Termistor: Jak to funguje, hlavní charakteristiky, označení na schématu a použití

Snad nejběžnějším pasivním prvkem v elektrotechnice a elektronice je pevný odpor. Jeho odpor je ideálně konstantní. Spolu s tím se používají i komponenty, jejichž vlastnosti závisí na vnějších podmínkách (osvětlení, použité napětí, teplota atd.). Tato kategorie zahrnuje termistory.

Definice termistoru a princip jeho činnosti

Termistor (tepelný odpor) je pasivní elektronická součástka. Jeho určující charakteristikou je odpor, který závisí na úrovni ohřevu prvku. Jinými slovy, při různých teplotách bude odpor termistoru různý.

Struktura

Tepelné odpory jsou vyrobeny z materiálů, jejichž odpor závisí na stupni ohřevu. Mohou to být:

• dopované polovodiče;
• oxidy přechodných kovů;
• sklovité polovodiče;
• jiné materiály.

Kombinací součástek s různými vlastnostmi je možné získat termistory s různými teplotními charakteristikami.

Typy termistorů

Teplotně závislé odpory lze klasifikovat podle různých parametrů.

Teplotní koeficient odporu (TCR)

Podle tohoto parametru jsou prvky rozděleny do dvou skupin:

1. S pozitivním TCS (PTC).
2. S negativním TCR (NTC).

V první kategorii se odpor zvyšuje s rostoucí teplotou. Ve druhé skupině odpor klesá s rostoucí teplotou.

Termistory s kladným TCR se také nazývají posistory a prvky s záporným TCR se nazývají termistory, i když se tento termín často používá v širším smyslu ve vztahu ke všem tepelným odporům.

Rozsah provozních teplot

Každý termistor může pracovat pouze v teplotním rozsahu určeném jeho konstrukcí:

• ultranízká teplota – provoz v oblasti absolutní nuly;
• nízkoteplotní – pracovní oblast ne vyšší než minus 100 stupňů C;
• střední teplota – od minus 100 do +236 stupňů C;
• vysoká teplota – nad +236 stupňů;
• ultravysoká teplota – +600..+1000 stupňů C.

V domácích a amatérských zařízeních se téměř vždy používají středněteplotní termistory.

Způsob vytápění

Podle tohoto parametru jsou termistory dvou typů:

1. S přímým vytápěním.
2. S nepřímým ohřevem.

Prvky prvního typu jsou ohřívány prostředím nebo teplem uvolněným při průchodu proudu samotným prvkem. Druhá skupina termistorů má zabudovanou topnou spirálu.

Existují také další parametry, podle kterých jsou termistory klasifikovány – podle konstrukce, stupně ochrany, materiálu atd.

Značení a grafické označení na schématu

Základem pro obecné označení termistoru ve schématu je UGO konvenčního odporu. Přibyl k ní znak pro závislost odporu na teplotě. Někdy vykazují další charakteristiku – znak TKS, přítomnost nepřímého ohřevu atd.

V zahraničních diagramech se někdy vynechává symbol teploty a do diagramu je přidáno písmenné označení NTC nebo PTC. Někdy se používají symboly šipek. Šipky v různých směrech tedy symbolizují záporný TCR – s rostoucí teplotou odpor klesá (a naopak). Pozistory mají šipky směřující jedním směrem.

Pro domácí termistory se používá kompozitní značení:

• část písmene označuje typ termistoru TKS (TR – záporný TKS, TRP – kladný);
• první číslice je materiál, ze kterého je prvek vyroben;
• další číslice je jmenovitý odpor nebo sériové číslo výrobku;
• poslední číslice je tolerance v procentech (ne vždy uvedena).

Například TR-2-33 kOhm je termistor se záporným teplotním koeficientem na měděno-manganové bázi s jmenovitou hodnotou 33 kOhm.

Naleznete zde i zastaralá označení obsahující informace o materiálu, ze kterého je prvek vyroben, například KMT – kobalt-manganový tepelný odpor.

Obecná norma značení pro dovážené termistory neexistuje (a domácí výrobci ji ne vždy dodržují). Každý výrobce může použít svá vlastní pravidla. Například Philips často jednoduše uvádí katalogové číslo produktu. Standardní digitální značení ve formě kroužků nebo teček je také široce používáno v závislosti na typu pouzdra. Prvek zobrazený na fotografii má typ TCS (NTC), klasifikační číslo výrobce (12D) a průměr (20 mm).

Kde se používají termistory?

Nejviditelnější aplikací rezistorů, jejichž odpor závisí na teplotě, je měření teploty. Měřením odporu můžete určit teplotu prvku (a okolních předmětů). V tomto případě se využívá ohřev tepelného odporu z okolí.

Použitím přímého ohřevu (když je prvek ohříván procházejícím proudem) lze realizovat ochranu proti přechodovým procesům. V těchto případech se používají tepelné odpory s negativním TCR. Při spouštění elektromotorů, při nabíjení kondenzátorů v počátečním okamžiku, může proud dosáhnout významných hodnot a poškodit prvky obvodu. Ale pokud zapojíte NTC do série se zátěží, pak v první fázi bude mít vysoký odpor a omezí proud. Jak se zahřeje, jeho odpor klesne a jeho účinek na obvod se sníží. Po zahřátí se odpor sníží na nevýznamné hodnoty, ale v této době již budou přechodné procesy ukončeny.

A termistory lze použít k organizaci tepelné ochrany. Například při přetížení nebo zaseknutí elektromotoru vznikají velké proudy. Rezistor s kladným TCR v normálním režimu nijak znatelně neovlivní proud v napájecím obvodu, ale při vzniku nadproudu se zahřeje, zvýší se odpor a omezí se účinek zkratu.

Kromě toho se termistory s různým TCR používají k vytváření infra-nízkofrekvenčních generátorů, měření výkonu mikrovlnného záření, k teplotní kompenzaci režimů aktivních prvků a k mnoha dalším účelům.

Klíčové vlastnosti

Mezi hlavní parametry termistorů jako zástupců třídy rezistorů patří:

• jmenovitý odpor (při +20 nebo +25 stupních);
• rozptýlený výkon.

Existují také specifické charakteristiky, jako je teplotní koeficient odporu (TCR). Tento parametr ukazuje, jak moc se změní odpor prvku při změně teploty o 1 stupeň C. Čím vyšší TCR, tím citlivější prvek, ale zpravidla užší rozsah provozních teplot – tento parametr je také důležitý při výběru. U pozistorů je důležitou charakteristikou referenční teplota – bod obratu charakteristiky, který určuje pracovní zónu prvku.

V mnoha případech je důležité znát pracovní napětí prvků – jmenovité a maximální.

Výhody a omezení

Mezi výhody tepelného odporu patří:

1. Široký rozsah provozních teplot.
2. Dostatečně vysoká přesnost měření.
3. Žádné mechanické pohyblivé části.
4. Relativní lacinost.
5. Snadnost použití.
6. Nízká tepelná setrvačnost zajišťující rychlou odezvu.

Mezi hlavní nevýhody patří výrazná nelinearita charakteristik a také sklon ke stárnutí.

Připojení k obvodům a systémům

Pro provoz v omezovacích a ochranných obvodech je termistor zapojen do série s chráněnou zátěží. V počítačových spínaných zdrojích omezují termistory nabíjecí proud filtračních kondenzátorů. Bez tepelného odporu poteče zvýšený proud vstupními obvody a diodami usměrňovacího můstku. Aby se zabránilo jejich selhání, je nutné zvýšit výkon těchto prvků, což vede ke zvýšení hmotnosti, rozměrů a nákladů. Nebo můžete problém vyřešit pomocí malého, levného NTC. V uvedeném příkladu prochází nabíjecí proud kondenzátoru C5 pojistkou FU1, vinutím tlumivky T1 a můstkovými diodami D1..D4. Pokud tento proud není omezen termistorem označeným v diagramu T, může dosáhnout vysokých hodnot a poškodit součásti.

K měření se obvykle používají můstkové obvody. V uvedeném příkladu je můstek zpočátku vyvážený (např. při nulové teplotě), napětí na vstupech operačního zesilovače jsou stejná. Při změně teploty se můstek stane nevyváženým, napětí na vstupech operačního zesilovače se stanou nerovnoměrnými, rozdíl se zvětší a lze jej zobrazit na indikátoru šipky nebo na digitálním displeji.

S menší přesností lze k měření teploty použít napěťový dělič složený z běžného odporu a termistoru. V tomto případě musí být napětí na měřicím obvodu stabilizováno. Při změně teploty se změní napětí ve středu děliče.

Jak zkontrolovat funkčnost termistoru

Nejjednodušší způsob, jak se ujistit, že termistor funguje, je změřit jeho odpor (například testerem v režimu ohmmetru). Pokud se testování provádí při pokojové teplotě, měl by se výsledek blížit hodnotě uvedené ve specifikaci prvku (obvykle je hodnota odporu uvedena pro teplotu +20 nebo +25 stupňů C). Pokud se měření provádí při teplotě výrazně odlišné od pokojové teploty, je třeba provést korekci s přihlédnutím ke znaménku a absolutní hodnotě TCR. To obvykle stačí k tomu, aby byl termistor považován za správně fungující.

Chcete-li získat přesvědčivější důkazy o výkonu termočlánku, musíte prvek zahřát nebo ochladit a výsledky porovnat se skutečnou charakteristikou při změnách teploty.

Teplota je jedním z nejběžnějších parametrů zaznamenávaných vestavěnými systémy. Pro taková měření je k dispozici široká škála teplotních senzorů. Typy senzorů sahají od exotických detektorů černého tělesa až po jednoduché odporové senzory a vše mezi tím. V tomto článku se stručně zaměřím na NTC termistory, jedny z nejběžnějších teplotních senzorů používaných v různých vestavěných systémech.

Термисторы

Termistor je odporový prvek, obvykle vyrobený z polymeru nebo polovodiče, jehož odpor se mění s teplotou. Tento typ zařízení by se neměl zaměňovat s odporovým teplotním detektorem (RTD). RTD jsou obvykle mnohem přesnější, dražší a pokrývají širší teplotní rozsah.

Existují dva typy termistorů, které se liší povahou jejich odporu v závislosti na teplotě. Pokud hodnota odporu klesá se zvyšující se teplotou, nazýváme toto zařízení termistorem s negativním teplotním koeficientem (NTC). Pokud odpor se zvyšující se teplotou roste, toto zařízení je známé jako termistor s kladným teplotním koeficientem (PTC). Zařízení PTC se obecně používají jako ochranná zařízení, zatímco zařízení NTC se používají jako teplotní senzory. Termistory NTC se velmi často používají k monitorování PN přechodů širokopásmových laserových diod.

Další charakteristikou termistoru je cena. V malém množství stojí typický termistor obvykle 0.05 až 0.10 dolaru za kus. Nízká cena a snadné připojení činí tato zařízení velmi atraktivními pro vestavěné aplikace.

Typický rozsah měření teploty termistoru je -50 °C až +125 °C. Většina aplikací používajících termistory pracuje v rozsahu -10 °C až +70 °C, což je tzv. komerční rozsah okolní teploty.

Typická chyba v odporu termistoru je poměrně velká. Většina termistorů se vyrábí s tolerancí odporu ±5 %.

Jejich přesnost je však docela přijatelná. Zpravidla ji lze očekávat v rozmezí ±0.5 % až ±1.0 %.

Výraz, který dává vztah mezi teplotou a odporem termistoru, je známý jako Steinhartova-Hartova rovnice. Tato nelineární rovnice je uvedena níže.

Obrázek 1 ukazuje graf odporu v závislosti na teplotě pro termistor Panasonic ERTJZET472 NTC. Tento graf ukazuje, že v lineárním měřítku je vztah odporu v závislosti na teplotě velmi nelineární.

Obrázek 1.

Graf odporu vs. teploty pro termistor Panasonic NTC.

Termistory jsou obvykle dimenzovány parametrem známým jako hodnota R25. Jedná se o typický odpor termistoru při 25 °C. Hodnota R25 pro tento termistor je 4700 ohmů.

Termistor můžeme snadno připojit k nízkopříkonovému zdroji proudu. Napětí pak můžeme odečíst pomocí ADC a výsledek porovnat s odpovídajícím řádkem vyhledávací tabulky, abychom zjistili skutečnou teplotu. Můžeme se také pokusit linearizovat závislost odporu na teplotě.

V některých systémech s omezenou pamětí si jednoduše nemůžeme dovolit luxus vytvoření vyhledávací tabulky. V této aplikaci se proto pokusíme linearizovat hodnoty termistoru.

Aproximace prvního řádu nám říká, že odpor termistoru je zhruba nepřímo úměrný teplotě. Vzhledem k tomu můžeme vytvořit inverzně úměrný obvod, který se pokusí linearizovat křivku odporu a teploty. Obrázek 2 ukazuje, jak se to dělá.

Obrázek 2.

Schéma linearizace charakteristik NTC termistor.

Pokud bychom opravdu chtěli ušetřit peníze, mohli bychom odstranit zdroj referenčního napětí. To by vyžadovalo dodatečnou filtraci, aby se eliminoval šum napájecího zdroje. Důležité je, aby ADC a termistorová síť sdílely stejný zdroj referenčního napětí. To nám umožňuje použít poměrovou metodu měření termistoru vzhledem k odečtu ADC. To znamená, že měření bude nezávislé na budicím napětí obvodu rozhraní termistoru.

Naměřená teplota závisí pouze na odporu předpětí (RB) a odporu termistoru (RTH). Jejich poměr můžeme nazvat dělicím poměrem (D). Výraz pro dělicí poměr se neliší od výrazu pro jednoduchý dělič napětí (rovnice 2).

Obrázek 3 ukazuje sadu křivek pro různé hodnoty odporu předpětí pro linearizační obvod termistoru. Tyto grafy také vykazují rozumný stupeň linearity v rozsahu 0 až 70 °C, přičemž nejlepší linearity je dosaženo s nižší hodnotou odporu předpětí.

Obrázek 3.

Graf závislosti dělícího koeficientu na teploty při různých hodnotách odolnost vůči zkreslení.

Dalším, lepším způsobem, jak se na to podívat, je vykreslit rozdíl mezi hodnotami teploty z datového listu a linearizovanými hodnotami. Takový graf je znázorněn na obrázku 4. Tento graf také ukazuje, že lepší linearity je dosaženo s menší hodnotou předpětí. Graf ukazuje, že rezistor 2k poskytne linearitu přibližně ±3 °C v teplotním rozsahu 0 až 70 °C.

Obrázek 4.

Relativní chyby pro různé odpory předpínací rezistory.

V tomto příkladu je lineární výraz pro teplotní závislost součinitele odporu s hodnotou předpětí 2 kΩ uveden v rovnici 3.

T – teplota ve stupních Celsia,
D – koeficient dělení.

Na odporový dělič a ADC je přivedeno stejné referenční napětí. Můžeme tedy snadno odvodit závislost dělícího činitele na údajích ADC. Pokud předpokládáme, že převodník má bitovou hloubku N bitů, získáme vztah znázorněný v rovnici 4.

D – koeficient dělení,
ADC – hodnoty ADC,
N – rozlišení ADC (počet bitů).

Dosazením rovnice 4 do rovnice 3 získáme výraz, který vztahuje hodnoty ADC k teplotě. Ten je znázorněn rovnicí 5.

Závěry

Jako návrháři vestavěné elektroniky musíme někdy řešit problém připojení senzoru k systému. V tomto článku jsem se podíval na jednoduchý obvod teplotního senzoru založeného na termistoru a ukázal, jak linearizovat teplotní závislost odporu.

Jednou z hlavních výhod použití termistorů je jejich cena. Při nákupu malého množství tyto senzory obvykle stojí kolem 0.05 až 0.10 dolarů. Přesnost těchto senzorů je poměrně slušná. Tolerance odporu neboli tolerance R25 pro tato zařízení je obvykle ±3 % až ±5 %. Proto lze za uspokojivé považovat i linearizační schéma s nelinearitou ±3 °C.

Samozřejmě můžeme vždy použít dražší senzor, který poskytne přesnější výsledek. Mezi podobné typy senzorů patří:

1. PN senzory. Nízká cena, přijatelná přesnost.
2. Čipy teplotních senzorů. Obvykle se jedná o nějakou formu PN-přechodového senzoru.
3. Odporové teplotní detektory (RTD) Ty jsou obecně velmi přesné a výrazně dražší.
4. Termočlánky. Jejich rozsah měření je obvykle mnohem větší a cena je relativně nízká.
5. Infračervené senzory: Nejčastěji se používají k měření tepelného záření, jehož úrovně se poté převádějí na teplotu.

Toto je jen několik metod, kterými můžete měřit teplotu. O některých z nich se možná budu moci zmínit v budoucím článku.

A jak se měří teplota ve vašem vestavěném systému? Vidíte, že jsem ukázal velmi levný způsob měření tohoto fyzikálního parametru. Existuje ale mnoho dalších metod.

Překlad: Michail R., zadavatel RadioLotsman