Co jsou termistory a pozistory a kde se používají?

Termistor je polovodičová součástka s elektrickým odporem závislým na teplotě. Tato součást, kterou v roce 1930 vynalezl vědec Samuel Ruben, je dodnes široce používána v technologii.

Termistory jsou vyráběny z různých materiálů, jejichž teplotní koeficient odporu (TCR) je poměrně vysoký – výrazně převyšuje kovové slitiny a čisté kovy, tedy ze speciálních, specifických polovodičů.

Samotný hlavní odporový prvek se získává práškovou metalurgií, zpracováním chalkogenidů, halogenidů a oxidů určitých kovů, které jim dávají různé tvary, například tvar kotoučů nebo tyčí různých velikostí, velké podložky, střední trubky, tenké desky, malé kuličky o velikosti od několika mikronů do desítek milimetrů.

Na základě povahy korelace mezi odporem prvku a jeho teplotou se termistory dělí na dvě velké skupiny – posistory a termistory. PTC termistory mají kladný TCS (z tohoto důvodu se PTC termistory také nazývají PTC termistory) a termistory mají záporný TCR (z tohoto důvodu se nazývají NTC termistory).

Termistor je teplotně závislý odpor, vyrobený z polovodičového materiálu, který má negativní teplotní koeficient a vysokou citlivost, posistor je teplotně závislý odpor, který má kladný koeficient. Se zvýšením teploty tělesa pozistoru tedy roste i jeho odpor a se zvýšením teploty termistoru odpovídajícím způsobem klesá jeho odpor.

Materiály pro termistory jsou dnes: směsi polykrystalických oxidů přechodných kovů jako je kobalt, mangan, měď a nikl, sloučeniny typu III-V, dále dopované, sklovité polovodiče jako křemík a germanium a některé další látky. Pozoruhodné jsou posistory vyrobené z pevných roztoků na bázi titaničitanu barnatého.

Termistory lze obecně rozdělit na:

• Třída nízké teploty (provozní teplota pod 170 K);
• Střední teplotní třída (provozní teplota od 170 K do 510 K);
• Třída vysoké teploty (provozní teplota od 570 K a výše);
• Samostatná třída vysokoteplotní (provozní teplota od 900 K do 1300 K).

Všechny tyto prvky, termistory i pozistory, mohou pracovat v různých klimatických podmínkách a při značném fyzickém externím a proudovém zatížení. V podmínkách těžkého tepelného cyklování se však jejich počáteční termoelektrické charakteristiky v průběhu času mění, jako je jmenovitý odpor při pokojové teplotě a teplotní koeficient odporu.

Existují také kombinované komponenty, například nepřímo vyhřívané termistory. Pouzdra takových zařízení obsahují samotný termistor a galvanicky oddělené topné těleso, které nastavuje počáteční teplotu termistoru a tím i jeho počáteční elektrický odpor.

Tato zařízení se používají jako proměnné rezistory řízené napětím přivedeným na topné těleso termistoru.

Podle toho, jak je zvolen pracovní bod na proudově-napěťové charakteristice konkrétní součástky, se také určuje pracovní režim termistoru v obvodu. A samotná charakteristika proudového napětí souvisí s konstrukčními prvky a teplotou aplikovanou na tělo součásti.

Pro řízení teplotních změn a pro kompenzaci dynamicky se měnících parametrů, jako je protékající proud a přiváděné napětí v elektrických obvodech, které se mění po změnách teplotních podmínek, se používají termistory s pracovním bodem nastaveným v lineární části charakteristiky proud-napětí.

Ale pracovní bod se tradičně nastavuje na sestupném úseku proudově napěťové charakteristiky (termistory NTC), pokud je termistor použit např. jako spouštěcí zařízení, časové relé, v systému pro sledování a měření intenzity mikrovlnné záření, v systémech požární signalizace, tepelná regulace, v řídicích instalacích spotřeba pevných látek a kapalin.

Nejoblíbenější jsou dnes středoteplotní termistory a pozistory s TCR od -2,4 do -8,4 % na 1 K. Pracují v širokém rozsahu odporů od jednotek ohmů až po jednotky megaohmů.

Existují posistory s relativně nízkým TCR od 0,5 % do 0,7 % na 1 K, vyrobené na bázi křemíku. Jejich odpor se mění téměř lineárně. Takové pozistory jsou široce používány v systémech stabilizace teploty a v systémech aktivního chlazení pro výkonové polovodičové spínače v různých moderních elektronických zařízeních, zejména výkonných. Tyto součástky se snadno vejdou do schémat zapojení a nezaberou mnoho místa na deskách.

Typický posistor má tvar keramického disku, někdy je několik prvků instalováno v sérii v jednom krytu, ale častěji – v jediném provedení s ochranným smaltovaným povlakem. PTC rezistory jsou často používány jako pojistky k ochraně elektrických obvodů před napěťovým a proudovým přetížením, stejně jako teplotní čidla a autostabilizační prvky, a to z důvodu jejich nenáročnosti a fyzické stability.

Termistory jsou široce používány v mnoha oblastech elektroniky, zejména tam, kde je důležitá přesná regulace teploty. To se týká zařízení pro přenos dat, počítačového vybavení, vysoce výkonných CPU a vysoce přesných průmyslových zařízení.

Jedním z nejjednodušších a nejoblíbenějších použití termistoru je účinné omezení zapínacího proudu. Při přivedení napětí na napájení ze sítě dochází k extrémně prudkému nabití kondenzátoru značné kapacity a v primárním obvodu protéká velký nabíjecí proud, který může spálit diodový můstek.

Tento proud je zde omezen termistorem, to znamená, že tato součástka obvodu mění svůj odpor v závislosti na proudu, který jí prochází, protože se v souladu s Ohmovým zákonem zahřívá. Termistor pak po několika minutách obnoví svůj původní odpor, jakmile se ochladí na pokojovou teplotu.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Termistor je polovodičové zařízení, jehož hodnota elektrického odporu výrazně závisí na teplotě. Ve srovnání s běžnými rezistory na bázi kovových vodičů je teplotní koeficient odporu (TCR) tisíckrát vyšší. Tato jedinečná vlastnost umožňuje použití termistorů k vytvoření vysoce přesných teplotních senzorů, systémů tepelné regulace a stabilizace teplotních podmínek v různých zařízeních, systémů pro předcházení havarijním situacím spojeným s přehříváním různých mechanismů a jednotek. Mnoho problémů se řeší v nejrůznějších oblastech: od běžných domácích spotřebičů až po složité vědecké přístroje a промышленного оборудования.

Slovo „termistor“ je neologismus vytvořený ze dvou anglických slov: termální – termální, vztahující se k teplu; rezistor – odporový prvek. Doslovný překlad z angličtiny bude znít jako „tepelný odpor“. Postupně se termín transformoval do eufoničtějšího a výstižnějšího slova „termistor“.

Termistorové zařízení

Konstrukčně se skládá z pouzdra a citlivého prvku umístěného uvnitř.

Pouzdro plní ochrannou funkci. Jedná se o sklo popř керамический válcová, disková nebo tabletová verze. Méně používané jsou plasty nebo jiné materiály.

Snímací prvek je diskovitý polovodič, který poskytuje vysokou teplotní citlivost.

Jako polovodiče se používají oxidy přechodných kovů: mangan, nikl, kobalt, titan, železo a jejich kombinace. Méně používané jsou komplexní oxidové sloučeniny na bázi mědi a dalších kovů. Někdy se používají karbidy, nitridy a sulfidy.

K zajištění elektrických kontaktů se používají tenké drátěné vodiče připojené k polovodičovému prvku nebo speciální kontaktní podložky.

Výhody a nevýhody termistorů

Mezi výhody termistorů oproti jiným typům teplotních čidel (termočlánky, tepelné odpory) patří:

• speciální teplotní citlivost a přesnost měření teploty;
• široký rozsah provozu (od -80 do +300 °C);
• malá velikost a hmotnost;
• vyrobitelnost a nízké výrobní náklady;
• vysoká spolehlivost a stabilita parametrů při správném výběru a provozu.

Nevýhody termistorových snímačů teploty zahrnují:

• vyšší přesnost ve srovnání s platinovými odporovými teploměry;
• nelineární charakter závislosti odporu na teplotě;
• vlastní teplotní rozsah (pro každý konkrétní typ termistoru);
• omezený rozsah přípustného ztrátového výkonu;
• možnost stárnutí a drift charakteristik při provozu v extrémních elektrických a tepelných podmínkách.

Při správném výběru konkrétního typu polovodičové součástky pro řešený problém lze dosáhnout vynikajících výsledků.

Hlavní parametry a charakteristiky termistorů

Co je důležité při výběru zařízení?

Hodnota elektrického odporu

U běžných rezistorů na bázi kovových vodičů má elektrický odpor konstantní nebo velmi mírně závislou hodnotu na teplotě. Termistory mají vždy hodnoty odporu, které se mění s teplotou. Tento parametr je rozhodující, protože termistory se používají jako vysoce přesné snímače pro měření teploty, prvky termoregulačních a ochranných systémů proti přehřátí atd.

V závislosti na materiálu citlivého prvku, rozsahu provozních teplot a konstrukčních vlastnostech může být odpor termistorů ve velmi širokém rozmezí hodnot – od jednotek, desítek a stovek ohmů až po stovky kOhmů, MOhmů a dokonce i GOhms.

2.2. Teplotní koeficient odporu (TCR)

Tento parametr ukazuje, o kolik procent se změní elektrický odpor materiálu, když se teplota změní o 1℃. Pro běžné kovové vodiče je TCR asi 0,004 %/°C. U polovodičových materiálů používaných pro výrobu citlivých prvků termistorů dosahuje TCR -5. +5 %/°С.

To znamená, že termistory mají teplotní citlivost (TSS) tisíckrát větší než kovy! Tato vlastnost je široce používána v různých oblastech: od vědeckého výzkumu po automatizaci výrobních procesů a bezpečnost provozu kritických technických objektů.

2.3. Maximální ztrátový výkon

Jakýkoli termistor částečně přeměňuje elektrickou energii na teplo, které je odváděno do okolí. Pokud je překročena přípustná hodnota, vede to k přehřátí termistoru nad maximální hodnoty a jeho selhání.

Proto u každé konkrétní velikosti termistoru výrobci uvádějí maximální výkon, který může zařízení odvést ve formě tepla, aniž by se na dlouhou dobu porouchalo. Parametr je určen celkovými rozměry pouzdra termistoru a povrchovou plochou, kterou dochází k výměně tepla s okolím. Větší termistory mohou rozptýlit více energie bez přehřátí.

Maximální přípustný ztrátový výkon je ovlivněn tepelnou vodivostí materiálu pouzdra a snímacího prvku, okolní teplotou a některými dalšími faktory.

2.4. Rozsah pracovních teplot

Tato charakteristika představuje teplotní rozsah, ve kterém zůstávají všechny výrobcem deklarované elektrické parametry tohoto typu termistoru stabilní. Je vhodné zvolit zařízení s rezervou provozního rozsahu vzhledem k očekávaným provozním podmínkám.

Klasifikace a hlavní typy termistorů

Podle typu teplotní závislosti se termistory dělí do dvou velkých tříd.

1. Pozitivní termistory

PTS, PTC – kladný teplotní koeficient se vyznačují tím, že jejich odpor roste s rostoucí teplotou. Mají pozitivní TCS, asi +4,5 % na stupeň Celsia.

V pasech a referenčních materiálech je jejich odolnost obvykle uváděna při teplotě 25°C. Zvýšení teploty způsobí lavinovitý nárůst počtu nosičů náboje v polovodiči a prudký nárůst odporu v řádu desítek a stovekkrát.

Kladné termistory se používají především v teplotních čidlech a v systémech tepelné ochrany (pro signalizaci a prevenci havarijních situací způsobených přehřátím zařízení).

1. Záporné termistory

V OTC, NTC – negativní teplotní koeficient, odpor při zahřátí klesá. Jejich TCS je negativní, asi -4 % na stupeň Celsia.

Odpor OTS při 25°C se obvykle pohybuje od 2-3 kOhmů až po desítky a stovky kOhmů. Při zahřívání se zvyšuje koncentrace nosičů v polovodičovém prvku, což vede k poklesu odporu v desítkách/stovkách.

Záporné termistory se často používají ve spojení s topnými články pro vysoce přesnou tepelnou stabilizaci a udržování konstantní teploty různých zařízení a součástí elektronických, elektronických a elektrických zařízení ve stanovených mezích.

Kromě rozdělení na kladné a záporné se termistory dělí podle provedení pouzdra, tvaru citlivého prvku a řady dalších charakteristik.

• Diskové termistory;
• tableta (perlička, válcová, tyčinka);
• miniaturní zařízení s ultra nízkou latencí;
• samoopravné ochranné termistory;
• diskrétní, pro povrchovou montáž;
• film;
• flexibilní na podkladu a další.

Termistory jsou díky svým jedinečným vlastnostem v praxi široce používány pro měření teploty, tepelnou regulaci a tepelnou stabilizaci, tepelnou ochranu a teplotní kompenzaci.

Vlastnosti použití v průmyslových topných systémech

Termistory se používají v průmyslových topných systémech, zásobování teplem a zásobování teplou vodou k řešení následujících problémů.

1. Regulace teploty chladicí kapaliny

Provádí se přesné měření teploty vody, páry nebo jiné pracovní tekutiny na vstupu a výstupu výměníků, kotlů a topných bodů.

1. Alarm a ochrana proti přehřátí

V případě nekontrolovaného zvýšení teploty v parních kotlích, kotlích a dalších zařízeních jsou potřeba termistory, které vysílají poplašný signál k úplnému uzavření přívodu paliva, aby se zabránilo výbuchům a požárům.

1. Tepelná stabilizace topných elektroinstalačních prvků

Spolu s topnými sekcemi umožňují termistory přesně udržovat teplotu chladicí kapaliny ve stanovených mezích v oblastech elektroinstalace, v panelových topných tělesech, tepelných clonách a podobně.

Termistory jsou důležitou součástí moderních automatizovaných řídicích systémů průmyslový dodávky tepla a vody pro různé účely.