение которого температура термистора уменьшиться на 63% (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120^оС в воздушную среду с температурой 20^оС). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависит от теплопроводности среды, к которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с.

6.3. Термисторы косвенного подогрева

Термистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник тепла – подогреватель.

Конструктивное исполнение термисторов косвенного подогрева может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрев. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них электрически изолированных друг от друга цепей – управляющей и управляемой.

Кроме таких параметров, как номинальное сопротивление и коэффициент температурной чувствительности, термисторы косвенного подогрева имеют свои специфические характеристики и параметры.

Статические вольтамперные характеристики термистора косвенного подогрева снимают при различных токах через подогреватель. (рис 6.3.1.).

Подогревная характеристика – это зависимость сопротивления термистора косвенного подогрева от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 6.3.2.).

Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, то есть наибольшего изменения сопротивления, его следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящим через него током, можно было пренебречь.

Коэффициент тепловой связи – это отношение мощности Р _Т, необходимой для разогрева термочувствительного элемента до некоторой температуры при прямом нагреве, к мощности Р _под, необходимой для разогрева до той же самой температуры при косвенном подогреве, то есть путём пропускания тока через подогреватель:

К= Р _Т/ Р _под.

Обычно для определения коэффициента тепловой связи термистор косвенного подогрева разогревают до так называемого горячего сопротивления термистора при максимальной мощности, выделяемой в подогревателе. Коэффициент тепловой связи обычно находиться в пределах от 0,5 до 0,97, то есть меньше единицы, так как часть тепла, выделяемая подогревателем, неизбежно теряется. Термисторы косвенного подогрева в настоящее время практически не используются из-за их больших размеров, необходимости использования дополнительного источника питания для подогрева термистора, большой потребляемой мощности.

Схема для исследования термисторов прямого подогрева, приведенная на рис. 6.3.3, даёт возможность снять вольтамперные характеристики термисторов при разной температуре окружающей среды.

Напряжение на термистор подается от источника постоянного напряжения U блока питания. Напряжение плавно регулируется потенциометром R в блоке питания.