Устройство и назначение термосопротивлений: Термосопротивление, описание, принцип работы, виды

Люди, далекие от радиоэлектроники, смутно представляют назначение и принцип действия терморезистора. Какие функции выполняет этот элемент? Для его он предусмотрен? Как маркируется? О каких тонкостях проверки и подключения необходимо знать? Какие бывают виды, и в чем их особенности? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Что такое терморезистор, общие положения

Терморезистор — полупроводниковый элемент с меняющимися характеристиками (по сопротивлению) в зависимости от температуры. Изделие изобрели в 1930 году, а его создателем считается известный ученый Самуэль Рубен.

С момента появления терморезистор получил широкое распространение в радиоэлектронике и успешно применяется во многих смежных сферах.

Деталь изготавливается с применением материалов, имеющих высокий температурный коэффициент (ТК). В основе лежат специальные полупроводники, по характеристикам превосходящие наиболее чистые металлы и их сплавы.

При получении главного резистивного элемента применяются оксиды некоторых металлов, галогениды и халькогениды. Для изготовления используется медь, никель, марганец, кобальт, германий, кремний и другие вещества.

В процессе производства полупроводнику придется разная форма. В продаже можно найти терморезисторы в виде тонких трубок, крупных шайб, тонких пластинок или небольших круглых элементов.  Некоторые детали имеют габариты, исчисляемые несколькими микронами.

Основные виды терморезисторов — термисторы и позисторы (с отрицательным и положительным ТКС (температурный коэффициент сопротивления) соответственно. В термисторах с ростом температуры сопротивление падает, а позисторах, наоборот, увеличивается.

Где используется (сфера применения)

Терморезисторы активно применяются в разных сферах, тесно связанных с электроникой. Они особенно важных при реализации процессов, зависящих от правильности настройки температурного режима.

Такой подход актуален для компьютерных технологий, устройств передачи информации, высокоточного промышленного оборудования и т. д.

Распространенный способ применения терморезисторов — ограничение токов, возникающих в процессе пуска аппаратов.

При подаче напряжения к БП конденсатор быстро набирает емкость, что приводит к протеканию повышенного тока. Если не ограничить этот параметр, высок риск повреждения (пробоя) диодного моста.

Для защиты дорогостоящего узла применяется термистор — элемент, ограничивающий ток в случае резкого нагрева. После нормализации режима температура снижается до безопасного уровня, и сопротивление термистора возвращается до первоначального уровня.

Устройство и виды

Терморезистор — полупроводниковый элемент, который в зависимости от вида меняет сопротивление при росте/снижении температуры. Сегодня выделяется два вида изделий:

1. Термисторы — детали с негативным температурным коэффициентом (NTC). Их особенность состоит в падении сопротивления при росте температуры.
2. Позисторы — элементы, имеющие «плюсовой» температурный коэффициент (PTC). В отличие от прошлого вида, при повышении T сопротивление, наоборот, растет.

В зависимости от типа полупроводника при его производстве применяются разные элементы. Как отмечалось, при создании резистивных элементов используются оксиды, халькогениды и галогениды различных металлов, а конструктивное исполнение может меняться в зависимости от сферы назначения.

Типы по принципу действия

Терморезисторы различаются по принципу действия. Выделяется два типа:

1. КОНТАКТНЫЕ. К этой категории относятся термопары, термодатчики, заполненные термометры и термометры биметаллического типа.
2. БЕСКОНТАКТНЫЕ. В эту группу входят терморезисторы, построенные на инфракрасном принципе действия. Они активно применяются в оборонной сфере, благодаря способности выявлять тепловое излучение ИК и оптических лучей (выделяются газами и жидкостями).

Классификация по температурному срабатыванию

Терморезисторы отличаются по температуре, на которую они реагируют при срабатывании. С этой позиции выделяются следующие типы деталей:

1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Такие элементы срабатывают при температуре ниже 170 Кельвинов (минус 102 ^{С). 1 Кельвин = минус 272,15С.}
2. СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Здесь диапазоне работы выше и находится между 170 и 510 Кельвинами.
3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ. Терморезисторы такого класса работают при температурах от 570 Кельвинов.
4. ОТДЕЛЬНЫЙ КЛАСС. Выделятся также индивидуальная группа высокотемпературных термических резисторов, работающих в диапазоне от 900 до 1300 К.

Вне зависимости от вида (позисторы, термисторы) терморезисторы могут работать в разных температурных режимах и внешних условиях. При эксплуатации в условиях частых изменений температур первоначальные параметры детали могут меняться.

Речь идет о двух параметрах — сопротивлении детали в условиях комнатной температуры и коэффициенте сопротивления.

По виду нагрева

По способу нагревания терморезисторы делятся на два типа:

1. ПРЯМОГО НАГРЕВА. Подразумевается изменение температуры детали под действием окружающего воздуха или тока, протекающего через деталь. Устройства с прямым нагревом чаще всего применяются для решения двух задач — изменения температуры или восстановления нормального режима. Такие терморезисторы применяются в градусниках, ЗУ, термостатах и других устройствах.
2. КОСВЕННОГО НАГРЕВА. В отличие от прошлого типа здесь нагрев происходит из-за элементов, находящихся в непосредственной близости от резистора. Узлы никак не взаимосвязаны. При таком подходе сопротивление полупроводника обуславливается изменением тока, который проходит через близлежащий элементы. Терморезисторы, работающие на косвенном принципе, нашли применение в мультиметрах (комбинированных приборах).

Главные параметры терморезисторов

При выборе детали важно ориентироваться на ее показатели и характеристики, меняющиеся в зависимости от типа, производителя, исходного материала и других показателей.

При выборе изделия нужно выяснить главные параметры и определить, подходят они для решения поставленной задачи или нет.

Параметры терморезисторов:

1. ГАБАРИТЫ. При покупке нужно быть уверенным, что деталь подходит по размеру и поместится на плате (в схеме).
2. СОПРОТИВЛЕНИЯ RT и RT. Параметры измеряются в Омах и указываются применительно к текущей температуре в градусах Цельсия или Кельвинах. Если деталь рассчитана на работу при температурах от -100 до +200 градусов Цельсия, температурный режим для окружающей среды принимается на уровне 20-25 градусов Цельсия.
3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ Τ (СЕК). Параметр отражает тепловую инерционность. При расчете учитывается время, которое необходимо для изменения температуры термического резистора на 63% от разницы t детали и окружающего воздуха. В большинстве случаев этот параметр принимается равным 100 градусов Цельсия.
4. ТКС (в % на один градус Цельсия). Как правило, этот показатель прописывается для той же температуры t, что и холодное сопротивление. В такой ситуации при обозначении используются другие цифры — at.
5. Мощность рассеивания Pmax (предельно допустимый параметр), Вт. По этому показателю можно судить о пределе, до достижения которого в полупроводнике не происходит необратимых изменений (параметры остаются прежними). При этом превышение температуры tmax при достижении Pmax исключено.
6. Температура tmax — максимально допустимый параметр, при котором характеристики терморезистора длительное время остаются без изменений (на установленном производителем уровне).
7. Коэффициент энергетической чувствительности (измеряется в Вт/проценты*R). Обозначение — G. Показатель отражает мощность, которую необходимо рассеять на детали для снижения параметра R на один процент.
8. Коэффициент рассевания (измеряется в Вт на один градус Цельсия). Условное обозначение — H. Параметр отражает мощность, которая рассеивается на термическом резисторе при разнице в температурных режимах детали и окружающего воздуха на один градус.

Рассмотренные выше коэффициенты (G и H) зависят от характеристик применяемого полупроводника и особенностей обмена тепла между изделием и окружающей его средой. Параметры связаны друг с другом через специальную формулу — G=H/100а.

9. Теплоемкость (измеряется в Джоулях на один градус Цельсия). Условное обозначение — C. Показатель отражает объем тепла (энергии), необходимой для нагрева терморезистора на один градус.

Некоторые рассмотренные параметры связаны друг с другом. В частности, постоянная времени τ равна отношению между теплоемкостью и коэффициентом рассеивания.

При покупке позитрона, кроме указанных выше параметров, нужно учесть интервал позитивного температурного сопротивления и кратность изменения R в секторе положительного ТКС.

Базовые характеристики терморезисторов

При оценке терморезисторов нужно учесть и проанализировать их характеристики:

1. Вольтамперная характеристика — кривая на графике, показывающая зависимость напряжения на образце от проходящего через терморезистор тока. График рисуется с учетом теплового равновесия с окружающей природой. Для позисторов и термисторов графики различаются.
2. Температурная характеристика. При построении графика снимается зависимость сопротивления от температуры в определенном режиме. По оси R выставляется параметр по принципу десятикратного увеличения (10Х), а по оси времени пропускается участок в диапазоне от нуля до 223 Кельвинов.
3. Подогревная характеристика. С помощью графика можно увидеть параметры термических резисторов, работающих на косвенном принципе. Иными словами, кривая отражает зависимость сопротивления детали от подаваемой к нему мощности. При указании графика масштаб по сопротивлению берется с учетом 10Х.

Общий принцип действия

Терморезисторы делаются максимально чувствительными к изменению температурного режима, ведь на этом принципе они и работают. При отсутствии нагрева атомы, входящие в состав детали, находятся в правильном порядке и формируют длинные ряды.

В случае нагрева количество активных «переносчиков» заряда растет. Чем больше таких единиц, тем выше проводимость материала.

При изучении кривой зависимости сопротивления от температуры можно увидеть характеристику нелинейного типа. При этом лучшие характеристики терморезистор показывает в диапазоне от -90 до +130 градусов.

Важно учесть, что принцип действия таких деталей строится на корреляции между температурным режимом и металлами в составе детали.

Сам терморезистор изготавливается с применением полупроводниковых составов (оксидов, марганца, меди, никеля, силикатов, железа и других). Такие компоненты способны реагировать на малейшее изменение в температуре.

Создаваемое электрическое поле подталкивает электрон, который перемещается до момента удара об атом. По этой причине движение электрона затормаживается.

При росте температуры атомы двигаются активнее. При таких обстоятельствах исходный актом быстрее столкнется с другим элементом. В результате возникает дополнительное сопротивление.

После снижения рабочей температуры электроны «падают» в нижние валентные уровни и переходят в невозбужденное состояние. Иными словами, они меньше перемещаются и не создают такого сопротивления.

В случае повышения температуры растет и показатель R. Но здесь нужно учесть тип терморезистора, от которого зависит принцип повышения и роста сопротивления при изменении температурного режима.

NTC

Терморезисторы NTC — изделия, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Их особенность — повышенная чувствительность, высокий температурный коэффициент (на один или два порядка выше, чем у металла), небольшие габариты и широкий температурный диапазон.

Полупроводники NTC удобны в применении, стабильны в работе и способны выдерживать большую перегрузку.

Особенность NTC в том, что их сопротивление увеличивается при снижении температуры. И наоборот, если t снижается, параметр R растет. При изготовлении таких деталей применяются полупроводники.

Принцип действия прост. При повышении температуры число носителей заряда резко растет, и электроны направляются в зону проводимости. При изготовлении детали, кроме полупроводников, могут применяться и переходные металлы.

При анализе NTC нужно учесть бета-коэффициент. Он важен в случае, если изделие применяется при измерении температуры, для усреднения графика и вычислений с помощью микроконтроллеров.

Как правило, термисторы NTC применяются в температурном диапазоне от 25 до 200 градусов. Следовательно, их можно использовать для измерений в указанном пределе.

Отдельного нужно рассмотреть сфера их использования. Такие детали имеют небольшую цену и полезны для ограничения пусковых токов при старте электрических двигателей, для защиты Li аккумуляторов, снижения зарядных токов блока питания.

Терморезистор NTC также используется в автомобиле — датчик, применяемый для определения точки отключения и включения климат-контроля в машине.

Еще один способ применения — контроль температуры двигателя. В случае превышения безопасного предела, подается команда на реле, а дальше двигатель глушится.

Не менее важный элемент — датчик пожара, определяющий рост температуры и запускающий сигнализацию.

Терморезисторы NTC обозначаются буквами или имеют цветную маркировку в виде полос, колец или других обозначений. Варианты маркировки зависят от производителя, типа изделия и других параметров.

Пример обозначения 5D-20, где первая цифра показывает сопротивление терморезистора при 25 градусах Цельсия, а расположенная рядом с ней цифра (20) — диаметр.

Чем выше этот параметр, тем большую мощность рассеивания имеет изделие. Чтобы не ошибиться в маркировке, рекомендуется использовать официальную документацию.

PTC

В отличие от рассмотренных выше терморезисторов, PTC — термисторы, имеющие положительный коэффициент сопротивления. Это означает, что в случае нагрева детали увеличивается и ее сопротивление. Такие изделия активно применялись в старых телевизорах, оборудованных цветными телескопами.

Сегодня выделяется два типа PTC-терморезисторов (от числа выводов) — с двумя и тремя отпайками. Отличие трехвыводных изделий заключается в том, что в их состав входит два позитрона, имеющих вид «таблеток», устанавливаемых в одном корпусе.

Внешне может показаться, что эти элементы идентичны, но на практике это не так. Одна из «таблеток» имеет меньший размер. Отличается и сопротивление — от 1,3 до 3,6 кОм в первом случае, и от 18 до 24 Ом для второй такой таблетки.

Двухвыводные терморезисторы производятся с применением полупроводникового материала (чаще всего Si — кремний). Внешне изделие имеет вид небольшой пластинки с двумя выводами на разных концах.

Терморезисторы PTC применяются в разных сферах. Чаще всего их используют для защиты силового оборудования от перегруза или перегрева, а также поддержания температуры в безопасном режиме.

Главные направления применения:

1. Защита электрических двигателей. Задача изделия состоит в защите обмотки от перегорания при клине ротора или в случае поломки системы охлаждения. Позистор играет роль датчика, подключаемого к управляющему прибору с исполняющим реле, контакторами и пускателями. При появлении форс-мажорной ситуации сопротивление растет, а сигнал направляется к управляющему элементу, дающему команду на отключение мотора.
2. Защита трансформаторных обмоток от перегрева или перегруза. В такой схеме позистор устанавливается в цепи первичной обмотки.
3. Нагревательный узел в пистолетах для приклеивания.
4. В машинах для нагрева тракта впуска.
5. Размагничивание ЭЛТ-кинескопов и т. д.

Как проверить с помощью мультиметра

Важный вопрос при эксплуатации термисторов — знание принципов их проверки. При оценке исправности нужно понимать, что термисторы бывают двух видов — с положительными и отрицательным температурным коэффициентом (об этом упоминалось выше). Следовательно, сопротивление детали снижается или уменьшается с ростом температуры.

С учетом этого факта для проверки термистора потребуется всего два элемента — паяльник для нагрева и мультиметр.

Алгоритм действий:

1. Перевод прибора в режим замера сопротивления.
2. Подключение щупов к клеммам терморезистора (расположение не имеет значения).
3. Фиксация сопротивления на бумаге и поднесение нагретого паяльника к детали.
4. Контроль сопротивления (оно растет или падает в зависимости от вида терморезистора).
5. Если сопротивление снижается или увеличивается, полупроводник работает правильно.

Для примера можно использовать термистор NTC типа MF 72. В нормальном режиме он показывает сопротивление 6,9 Ом при обычной температуре.

После поднесения паяльника к изделию ситуация изменилась — сопротивление пошло в сторону снижения и остановилось на уровне двух Ом. По этой проверке можно сделать вывод, что терморезистор исправен.

Если сопротивление меняется резко или вообще не двигается, можно говорить о выходе детали из строя.

Стоит учесть, что такая проверка очень грубая. Для точного контроля нужно проверить температуру и сопротивление термистора, а после сравнить данные с официальными параметрами.

Как подключить

Принцип подключения термисторов прост (на примере Arduino). Для этого потребуется монтажная плата, деталь и резистор на 10 кОм. Так как изделие имеет высокое сопротивление, этот параметр для проводников не влияет на конечный результат.

Один контакт сопротивления подключается к контакту 5В, а второй — к контакту термистора.

Вторую отпайку терморезистора необходимо посадить на «землю». Центр двух резисторов подключается к контакту «Аналог 0).

<

Где находится на схеме

Отображение терморезистора на схеме может различаться. Изделие легко найти по обозначениям t и t0. Внешне оно отражается как сопротивление, через которое проходит полоска по диагонали с «подставкой» под t0 снизу. Главные обозначения — R1, Th2 или RK1.

Если возникают сомнения в сфере применения, терморезистор можно нагреть и посмотреть на его поведение. Если сопротивление будет меняться, это нужный элемент.

Терморезисторы используются почти везде — в плате зарядного устройства, в автомобильных усилителях, блоках питания ПК, в Li-Ion аккумуляторах и других устройства. Найти их на схеме не трудно.

SMD и встроенные терморезисторы

Существует также еще два вида терморезисторов, которым стоит уделить внимание:

1. SMD — детали с особым типом монтажа (для внешнего крепления). Внешне они не сильно отличаются от конденсаторов SMD, изготовленных из керамики. Габариты соответствуют стандартному ряду — 1206, 0805, 0603 и т. д. По виду отличить такие изделия от терморезисторов SMD почти невозможно.
2. Встроенные. Применяются в паяльных станциях (для контроля температуры жала), в том числе термовоздушного типа.

В дополнение стоит сказать, что в электронике вместе с терморезисторами используются термореле и термические предохранители, которые работают на похожем принципе и также устанавливаются в электронных приборах.

<

виды, типы конструкции, классы допуска

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

1. Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. Конструкция термистора

Обозначения:

• А – Выводы измерителя.
• В – Стеклянная пробка, закрывающая защитную гильзу.
• С – Защитная гильза, наполненная гелием.
• D – Электроизоляционная пленка, покрывающая внутреннюю часть гильзы.
• E – Полупроводниковый чувствительный элемент (далее ЧЭ), в приведенном примере это германий, легированный сурьмой.

2. Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д.

Расшифровка аббревиатур

Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:

• ТСМ это термометр сопротивления (ТС), в чувствительном элементе (ЧЭ) которого используется медная проволока (М).
• ТСП, в применяется платиновый (проволока из платины) ЧЭ.
• КТС б – обозначение комплекта из нескольких платиновых ТС., позволяющих провести многозонные измерения, как правило, монтаж таких устройств производится на вход и выход системы отопления, чтобы установить разность температур.
• ТПТ – технический (Т) платиновый термометр (ПТ).
• КТПТР – комплект из ТПТ приборов, буква «Р» в конце указывает, что может производиться не только измерение разницы температур между различными датчиками.
• ТСПН – «Н» в конце ТСП, обозначает, что датчик низкотемпературный.
• НСХ – под данным сокращением подразумевается «номинальная статическая характеристика», соответствующая стандартной функции «температура-сопротивление». Достаточно посмотреть таблицу НСХ для pt100 или любого другого датчика (например, pt1000, rtd, ntc и т.д.), чтобы иметь представление о его характеристиках.
• ЭТС – эталонные приборы, служащие для калибровки датчиков.

Чем отличается термосопротивление от термопары?

Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.

Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.

Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.

Платиновые измерители температуры

Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.

В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С^-1, эталонных – 0,03925°С^-1. Диапазон измеряемой температуры: от-196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температура-сопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции.

Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.

Никелевые термометры сопротивления

Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С^-1. Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.

Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).

Медные датчики (ТСМ)

ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С^-1, диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.

Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.

Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже.

Обозначения:

• А – Выводы термоэлектрического элемента.
• В – Защитный корпус.
• С – Спираль из платиновой проволоки.
• D – Мелкодисперсный наполнитель.
• E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ.

Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al₂O₃). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.

На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.

Исполнение Hollow Annulus.

Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.

Обозначения:

• А – Выводы с ЧЭ.
• В – Изоляция выводов ЧЭ.
• С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель.
• D – Защитный корпус датчика.
• E – Проволока из платины.
• F – Металлическая трубка.

ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al₂O₃) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.

Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.

Пленочное исполнение (Thin film).

Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.

Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).

Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.

Стеклянная изоляция спирали.

В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.

Класс допуска

Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.

Таблица 1. Классы допуска.

Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.

Схемы включения ТСМ/ТСП

Существует три варианта подключения:

• 2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема. Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления
• 3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
• 4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.

В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.

Обратим внимание, что под r_л.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.

Обслуживание

Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.

Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:

• Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
• Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
• Помимо этого проверяется наличие пломб.
• Проверяется заземление.

Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.

Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.

Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.

Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.

Принцип работы терморезистора и что такое термосопротивление

Большинство промышленных сфер требует измерения множества параметров на производстве. Чем сложнее технологические процессы, тем точнее должны быть показания. Один из самых требовательных к точности параметров – температура. Для ее точных замеров используют специальный прибор – терморезистор.

Пример терморезисторов

Виды

Простой принцип работы позволяет создавать термопреобразователи сопротивления (научное название устройства) различных габаритов и форм. В зависимости от области применения и материала, датчики могут иметь различную форму и соответствующий тип: стержневой, трубчатый, дисковой или бусинковый. Особых ограничений нет, поэтому на каждой отрасли существуют свои стандарты датчиков.

Принцип действия

Терморезисторы – это датчики, работа которых зависит от двух показателей: температуры и сопротивления. Второй параметр меняется в зависимости от значений первого, при достижении необходимой отметки происходит срабатывание. Существует четыре разновидности терморезисторов:

• низкотемпературные – для работы при значениях менее 170 К;
• для средних температур – от 170 до 510 К;
• для высоких – работают в диапазоне от 510 до 900 К;
• особый класс – до 1300 К.

Обратите внимание! Для обозначения температуры в рабочем диапазоне терморезистора используют Кельвин, а не градус Цельсия. Это связано с уравнением Стейнхарта-Харта, где в расчетах по формуле учитываются абсолютная температура и сопротивление.

Пример и изображение терморезистора в схеме

Наиболее точные терморезисторы могут использоваться в качестве эталонов – точность реагирования у них доходит до долей градуса. Помимо температурного режима, приборы отличаются по способу нагрева.

Прямой и косвенный нагрев

Существует два типа устройств:

1. Прямого нагрева – реагируют на температуру окружающей среды либо на проходящий через деталь ток. Их большинство, применяются они повсеместно.
2. Косвенного нагрева – комбинированные приборы. Представляют собой терморезистор, температуру которого задает отдельный изолированный нагревательный элемент. Ток в этом случае проходит через него, а не через сам датчик.

Дальнейшее разделение основано на различиях в конструкции и материалах изготовления.

Особенности конструкций

Классификация основывается на ключевом параметре – температурном коэффициенте сопротивления (ТКС), который есть у любого проводника или полупроводника. Он указывает, на какую величину изменяется Ом за каждый градус. В зависимости от материала изготовления ТКС может быть положительным или отрицательным.

Позисторы

Позистор – что это такое, объясняет параметр ТКС. Резистор с положительным значением называется позистором (PTC). Основой для изготовления служит металл. Самыми высокими показателями термосопротивления при инертности к внешним воздействиям обладают медь и платина.

Пример позисторов

Особенности:

1. Медные терморезисторы стоят дешевле, но применяются только при работе с температурами до 180 градусов. У них низкая устойчивость к агрессивной среде и быстрая окисляемость.
2. Платиновые – работают до 1100 градусов, однако наиболее точные результаты показывают при верхней границе в 650. Недостаток – дороговизна.

Часто можно встретить вопрос: что такое позисторы ТСМ и ТСП. Ответом служит последняя буква, указывающая на основу: медь либо платину.

Основное назначение позистора – предохранитель для защиты элементов цепи. Используется последовательное подключение. Область их применения ограничена из-за малой скорости быстродействия.

Термисторы

Гораздо чаще применят более чувствительные и недорогие приборы  – термисторы. У терморезистора NTC отрицательный ТКС (с ростом температуры сопротивление уменьшается). При создании применяют полупроводниковые составы на основе окислов марганца, меди и кобальта. По сравнению с позисторами, такие устройства более долговечны, надежны, имеют стабильную линейность при работе до 200 градусов.

Термисторы со стандартной маркировкой

Недостаток – невозможность массового изготовления терморезисторов с идентичными характеристиками. Параметры могут отличаться даже у приборов из одной партии, из-за чего приходится повторно регулировать оборудование. Схема монтажа термисторов – мостовая.

Технические характеристики

Каждое устройство обладает набором параметров, на которые нужно обращать внимание при выборе:

1. Номинальное сопротивление. Это значение, полученное при фиксированной температуре (стандарт – 20 градусов).
2. ТКС – обратимое изменение сопротивления на каждый градус.
3. Максимальная мощность рассеяния. Иногда называют просто мощностью резистора. Показывает предельное значение, которое рассеивает ТР без необратимых последствий. Показатель актуален только в условиях соблюдения температурного режима.
4. Температурная чувствительность. Определяется в определенном диапазоне и зависит от свойств полупроводникового материала.

Эти значения нужно учитывать для приборов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Отрицательный коэффициент ТКС

Дело в том, что зависимость сопротивления от температуры у термисторов экспоненциальная. При этом номинальное сопротивление отдельного ТР может изменяться в больших пределах. Расчеты параметров полупроводниковых приборов сложнее – у позисторов принцип работы основан на линейной зависимости.

Область применения

Использование устройств зависит от их стоимости и точности измерений. Более дорогие позисторы применяют в сложных производствах, а также в качестве предохранителей. Например, их подключают к исполнительному реле, в случае нагрева схема отключается. Термисторы гораздо доступнее, что позволяет находить им широкое применение в быту.

Термодатчик воздуха

При правильной калибровке NTC резистор может использоваться для проверки нагрева окружающей воздушной среды. В этом случае точность измерений, как на производстве, не требуется – достаточно регулировки с шагом в 1 градус Цельсия.

Самодельный датчик температуры воздуха

Автомобильный термодатчик

Популярный способ применения – защита двигателя авто от перегрева. ТР соединяют с реле, которое отключает двигатель при угрозе перегрева. При достаточных знаниях можно подключить устройство к бортовому компьютеру для отображения температуры на дисплее.

Датчик пожара

Из терморезистора и биметаллических элементов пускателя можно создать конструкцию, аналогичную пожарной сигнализации. Для этого подойдут простые бусинковые ТР. Также датчик может работать, если нужно исключить срабатывания на дым, например, сигаретный.

Термистор как регулятор пускового тока

Есть ряд приборов, которые подвержены чрезмерным токам при первом запуске: лампы, двигатели и трансформаторы. Для их ограничения в цепь встраивается термистор. Вместо резких скачков осуществляется регулировка тока по нагрузке, по мере нагревания термистора и уменьшения сопротивления.

Алмаз и родственные материалы – особые терморезисторы

На рынке терморезисторов есть особый класс устройств – на основе монокристаллов алмаза, композитов и углеродных пленок. Они обладают сразу несколькими преимуществами:

• работоспособность при температурах до 1000 градусов;
• чрезвычайно высокая устойчивость к агрессивным воздействиям;
• высокая твердость при низкой инерционности.

У таких приборов есть особая маркировка – ТРА. Выпускают их без корпуса либо в стеклянной оболочке.

Чем можно заменить

Менять терморезистор лучше всего на аналогичный, сверяясь со справочником или технической документацией. Однако при наличии опыта и знаний об устройстве того или иного аппарата можно заменить ТР на обычный проволочный резистор. Следует проверить:

• условия срабатывания реле – по времени или напряжению;
• изменение времени выхода на рабочий режим;
• необходимость последовательного соединения сразу нескольких резисторов.

Важно понимать, какие функции выполнял ТР. В некоторых случаях замена окажется нецелесообразной либо невозможной.

Терморезисторы – необходимый элемент для функционирования современной электротехники. Это точный и эффективный датчик, позволяющий контролировать работу устройств во многих сферах. Его применяют уже более 90 лет, заменить его в ближайшее время удастся с малой вероятностью.

Видео

Теория / Блог компании ЭФО / Хабр

Недавно мне повезло побывать на производстве датчиков температуры, а точнее на швейцарском предприятии IST-AG, где делают платиновые и никелевые термосопротивления (RTD).

По этому поводу публикую две статьи, в которых читатель найдет довольно подробное описание этого типа датчиков, путеводитель по основным этапам производственного процесса и обзор возможностей, которые появляются при использовании тонкопленочных технологий.

В первой статье разбираемся с теоретической базой. Не слишком увлекательно, но весьма полезно.

(они же — термосопротивления или RTD)

---

Сначала имеет смысл разобраться с терминологией. Если вы хорошо знакомы с вопросом, то смело переходите ко второй части статьи. А может быть и сразу к третьей.

Итак, под определение «датчик температуры» попадают тысячи самых разных изделий. Под датчиком можно понимать и готовое измерительное устройство, где на дисплее отображается значение температуры в градусах, и интегральную микросхему с цифровым сигналом на выходе, и просто чувствительный элемент, на базе которого строятся все остальные решения. Сегодня мы говорим только о чувствительных элементах, которые, впрочем, тоже будем называть словом «датчик».

Термометры сопротивления, которые также известны как термосопротивления и RTD (Resistance Temperature Detector) — это чувствительные элементы, принцип работы которого хорошо понятен из названия — электрическое сопротивление элемента растет с увеличением температуры окружающей среды и наоборот. Вероятно вы слышали о термосопротивлениях как о платиновых датчиках температуры типа Pt100, Pt500 и Pt1000 или как о датчиках 50М, 50П, 100М или 100П.

Иногда термосопротивления путают с термисторами или термопарами. Все эти датчики используются в похожих задачах, но, даже несмотря на то что термисторы тоже являются преобразователями температура-сопротивление, нельзя путать термосопротивления, термисторы и термопары между собой. О разнице в строении и назначении этих элементов написана уже тысяча статьей, так что я, пожалуй, не буду повторяться.

Отмечу главное: средний термометр сопротивления стоит в разы дороже, чем средний термистор и термопара, но только термосопротивления имеют линейную выходную характеристику. Линейность характеристики, а также гораздо более высокие показатели по точности и повторяемости результатов измерений, делают термосопротивления востребованными несмотря на разницу в цене.

---

Если коротко, характеристики термосопротивлений можно разбить на три группы:

1. Номинальная статическая характеристика (НСХ) и точность
2. Диапазон температур, на котором определяется НСХ и обеспечивается заявленная точность
3. Корпус датчика, тип и длина выводов

На мой взгляд, пояснений требует только первый пункт.

Номинальная статическая характеристика (НСХ)

НСХ — это функция (на практике чаще таблица значений), которая определяет зависимость сопротивление-температура.

Зависимость R(T), конечно, не является абсолютно линейной — на самом деле выходная характеристика термосопротивления описывается полиномом с известными коэффициентами. В простейшем случае это полином второй степени R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²), где R0 — номинальное сопротивление датчика, то есть значение сопротивления при 0°C.

Вид полинома и его коэффициенты описываются в различных национальных и международных стандартах. Действующий российский стандарт — ГОСТ 6651-2009. В Европе чаще используют DIN 60751 (он же IEC-751), однако одновременно с ним действует DIN 43760, в Северной Америке популярен стандарт ASTM E1137 и так далее. Несмотря на то что некоторые стандарты согласованы между собой, в целом картина довольно печальная и единого индустриального стандарта по факту не существует.

Наиболее популярные типы термосопротивлений — это платиновые датчики (Pt 3850, Pt 3750, Pt 3911 и др.), никелевые (Ni 6180, Ni 6720 и др.) и медные термосопротивления, например Cu 4280. Каждому типу датчиков соответствует свой полином R(T).

Приведенные наименования содержат название металла, который используется при изготовлении датчика, и коэффициент, который описывает отношение сопротивления датчика при 0 к сопротивлению при 100°C. Этот коэффициент, вместе со значением R0, определяет наклон функции R(T).

В разношерстных стандартах и, как следствие, в спецификациях на конкретные датчики, этот коэффициент может выражаться по-разному. Например, для платинового датчика может быть указан коэффициент альфа равный 0.00385 °C^-1, или температурный коэффициент 0.385%/°C, или TCR = 3850 ppm/K, однако во всех трех случаях подразумевается одна и та же зависимость R(T).

Используемый металл однозначно определяет степень полинома R(T), а коэффициенты полинома определяются температурным коэффициентом металла.

Например, для всех платиновых датчиков функция R(T) имеет следующий вид:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T²) при T > 0
R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x (T-100) x T³) при T < 0
где коэффициенты выбираются в зависимости от типа платины:

• Pt 3850 ppm/K (наиболее распространенная характеристика современных термосопротивлений)
  A = 3.9083 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.775 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.183 x 10^-12°C^-4
• Pt 3911 ppm/K (характеристика остается востребованной в РФ, т.к. в прошлом только она была внесена в ГОСТ)
  A = 3.9692 x 10^-3 °C^-1
  B = -5.829 x 10^-7 °C^-2
  C = -4.3303 x 10^-12°C^-4
  

Автомобильному стандарту Pt 3770 ppm/K, американскому Pt 3750 ppm/K или японскому Pt 3916 ppm/K будут соответствовать другие наборы коэффициентов.

Та же логика действует для меди и никеля. Например, НСХ всех никелевых датчиков описывается полиномом шестой степени:

R(T) = R0 (1 + A x T + B x T² + C x T³ + D x T⁴ + E x T⁵ + F x T⁶)
где коэффициенты определяются температурным коэффициентом никеля (Ni 6180 ppm/K, Ni 6720 ppm/K и т.д.).

Осталось сказать о последнем параметре НСХ термометров сопротивления — о номинальном сопротивлении R0. Чаще всего используются датчики со стандартным R0 — 50, 100, 500 или 1000 Ом, однако иногда требуются тремосопротивления с R0 = 2000 и даже 10000 Ом, а также датчики с «не кратным» номинальным сопротивлением.

То есть каждому типу термосопротивления может соответствовать несколько НСХ с разными номинальными сопротивлениями R0. Для наиболее распространенных в РФ характеристик используют стандартные обозначения: Pt100 и Pt1000 соответствуют платине с температурным коэффициентом 3850 ppm/K и R0 = 100 и 1000 Ом соответственно. Унаследованные из советских справочников обозначения 50П и 100П — это датчики из платины с коэффициентом 3911 ppm/K и R0 = 50 и 100 Ом, а датчики известные как 50М и 100М — это медь 4280 ppm/K с номинальным сопротивлением 50 и 100 Ом.

Точность датчика
Точность термосопротивления — это то, насколько зависимость R(T) реального датчика может отклониться от идеальной НСХ. Для обозначения точности термосопротивлений используют понятие класса допуска (от же класс точности).

Класс допуска определяет максимальное допустимое отклонение от номинальной характеристики, причем задается это отклонение как функция температуры — при нуле градусов фиксируется наименьшее допустимое отклонение, а при уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Когда дело касается классов допуска, бардак в действующих стандартах только усугубляется — даже названия классов в разных источниках могут отличаться.

	Другие названия	Допуск, °С
Класс АA	Class Y 1/3 DIN 1/3 B F 0.1 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.1 (если речь о намоточном датчике)	±(0.1 + 0.0017 |T|)
Класс A	1/2 DIN 1/2 B F 0.15 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.15 (если речь о намоточном датчике)	±(0.15 + 0.002 |T|)
Класс B	DIN F 0.3 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.3 (если речь о намоточном датчике)	±(0.3 + 0.005 |T|)
Класс C	Class 2B Class BB F 0.6 (если речь о тонкопленочном датчике) W 0.6 (если речь о намоточном датчике)	±(0.6 + 0.01 |T|)
—	Class K 1/10 DIN	±(0.03 + 0.0005 |T|)
—	Class K 1/5 DIN	±(0.06 + 0.001 |T|)

Приведенные в таблице допуски соответствуют большинству действующих стандартов для платиновых датчиков 3850 ppm/K, включая ГОСТ и европейский DIN 60751 (IEC-751), который с большой натяжкой можно назвать общепринятым. Однако и здесь есть исключенияНапример, в американском стандарте ASTM E1137 классы допуска платиновых датчиков именуются Grade и определяются иначе:

Grade A	±(0.25 + 0.0042 |T|)
Grade B	±(0.13 + 0.0017 |T|)

Если же говорить о платине с другими температурными коэффициентами или о никелевых и медных датчиках, то можно обнаружить и другие определения допусков.

Класс допуска описывает не только максимальную величину допуска, но и диапазон температур, на котором этот допуск гарантируется. Вы, наверное, уже догадались, что в разных стандартах эти диапазоны могут существенно отличаться. Это действительно так, причем диапазон температур зависит не только от класса допуска и типа датчика, но и от технологии, по которой выполнен датчик — у намоточных датчиков диапазон всегда шире.

О том, что такое намоточные и тонкопленочные датчики — чуть ниже.

На картинке — кассы допуска для платиновых датчиков с температурным коэффициентом 3850 по стандарту DIN 60751 (IEC-751).

Определения классов допуска для тонкопленочных и намоточных платиновых датчиков Pt 3850 ppm/K

Тонкопленочный датчик Pt 3850 ppm/K			Намоточный датчик Pt 3850 ppm/K
Класс допуска	Диапазон температур		Класс допуска	Диапазон температур
	DIN 60751 (IEC-751) / ГОСТ			DIN 60751 (IEC-751)	ГОСТ
Класс АА (F 0.1)	0… +150°С		Класс АА (W 0.1)	-100… +350°С	-50… +250°С
Класс А (F 0.15)	-30… +300°С		Класс А (W 0.15)	-100… +450°С
Класс B (F 0.3)	-50… +500°С		Класс B (W 0.3)	-196… +600°С	-196… +660°С
Класс С (F 0.6)	-50… +600°С		Класс С (W 0.6)	-196… +600°С	-196… +660°С

К слову, если в документации на термосопротивление указан диапазон измеряемых температур, который шире диапазона, предусмотренного указанным классом допуска, то заявленный класс допуска не будет действовать на всём рабочем диапазоне. Например, если датчик Pt1000 класса A предназначен для измерения температур от -200 до +600°C, то он будет иметь точность ±(0.15+0.002|T|) только при температурах до +300°C, а дальше скорее всего будет обеспечиваться класс В.

Я привожу все эти подробности о терминологии и разночтениях в стандартах чтобы донести одну простую мысль: выбирая термосопротивление легко запутаться и неверно истолковать характеристики элемента. Важно понимать какие именно требования вы предъявляете к элементу (в абсолютных цифрах, а не в классах) и сравнивать их с абсолютными цифрами из документации на конкретный датчик.

---

Итак, термосопротивления представляют собой резисторы, выполненные из платины или, реже, из никеля или меди. Выше уже упоминались две технологии — намоточная (проволочная) и тонкопленочная.

Намоточные датчики — это термосопротивления, выполненные на основе спиралей из металлической проволоки. Существует два основных способа изготовления намоточных датчиков. В первом случае проволока наматывается на стеклянный или керамический цилиндр, после чего конструкция покрывается изолирующим слоем из стекла. Второй способ — это помещение металлических спиралей в каналы внутри керамического цилиндра.

При изготовлении тонкопленочных датчиков на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, который образует токопроводящую дорожку, так называемый меандр. После этого датчик покрывается изолирующим слоем из стекла.

Большинство современных термосопротивлений выполняется по одной из этих трёх технологий. В источниках встречаются противоречивые мнения о том, какая конструкция более устойчива к вибрациям или перепадам температур. Оценки стоимости датчиков разных конструкций тоже сильно разнятся.

На деле принципиальных отличий между характеристиками датчиков разной конструкции нет, цены на тонкопленочные и намоточные датчики также находятся в одном диапазоне.

В большинстве случаев совершенно не важно как именно устроен датчик — при выборе компонента имеет значение только соотношение цены и характеристик конкретного элемента (нужно только не забывать что классы допуска для тонкопленочных датчиков определены на более узком диапазоне температур). Однако в некоторых задачах тонкопленочные датчики осознанно предпочитают намоточным. На это есть три главных причины:

1. Высокие номинальные сопротивления. Тонкопленочная технология позволяет производить датчики с R0=1000 Ом той же ценой, что и датчики с номинальным сопротивлением 50, 100 или 500 Ом. К тому же, изготавливаются датчики и с более высоким номинальным сопротивлением, например 2000 и 10000 Ом.
2. Малый размер. Тонкопленочный датчик можно сделать гораздо более миниатюрным по сравнению с намоточным. Стандартный датчик Pt1000, например, может иметь габариты всего 1.6 x 1.2 мм.
3. Прямоугольная форма и миниатюрный размер пленочных датчиков позволяют выпускать не только выводные термосопротивления, но и SMD-компоненты стандартных размеров — 1206, 0805 и так далее.

У тонкопленочной технологии есть и другие интересные свойства, позволяющие, например, сократить время отклика датчика температуры или изготовить на базе термосопротивлений датчики скорости потока. Об этом будем говорить в следующей статье, которая полностью посвящена процессу изготовления тонкопленочных датчиков.

---

В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

upd #1: Статья «Термосопротивления: производственный процесс» опубликована.

upd #2: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru

Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры называются терморезисторы. Они имеют свойство значительного температурного коэффициента сопротивления, величина которого больше, чем у металлов во много раз. Они широко применяются в электротехнике.

На электрических схемах терморезисторы обозначаются:

Устройство и работа

Они имеют простую конструкцию, выпускаются разных размеров и формы.

В полупроводниках есть свободные носители заряда двух видов: электроны и дырки. При неизменной температуре эти носители произвольно образуются и исчезают. Среднее количество свободных носителей находится в динамическом равновесии, то есть неизменно.

При изменении температуры равновесие нарушается. Если температура повышается, то число носителей заряда также увеличивается, а при снижении температуры концентрация носителей уменьшается. На удельное сопротивление полупроводника оказывает влияние температура.

Если температура подходит к абсолютному нулю, то полупроводник имеет свойство диэлектрика. При сильном нагревании он идеально проводит ток. Основной особенностью терморезистора является то, что его сопротивление наиболее заметно зависит от температуры в обычном интервале температур (-50 +100 градусов).

Популярные терморезисторы производятся в виде стержня из полупроводника, который покрыт эмалью. К нему подведены электроды и колпачки для контакта. Такие резисторы применяются в сухих местах.

Некоторые терморезисторы располагают в металлическом герметичном корпусе. Поэтому они могут использоваться во влажных местах с агрессивной внешней средой.

Герметичность корпуса создается при помощи олова и стекла. Стержни из полупроводника обернуты металлизированной фольгой. Для подключения тока применяется проволока из никеля. Величина номинального сопротивления составляет 1-200 кОм, температура работы -100 +129 градусов.

Принцип действия терморезистора основан на свойстве изменения сопротивления от температуры. Для изготовления используются чистые металлы: медь и платина.

Основные параметры

• ТКС – термический коэффициент сопротивления, равен изменению сопротивления участка цепи при изменении температуры на 1 градус. Если ТКС положительный, то терморезисторы называют позисторами (РТС-термисторы). А если ТКС отрицательный, то термисторами (NТС-термисторы). У позисторов при повышении температуры повышается и сопротивление, а у термисторов все происходит наоборот.
• Номинальное сопротивление – это величина сопротивления при 0 градусах.
• Диапазон работы. Резисторы делят на низкотемпературные (менее 170К), среднетемпературные (от 170 до 510 К), высокотемпературные (более 570К).
• Мощность рассеяния. Это величина мощности, в пределах которой терморезистор во время работы обеспечивает сохранение заданных параметров по техническим условиям.

Виды и особенности терморезисторов

Все датчики температуры на производстве работают по принципу преобразования температуры в сигнал электрического тока, который можно передавать с большой скоростью на дальние расстояния. Любые величины можно преобразовать в электрические сигналы, переведя их в цифровой код. Они передаются с высокой точностью, и обрабатываются вычислительной техникой.

Металлические терморезисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к терморезисторам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен иметь высокий ТКС, а сопротивление должно зависеть от температуры по линейному графику в большом интервале температур.

Также проводник из металла должен обладать инертностью к агрессивным действиям внешней среды и качественно воспроизводить характеристики, что дает возможность менять датчики без особых настроек и измерительных приборов.

Для таких требований хорошо подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Терморезисторы на их основе называют платиновыми и медными. ТСП (платиновые) термосопротивления работают при температурах -260 — 1100 градусов. Если температура в пределах от 0 до 650 градусов, то такие датчики применяют в качестве образцов и эталонов, так как в этом интервале нестабильность составляет не более 0,001 градусов.

Из недостатков платиновых терморезисторов можно назвать нелинейность преобразования и высокую стоимость. Поэтому точные замеры параметров возможны только в рабочем диапазоне.

Практически широко применяются недорогие медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление и неустойчивость к повышенным температурам, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное использование, не более 180 градусов.

Для монтажа платиновых и медных датчиков применяют 2-проводную линию при расстоянии до прибора до 200 метров. Если удаление больше, то применяют трехжильный кабель, в котором третий проводник служит для компенсирования сопротивления проводов.

Из недостатков платиновых и медных терморезисторов можно отметить их малую скорость работы. Их тепловая инерция достигает нескольких минут. Существуют терморезисторы с малой инерционностью, время срабатывания которых не выше нескольких десятых секунды. Это достигается небольшими размерами датчиков. Такие термосопротивления производят из микропровода в стеклянной оболочке. Эти датчики имеют небольшую инерцию, герметичны и обладают высокой стабильностью. При небольших размерах они обладают сопротивлением в несколько кОм.

Полупроводниковые

Такие сопротивления имеют название термисторов. Если их сравнить с платиновыми и медными образцами, то они обладают повышенной чувствительностью и ТКС отрицательного значения. Это значит, что при возрастании температуры сопротивление резистора снижается. У термисторов ТКС намного больше, чем у платиновых и медных датчиков. При небольших размерах их сопротивление доходит до 1 мегома, что не позволяет оказывать влияние на измерение сопротивлению проводников.

Для осуществления замеров температуры большую популярность приобрели терморезисторы на полупроводниках КМТ, состоящих из оксидов кобальта и марганца, а также термосопротивления ММТ на основе оксидов меди и марганца. Зависимость сопротивления от температуры на графике имеет хорошую линейность в интервале температур -100 +200 градусов. Надежность терморезисторов на полупроводниках довольно высока, свойства имеют достаточную стабильность в течение длительного времени.

Основным их недостатком является такой факт, что при массовом изготовлении таких терморезисторов не получается обеспечить необходимую точность их характеристик. Поэтому один отдельно взятый резистор будет отличаться от другого образца, подобно транзисторам, которые из одной партии могут иметь различные коэффициенты усиления, трудно найти два одинаковых образца. Этот отрицательный момент создает необходимость дополнительной настройки аппаратуры при замене терморезистора.

Для подключения термисторов обычно применяют мостовую схему, в которой мост уравновешивается потенциометром. Во время изменения сопротивления резистора от действия температуры мост можно привести в равновесие путем регулировки потенциометра.

Такой метод ручной настройки используется в учебных лабораториях для демонстрации работы. Регулятор потенциометра оснащен шкалой, которая имеет градуировку в градусах. На практике в сложных схемах измерения эта регулировка происходит в автоматическом режиме.

Применение терморезисторов

В работе термодатчиков существует два режима действия. При первом режиме температура датчика определяется лишь температурой внешней среды. Протекающий по резистору ток маленький и не способен его нагреть.

При 2-м режиме термистор нагревается протекающим током, а его температура определяется условиями отдачи тепла, например, скоростью обдува, плотностью газа и т.д.

На схемах термисторы (NТС) и резисторы (РТС) имеют соответственно отрицательный и положительный коэффициенты сопротивления, и обозначаются следующим образом:

Применение термисторов

• Измерение температуры.
• Бытовая техника: морозильники, фены, холодильники и т.д.
• Автомобильная электроника: измерение охлаждения антифриза, масла, контроль выхлопных газов, системы торможения, температура в салоне.
• Кондиционеры: распределение тепла, контроль температуры в помещении.
• Отопительные котлы, теплые полы, печи.
• Блокировка дверей в устройствах нагревания.
• Электронная промышленность: стабилизация температуры лазерных фотоэлементов и диодов, а также медных обмоток катушек.
• В мобильных телефонах для компенсации нагрева.
• Ограничение тока запуска двигателей, ламп освещения, импульсных блоков питания.
• Контроль наполнения жидкостей.

Применение позисторов

• Защита от короткого замыкания в двигателях.
• Защита от оплавления при токовой перегрузке.
• Для задержки времени включения импульсных блоков питания.
• Мониторы компьютеров и кинескопы телевизоров для размагничивания и предотвращения нарушения цвета.
• В пускателях компрессоров холодильников.
• Тепловая блокировка трансформаторов и двигателей.
• Приборы измерения.
• Автоматика управления техникой.
• Устройства памяти информации.
• В качестве нагревателей карбюраторов.
• В бытовых устройствах: закрывание дверки стиральной машины, в фенах и т.д.

Похожие темы:

определение, виды, как работает и как выбрать

Термистор представляет собой резистивный термометр или резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Термин представляет собой комбинацию термо и резистор. Он изготовлен из оксидов металлов, спрессован в шарики, диски или цилиндрическую форму, а затем герметизирован непроницаемым материалом, таким как эпоксидная смола или стекло.

Существует два типа термисторов: отрицательный температурный коэффициент (NTC) и положительный температурный коэффициент (PTC). С термистором NTC, когда температура увеличивается, сопротивление уменьшается. И наоборот, когда температура снижается, сопротивление увеличивается. Этот тип термистора используется чаще всего.

Термистор PTC работает немного по-другому. Когда температура увеличивается, сопротивление увеличивается, а когда температура уменьшается, сопротивление уменьшается. Этот тип термистора обычно используется в качестве предохранителя. Огромный выбор терморезисторов вы можете посмотреть и приобрести на Алиэкспресс:

Как правило, термистор достигает высокой точности в ограниченном температурном диапазоне около 50ºC относительно целевой температуры. Этот диапазон зависит от базового сопротивления.

Термистор на схеме

Стрелка Т обозначает, что сопротивление является переменным в зависимости от температуры. Направление стрелки или полосы не имеет значения.

Термисторы просты в использовании, недороги, прочны и предсказуемо реагируют на изменения температуры. Хотя они не очень хорошо работают при чрезмерно высоких или низких температурах, они являются предпочтительным датчиком для применений, которые измеряют температуру в желаемой базовой точке. Они идеальны, когда требуются очень точные температуры.

Некоторые из наиболее распространенных применений термисторов используются в цифровых термометрах, в автомобилях для измерения температуры масла и охлаждающей жидкости, а также в бытовых приборах, таких как духовки и холодильники, но они также встречаются практически в любом приложении, где для обеспечения безопасности требуются защитные контуры отопления или охлаждения. Для более сложных приложений, таких как детекторы лазерной стабилизации, оптические блоки и устройства с зарядовой связью, встроен термистор. Например, термистор 10 кОм является стандартом, который встроен в лазерные пакеты.

История термистора

Майкл Фарадей — английский ученый впервые открыл понятие термисторов в 1833 году, сообщая о полупроводниковом поведении сульфида серебра. Благодаря своим исследованиям он заметил, что устойчивость к сульфидам серебра снижалась с повышением температуры. Это открытие впоследствии привело к коммерческому производству термисторов в 1930-х годах, когда Сэмюэль Рубен изобрел первый коммерческий термистор. С тех пор технология улучшилась; прокладывать дорогу к совершенствованию производственных процессов; наряду с доступностью более качественного материала.

Как работает термистор

Термистор на самом деле ничего не «читает», вместо этого сопротивление термистора меняется в зависимости от температуры. Степень изменения сопротивления зависит от типа материала, используемого в термисторе.

В отличие от других датчиков, термисторы являются нелинейными, то есть точки на графике, представляющие взаимосвязь между сопротивлением и температурой, не будут образовывать прямую линию. Расположение линии и степень ее изменения определяется конструкцией термистора. Типичный график термистора выглядит следующим образом:

Как изменение сопротивления преобразуется в измеримые данные, будет подробно рассмотрено ниже.

Разница между термистором и другими датчиками

В дополнение к термисторам используются несколько других типов датчиков температуры. Наиболее распространенными являются резистивные датчики температуры (RTD) и интегральные схемы (IC), такие как типы LM335 и AD590. Какой датчик лучше всего подходит для конкретного использования, зависит от многих факторов. В приведенной ниже таблице дано краткое сравнение преимуществ и недостатков каждого из них.

Параметр	Термистор	RTD	LM335	AD592
Разница температур	В пределах ~ 50° С от заданной центральной температуры	От −260° C до + 850° C	От −40° C до + 100° C	От -20° C до + 105° C
Относительная стоимость	Недорогой	Самый дорогой	Дорогой	Дорогой
Постоянная времени	От 6 до 14 секунд	От 1 до 7 секунд	От 1 до 3 секунд	От 2 до 60 секунд
Стабильность	Очень стабильный, 0,0009° C	~0.05° С	~0.01° С	~0.01° С
Чувствительность	Высоко	Низкий	Низкий	Низкий
Преимущества	Долговечный Долгоиграющий Высокочувствительный Маленький размер Самая низкая СтоимостьЛучше всего подходит для измерения температуры в одной точке	Лучшее время отклика Линейный выход Самый широкий диапазон рабочих температур Лучше всего для измерения диапазона температур	Умеренно дорого Линейный выход	Умеренно дорого Линейный выход
Недостатки	Нелинейный выход Ограниченный температурный диапазон Медленное время отклика	Дорого Низкая чувствительность	Ограниченный температурный диапазон Низкая чувствительность Большой размер	Самое медленное время отклика Ограниченный температурный диапазон Низкая чувствительность Большой размер

Температурный диапазон: приблизительный общий диапазон температур, в которых может использоваться тип датчика. В пределах заданного температурного диапазона некоторые датчики работают лучше, чем другие.

Относительная стоимость: относительная стоимость, поскольку эти датчики сравниваются друг с другом. Например, термисторы недороги по отношению к термометрам сопротивления, отчасти потому, что предпочтительным материалом для термопреобразователей сопротивления является платина.

Постоянная времени: приблизительное время, необходимое для перехода от одного значения температуры к другому. Это время в секундах, которое термистору требуется для достижения 63,2% разницы температур от начального показания до окончательного.

Стабильность: способность контроллера поддерживать постоянную температуру на основе обратной связи датчика температуры.

Чувствительность: степень реакции на изменение температуры.

Преимущества и недостатки NTC и PTC

Термисторы NTC прочны, надежны и стабильны, и они оборудованы для работы в экстремальных условиях окружающей среды и помехоустойчивости в большей степени, чем другие типы датчиков температуры.

• Компактный размер: варианты упаковки позволяют им работать в небольших или ограниченных пространствах; тем самым занимая меньше места на печатных платах.
• Быстрое время отклика: небольшие размеры позволяют быстро реагировать на изменение температуры, что важно, когда требуется немедленная обратная связь.
• Экономичность: термисторы не только дешевле, чем другие типы датчиков температуры; Если приобретенный термистор имеет правильную кривую RT, никакая другая калибровка не требуется во время установки или в течение срока ее эксплуатации.
• Совпадение точек: способность получить определенное сопротивление при определенной температуре.
• Соответствие кривой: сменные термисторы с точностью от + 0,1 ° C до + 0,2 ° C.

Какие типы и формы термистора доступны на рынке

Термисторы бывают разных форм — дисковые, микросхемы, шариковые или стержневые и могут монтироваться на поверхности или встраиваться в систему. Они могут быть заключены в эпоксидную смолу, стекло, обожжены в феноле или окрашены. Наилучшая форма часто зависит от того, какой материал контролируется, например, от твердого вещества, жидкости или газа.

Например, терморезистор с бусинками идеально подходит для встраивания в устройство, а стержень, диск или цилиндрическая головка лучше всего подходят для оптических поверхностей. Термисторный чип обычно монтируется на печатной плате (PCB). Существует много, много разных форм термисторов, и некоторые примеры:

Выберите форму, которая обеспечивает максимальный контакт поверхности с устройством, температура которого контролируется. Независимо от типа термистора, соединение с контролируемым устройством должно быть выполнено с использованием теплопроводящей пасты или эпоксидного клея. Обычно важно, чтобы эта паста или клей не были электропроводящими.

Какое сопротивление термистора и ток смещения следует использовать

Термисторы классифицируются по величине сопротивления, измеренной при комнатной температуре окружающей среды, которая считается 25° C. Устройство, температуру которого необходимо поддерживать, имеет определенные технические характеристики для оптимального использования, как определено производителем. Они должны быть определены до выбора датчика. Поэтому важно знать следующее.

Каковы максимальные и минимальные температуры для устройства

Термисторы идеально подходят для измерения температуры в одной точке, которая находится в пределах 50 ° C от температуры окружающей среды. Если температура слишком высокая или низкая, термистор не будет работать. Хотя есть исключения, большинство термисторов работают лучше всего в диапазоне от -55 ° C до + 114 ° C.

Поскольку термисторы являются нелинейными, то есть значения температуры и сопротивления изображены на графике в виде кривой, а не прямой линии, очень высокие или очень низкие температуры регистрируются неправильно. Например, очень небольшие изменения при очень высоких температурах будут регистрировать незначительные изменения сопротивления, которые не приведут к точным изменениям напряжения.

Каков оптимальный диапазон термисторов

В зависимости от тока смещения от контроллера каждый термистор имеет оптимальный полезный диапазон, то есть диапазон температур, в котором небольшие изменения температуры точно регистрируются.

В таблице ниже приведены наиболее эффективные диапазоны температур для термисторов с длиной волны при двух наиболее распространенных токах смещения.

Лучше всего выбрать термистор, где заданная температура находится в середине диапазона. Чувствительность термистора зависит от температуры. Например, термистор может быть более чувствительным при более низких температурах, чем при более высоких температурах, как в случае с термистором TCS10K5 10 кОм длины волны. В TCS10K5 чувствительность составляет 162 мВ на градус Цельсия в диапазоне от 0 до 1° C, и 43 мВ / °C в диапазоне от 25 до 26 ° C, и 14 мВ ° C в диапазоне от 49 до 50 ° C. C.

Каковы верхний и нижний пределы напряжения на входе датчика регулятора температуры

Пределы напряжения обратной связи датчика к регулятору температуры устанавливаются производителем. В идеале следует выбрать комбинацию термистора и тока смещения, которая создает напряжение в пределах диапазона, разрешенного регулятором температуры.

Напряжение связано с сопротивлением по закону Ома. Это уравнение используется для определения того, какой ток смещения необходим. Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и для этого тока смещения записывается как:

V = I _BIAS x R

Где: 
V — напряжение, в вольтах (В) 
I _BIAS — ток, в амперах или амперах (A) 
I _BIAS — постоянный ток, 
R — сопротивление, в Ом (Ом)

Контроллер генерирует ток смещения для преобразования сопротивления термистора в измеряемое напряжение. Контроллер принимает только определенный диапазон напряжения. Например, если диапазон контроллера составляет от 0 до 5 В, напряжение термистора должно быть не ниже 0,25 В, чтобы электрические помехи на нижнем конце не мешали считыванию, и не должно превышать 5 В для считывания.

Предположим, что используется вышеуказанный контроллер и термистор 100 кОм, такой как TCS651 длины волны, и температура, которую необходимо поддерживать устройству, составляет 20° C. Согласно спецификации TCS651, сопротивление составляет 126700 Ом при 20 ° C. Чтобы определить, может ли термистор работать с контроллером, нам нужно знать полезный диапазон токов смещения. Используя закон Ома, чтобы решить для I _BIAS , мы знаем следующее:

V / R = I _BIAS

0,25 / 126700 = 2 мкА — нижний 
предел диапазона 5,0 / 126700 = 39,5 мкА — верхний предел

Да, этот термистор будет работать, если ток смещения регулятора температуры можно установить в диапазоне от 2 мкА до 39,5 мкА.

При выборе термистора и тока смещения лучше всего выбрать тот, в котором развиваемое напряжение находится в середине диапазона. Входной сигнал обратной связи контроллера должен быть под напряжением, которое выводится из сопротивления термистора.

Поскольку люди наиболее легко относятся к температуре, сопротивление часто нужно менять на температуру. Наиболее точная модель, используемая для преобразования сопротивления термистора в температуру, называется уравнением Стейнхарта-Харта.

Понимание термического сопротивления полупроводника

Автор: Сива Уппулури, инженер приложений

Полупроводниковые приборы несовершенны — все диоды и транзисторы характеризуются потерями мощности из-за переключения и проводимости. Потери на переключение возникают во время интервала между состояниями включения и выключения соединения, когда на клеммах устройства есть напряжение и ток, протекающий через него. Потери в проводимости связаны с внутренним сопротивлением устройства, которое, независимо от его уровня, приведет к потере мощности при протекании тока.Даже в выключенном состоянии потери, вызванные токами утечки транзисторов, могут быть значительными в таких устройствах, как микропроцессоры, которые должны использовать процессы с малой геометрией для упаковки миллионов транзисторов в одну интегральную схему.

Безотносительно причины потери в полупроводниковых приборах генерируют тепло, которое должно рассеиваться, если температура перехода должна поддерживаться в приемлемых пределах для правильной работы устройства. Упаковка полупроводниковых устройств дополнительно усложняет способы, с помощью которых тепло может рассеиваться, поэтому важно понимать различные вовлеченные процессы и то, как тепловая информация предоставляется в технических паспортах устройства.

В этой статье будут рассмотрены механизмы, с помощью которых тепло обычно рассеивается, с целью понять, как они применяются к полупроводниковым приборам и, в свою очередь, как производители полупроводников определяют тепловые характеристики своих изделий. Неточности, которые могут возникнуть из-за использования тепловой информации, представленной в техническом описании, будут выделены вместе с альтернативным методом определения температуры соединения клавиш устройства.

Механизмы для отвода тепла

Существует три основных механизма, с помощью которых тепло отводится от электронного устройства: проводимость, конвекция и излучение.Для упакованного полупроводникового устройства большая часть тепла будет передаваться за счет проводимости: от источника тепла в сердечнике устройства через полупроводниковую подложку, свинцовую рамку, к которой прикреплен чип, и через формовочный материал, который герметизирует устройство с его внешняя поверхность. В этот момент тепло может быть дополнительно передано посредством проводимости через любой твердый материал, с которым контактирует устройство, например, печатная плата или внешний радиатор.

Конвекция определяется как передача тепла через жидкость, которая может быть жидкостью или газом, как в окружающем воздухе.Это механизм, который в значительной степени учитывает оставшееся тепловыделение в окружающую окружающую среду. Излучающий теплообмен редко является важным механизмом теплообмена в электронике и его сложно рассчитать, поскольку он зависит не только от разности температур, но и от расстояния между объектами и такими факторами, как цвет и текстура поверхностей.

Несмотря на то, что целью является эффективная передача тепла от источника к окружающей среде, более обычным является определение рассеивания тепла с учетом обратного теплового потока, а именно теплового сопротивления между этими точками.Обычно эта цифра будет составлена ​​из термических сопротивлений между конечными точками и одной или несколькими промежуточными точками, в зависимости от механизмов теплопередачи и используемых материалов.

Производители полупроводников предоставляют значения теплового сопротивления для упакованных устройств в качестве вспомогательного средства при проектировании, чтобы помочь определить их способность обрабатывать мощность. Обычно представляемое как тепловое сопротивление перехода от температуры окружающей среды, эта цифра предназначена для расчета количества мощности, которое может быть безопасно рассеяно внутри устройства без повышения температуры его перехода (Tj) выше указанного максимума.Например, для устройства, работающего при температуре окружающей среды (Ta) 25 ° C, которое имеет тепловое сопротивление соединения с окружающей средой, Rth (JA), 150 ° C / Вт с заданной максимальной температурой соединения, Tj, равной 150 ° C, максимальная мощность (Pmax) может быть рассчитана по следующей формуле:

Pmax = (Tj (max) — Ta) / Rth (JA) = (150-25) / 150 = 0,83 Вт

Примечание: Это предполагает, что устройство установлено в тех же условиях, для которых Rth (JA) определен в техническом описании.

В противоположность этой формуле, Tj можно рассчитать, зная мощность, рассеиваемую внутри устройства, а также значения Rth (JA) и Ta.

Иногда производители предоставляют альтернативные или дополнительные значения теплового сопротивления, которые можно использовать аналогичным образом для расчета температуры рабочего перехода. К ним могут относиться значение перехода к корпусу (верхняя часть корпуса), Rth (JC) и значение перехода к выводу (переход к точке пайки ведущей рамы), Rth (JL) — см. Рисунок 1.

Рисунок 1. Пакет PowerDI5®, показывающий точки измерения температуры для Tc (температура корпуса) и Tl (температура вывода)

Попытка измерить тепловое сопротивление определенного пути теплового потока, такого как переход к корпусу или переход привести к затруднению из-за того, что мощность, рассеиваемая в полупроводниковом переходе, покидает пакет через ряд параллельных путей теплового потока.Каждый из них имеет определенное тепловое сопротивление, значение которого зависит от размеров и теплопроводности этого пути. Следовательно, значимое значение теплового сопротивления зависит от 1) того, насколько точно можно измерить температуру на стыке и в корпусе (или отводе), а также от 2) определения доли общего тепла, генерируемого на полупроводниковом переходе, который протекает между переходом и измерением точка (т. е. либо верхняя часть корпуса, либо отведение).

На практике получение точных температур в требуемых точках измерения затруднительно, даже с использованием бесконтактных инфракрасных приборов.Вместо этого можно использовать один из следующих стандартных методов JEDEC (JESD51-12), чтобы определить значения теплового сопротивления для Rth (JC) или Rth (JL).

Метод 1: Rth (JX_Ө)

Этот метод направлен на определение теплового сопротивления пути теплового потока между соединением и конкретной достопримечательностью, «X», которая может быть верхней частью упаковки, точкой пайки и т. д. В способе 1 предполагается, что вся мощность, рассеиваемая на стыке, проталкивается через точку интереса с использованием эффективного устройства для отвода тепла в точке «X».Затем с точным измерением температуры в этой точке (Tx) истинное тепловое сопротивление можно рассчитать как:

Rth (JX_Ө) = (Tj –Tx) / P

где P — рассеиваемая мощность (тепло), которая течет из соединение до точки «Х». В идеале, во время этого измерения около 100% мощности должно течь от соединения до точки «X». Эта цифра зависит только от физических свойств пути теплового потока и не зависит от количества рассеиваемой мощности или размера платы, на которой установлено устройство.

Значения теплового сопротивления перехода к свинцу, представленные Diodes Incorporated в его технических паспортах, измеряются с помощью метода 1. Это значение не зависит от размера платы и, таким образом, помогает сравнивать тепловые характеристики выводных рам различных пакетов.

Метод 2: Rth (JX_ᴪ)

Этот метод обеспечивает параметр тепловой характеристики, который не следует путать с тепловым сопротивлением. Он рассчитывается с использованием уравнения, аналогичного уравнению, используемому в методе 1:

Rth (JX_ᴪ) = (Tj –Tx) / P

С помощью этого метода, поскольку для отвода большей части выделяемого тепла через теплоотвод не используется дополнительное устройство для отвода тепла На интересующем пути в расчете используется значение общей рассеиваемой мощности, а не доля, которая течет между соединением и точкой «X».Это приводит к снижению абсолютного значения Rth (JX_ᴪ). .

Определение температуры соединения (Tj):

Точное определение температуры соединения (Tj) устройства с использованием Rth (JA), Rth (JL) или ᴪth (JC) зависит от возможности измерения температуры окружающей среды, свинца или корпуса. в идеальных условиях.В действительности, устройство часто устанавливается на плате, переполненной другими устройствами и компонентами; также количество меди, подключенной к вкладке ведущей рамы, может не соответствовать условиям таблицы данных, что ограничивает полезность этих параметров, как описано ниже:

Диаграммы с 1 по 3, измеренные на пакете PowerDI (как показано на рисунке 1), показывают Соотношение между температурой спая и ᴪth (JC), Rth (JL) и Rth (JA) соответственно при различных условиях радиатора: 1) алюминиевая плата 2 дюйма * 2 дюйма и 2) компоновка минимально рекомендуемой площадки (MRP).

Диаграмма 1. Четвёртое (JC) против Tj

Диаграмма 2. Rth (JL) против Tj

Диаграмма 3. Rth (JA) против Tj

Диаграмма 4. Tc vs. Tj

Rth (JA)… Как показано на диаграмме 3, изменение Rth (JA) с температурой перехода минимально, но влияние из-за различных радиаторов является более значительным.Следовательно, при использовании значений Rth (JA) в техническом паспорте необходимо следить за тем, чтобы условия монтажа устройства в реальных приложениях были близки к тем, которые указаны в техническом описании. Различия в расположении радиатора (объем и проводимость радиатора, подключенного к вкладке ведущей рамы устройства) могут привести к значительным ошибкам при оценке температуры перехода с использованием Rth (JA).

Rth (JL)… Это значение измеряется в соответствии с JEDEC (JESD51-12), метод 1 и может использоваться только 1) если тепловой поток на каждом другом пути сделан незначительным и 2) температура провода измеряется точно ,Чтобы измерить значение Rth (JL) таблицы данных, используя этот метод, необходимо прикрепить массивный радиатор к вкладке ведущей рамы, чтобы гарантировать, что большая часть тепла от соединения выходит из вкладки ведущей рамы в теплоотвод. На практике это редко имеет место, поскольку будут другие параллельные пути теплового потока, которые уменьшают точность Rth (JL). Диаграмма 2 показывает зависимость Rth (JL) от теплоотвода при использовании радиаторов практического размера. Следовательно, значение Rth (JL) в техническом паспорте действительно может обеспечить только сравнение теплопроводных возможностей выводных рамок различных производителей.Для расчета температуры перехода в реальных приложениях Rth (JL) вряд ли даст точный ответ и чаще дает результат «наилучшего случая», связанный с максимальным погружением тепла.

ᴪth (JC)… Это значение измеряется в соответствии с JEDEC (JESD51-12), метод 2 и использует 1) разницу температур между соединением и точкой измерения на корпусе (который часто является центром упаковки) и 2) общая мощность, рассеиваемая в устройстве, но не мощность, протекающая между соединением и точкой измерения на корпусе.По этой причине это значение не следует рассматривать как истинное тепловое сопротивление, а только как тепловой параметр, и поэтому его следует использовать только для сравнения различных упаковок. Из диаграммы 1 видно, что это значение зависит не только от размера радиатора, но и от температуры рабочего перехода. Значение уменьшается с увеличением температуры соединения из-за конвекции воздуха вокруг устройства. Даже если измерение выполняется в неподвижном состоянии, горячая поверхность устройства будет вызывать циркуляцию воздуха, что приведет к эффекту конвекции.Поскольку ᴪth (JC) часто является меньшим значением по сравнению с Rth (JA) и Rth (JL), эффект конвекции приводит к большему пропорциональному изменению его значения, делая его более значимым. Следовательно, это значение не должно использоваться безоговорочно при попытке определить температуру соединения в реальных приложениях. Однако более низкое абсолютное значение ᴪth (JC) означает, что погрешность расчета температуры соединения также будет низкой.

Диаграмма 4 предлагает альтернативный подход, который можно использовать в качестве инструмента для более точного определения температуры соединения устройства в реальных сценариях применения.Этот подход исключает влияние различных радиаторов из уравнения. Однако при измерении температуры корпуса следует соблюдать осторожность, поэтому 1) рекомендуется использовать бесконтактный прибор для измерения температуры и 2) точка измерения на корпусе должна быть как можно ближе к центру его поверхности.

Заключение

Результаты, представленные выше, показывают, что определение температуры перехода полупроводникового устройства с использованием различных параметров теплового сопротивления (переход к корпусу, провод или окружающая среда), обычно встречающихся в технических данных производителя, в значительной степени зависит от расположения радиатора.Вместо этого диаграмма 4 показывает гораздо более тесную корреляцию между температурой перехода и температурой корпуса, которая намного меньше зависит от размера или эффективности любого радиатора. Следовательно, график, подобный диаграмме 4, является наиболее точным инструментом для определения температуры соединения устройства, при условии, что температура корпуса может быть измерена таким же образом на плате реального применения.

PowerDI является зарегистрированным товарным знаком Diodes Incorporated.

Загрузить в формате PDF этой статьи

Вернуться к указателю статей

,

Терморегулирование для ПЛИС

% PDF-1.3 % 1 0 объектов > endobj 2 0 объектов >>> endobj 3 0 объектов > поток Copyright (c) 2012 Altera Corporation. Все права защищены. Acrobat Distiller 9.5.0 (Windows) управление температурным режимом; высокая температура; рассеивание тепла; тепловое сопротивление; материал теплового интерфейса; ТИМ; радиатор; расчет радиатора; метод прикрепления; опрокидывание; наклон; упаковка без крышки; пакет устройств применение / PDF

Терморегулирование для ПЛИС

Altera Corporation

Это примечание по применению содержит руководство по управлению температурой устройств Altera и помогает определить тепловые характеристики для вашего приложения.

2010-04-07T18: 16: 14Z FrameMaker 10.0.1 2012-03-19T13: 32: 07 + 08: 00 2012-03-19T13: 32: 07 + 08: 00 Copyright (c) 2012 Altera Corporation. Все права защищены. UUID: d98137c7-7e77-48c1-852f-fd0eed74ccd2 UUID: 7dd2fc5e-1d78-4f3a-be7a-81c7fc7bf4d9 endstream endobj 4 0 объектов > endobj 5 0 объектов > endobj 6 0 объектов > endobj 7 0 объектов > endobj 8 0 объектов [9 0 R] endobj 9 0 объектов

.

Терморегулирование

С уменьшением геометрии процесса IC до 90 нм и ниже и увеличением плотности ПЛИС управление питанием становится важным фактором в разработке ПЛИС. В то время как энергопотребление традиционно было задачей третьего или четвертого порядка для большинства конструкций ПЛИС, перед проектными группами, стоящими сегодня перед дилеммой, стоит задача предоставить все функции, которые требуются рынку, без превышения бюджетов на энергопотребление. Чем больше энергии потребляет устройство, тем больше тепла оно генерирует. Это тепло должно рассеиваться для поддержания рабочих температур в пределах спецификации.

Терморегулирование является важным конструктивным фактором для 90-нм устройств Stratix ^® II. Пакеты устройств Intel ^® FPGA предназначены для минимизации теплового сопротивления и максимального рассеивания мощности. Некоторые приложения рассеивают больше энергии и требуют внешних тепловых решений, включая радиаторы.

Тепловыделение

Излучение, проводимость и конвекция — это три способа отвода тепла от устройства. В конструкциях печатных плат используются радиаторы для улучшения отвода тепла.Эффективность передачи тепловой энергии радиаторами обусловлена ​​низким тепловым сопротивлением между радиатором и окружающим воздухом. Тепловое сопротивление — это мера способности вещества рассеивать тепло или эффективность теплообмена через границу между различными средами. Радиатор с большой площадью поверхности и хорошей циркуляцией воздуха (воздушный поток) обеспечивает наилучшее рассеивание тепла.

Радиатор помогает поддерживать температуру соединения ниже указанной рекомендованной рабочей температуры.При использовании радиатора тепло от устройства течет от соединения головки к корпусу, затем от корпуса к радиатору и, наконец, от радиатора к окружающему воздуху. Поскольку цель состоит в том, чтобы уменьшить общее тепловое сопротивление, разработчики могут определить, требуется ли устройству радиатор для управления температурой, путем расчета теплового сопротивления с использованием моделей и уравнений тепловой цепи. Эти модели тепловых цепей подобны резистивным цепям, использующим закон Ома. На рисунке 1 показана модель теплового контура для устройства с теплоотводом и без него, отражающая путь теплопередачи через верхнюю часть корпуса.

Рисунок 1. Тепловая схема модели

Таблица 1 определяет параметры теплового контура. Тепловое сопротивление устройства зависит от суммы тепловых сопротивлений модели теплового контура, показанной на рисунке 1.

,Значение теплового сопротивления

— англо-французский словарь

^ru Тепловой экран имеет значение теплового сопротивления 6 секунд или более при 725 ° C при испытании с помощью термостойкого сопротивления с помощью горячего стержня.

патенты-wipo ^от ° до востребования соц # °, Агентство по качеству плюс обслуживание ^и Тепловая мощность (Pth) получается с использованием разности температур между значениями значения температуры, измеренные в двух разных местах, и значение теплового сопротивления (Rth).

патент-wipo ^от Je dois juste me resaouler

^ru В случае, когда необходимо управлять выработкой тепловой энергии, целевая рабочая температура может использоваться с температурой окружающей среды и мгновенным значением теплового сопротивления, чтобы определить его для оптимальный уровень питания.

патент-випо ^от Surprition du Ministre-Président Chargé de la Recherche scientifique, Arrête

^ru Замечательная корреляция наблюдается между значениями удельного теплового сопротивления и ударной метаморфической степенью.

Giga-fren ^от Tous médicaments vétérinaires non dischets dérivés de ces médicaments doivent ètre étre étre émélimine соответствия согласования aux exigences локали

^{en портативные устройства теплового управления для расчета тепловых характеристик и оптимальных тепловых характеристик для системы и метода с оптимальным тепловым вычислением в} системах и методах прогнозирования тепловых энергопотреблений уровни

патенты — wipo ^от Простите, мадемуазель, mais auriezvous la gentillesse ..?

^ru Полученные панели представляют собой экономически эффективные средства для достижения строителями требуемых значений теплового сопротивления для утепления стен, и они устраняют необходимость часто сложного заполнения стен на месте изоляционным материалом.

cordis ^от Les offres sont prissentées l’organisme d’tentteur du sucre Соответствие làannexe I

^ru С оценкой или измерением температуры окружающей среды, мгновенных значений рабочей температуры и уровня активной мощности Значения могут быть использованы для расчета мгновенного значения теплового сопротивления.

патенты-випа ^от Часть времени, заменяющая все необходимые взносы с точки зрения предпринимателей, в том числе дополнительные режимы работы (режим 9 базовых и режимных 9000 9000 и обязательные 9000 Значения теплового сопротивления соответствующих пороговых значений среды для интерфейсов между различными средами определяются, и положение и уровень интерфейсов определяются как точки пересечения соответственно функции второй абсолютной температуры (t (2?)

патентов -wipo ^от œ компьютер от # janvier #, посвященный ценностям, относящимся к товарам, относящимся к особенностям CECA и CE. тепла, уместно и удобно измерять рабочие характеристики непосредственно в терминах теплового сопротивления материала (R-значение), которое составляет o определяется путем деления толщины в метрах на теплопроводность в Вт / м · К, результат выражается в м2 · К / Вт.

Обычный обход ^от Arrête ta nostalgie et начало работы типов

^ru Высокое тепловое сопротивление огнеопасного сердечника (высокое значение R) обеспечивает большую часть теплоизоляции панели, в то время как периферийное сжато область и огнеупорные прокладки помогают предотвратить горение огнеопасного сердечника.

патенты-wipo ^от Selon un vieux dicton, il seit unulelement y избегать правосудия, mais aussi аппарат справедливости

^ru Изоляционные изделия по данному изобретению могут обеспечивать такое же тепловое сопротивление или R-значение с уменьшением в плотность волокна не менее примерно 20% или более при достижении приемлемого восстановления номинальной толщины после сжатия.

патент-wipo ^от Devinez ce que j ‘ai, Donna

^ru Тепловое сопротивление транзистора может быть установлено на определенное значение по отношению к тепловому сопротивлению другого транзистора.

патент-wipo ^от Уй, я восхищен, vraiment

^ru Существуют планы применения к одному из этих примеров сигналов, значение термического сопротивления которых трудно определить с помощью метода, о котором сообщается.

Спрингер ^от Номинальные жители Колумбии и Британии формируют критические критические высказывания в современной аудитории Комитетов по делам коммуны, французских и французских университетов 9000 человек 9000 человек Устройство для изготовления TCO состоит из разгрузочного устройства и устройства для проверки функций для измерения значения сопротивления теплового предохранителя путем приведения его в контакт с обоими концами проводящей тонкой пластины, что обеспечивает массовое производство TCO, которое может гарантировать стабильное производительность и надежность теплового предохранителя.

патенты-wipo ^от Je vous dirai tout en personne, mais je dois vous parler vous seule

^en Блок оценки частичного изменения температуры (204) оценивает среднюю температуру на основе потери полупроводникового элемента, Тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени на основе теплового сопротивления, тепловой постоянной времени и частоты пульсаций потери извлекают температуру огибающей пульсации, которая превышает максимальное значение пульсирующей температуры в зависимости от средней потери и частота пульсации добавляет среднюю температуру и температуру огибающей пульсации и оценивает изменение температуры полупроводникового элемента.

патент-wipo ^от Putain de merde!

^ru Изобретение относится к способу определения концентрации кислорода в образце полупроводникового материала, причем указанный способ включает этап термической обработки (F1) образца с целью формирования доноров тепла, измерение (F2). ) удельного сопротивления в одной области образца, определение (F3) концентрации термических доноров из отношения, выражающего подвижность носителей заряда в соответствии с концентрацией ионизированных легирующих примесей, путем добавления к концентрации легирующих примесей четырех умножить на концентрацию доноров тепла и измеренное значение удельного сопротивления.

патент-wipo ^от Ost e le le corps du golfeur?

^ru Способ получения теплопроводящего листа включает: этап (А) для приготовления композиции для формирования теплопроводящего листа путем диспергирования волокнистого наполнителя и сферического наполнителя в связующую смолу; этап (B) формирования формованного блока из приготовленной композиции для формирования теплопроводящего листа; этап (C) формирования листа путем нарезки формованного формованного блока до заданной толщины; и этап (D) для прессования нарезанной поверхности полученного листа, причем этап прессования представляет собой этап, на котором термическое сопротивление прессованного листа снижают до значения, которое ниже, чем у листа перед прессованием.

патенты-випа ^от «Производство по заказу», «Отпуск на работу», «Отпуск на работу», «Вознаграждение за работу», «Вознаграждение», «Возрождение и воспитание» de longues aiguilles, стандартная аэродинамическая характеристика Penicillium glaucum

^ru Аддитивные термические сопротивления облегчают вычисление общих значений коэффициента пропускания (U-значений).

Общий обход ^от Parc acte, il admet sa culpabilité

^ru В соответствии с изобретением измерительные средства (220) содержат электрическую цепь (219), содержащую по меньшей мере один индуктивный элемент (221), сконфигурированный так, чтобы индуцируют магнитное поле на изделии (100), которое включает в себя электропроводящие термочувствительные средства (130), которые передают сигнал на средства (240) управления, причем значение упомянутого сигнала является представлением полного сопротивления (Z) схемы ( 119), при этом полное сопротивление зависит от удельного сопротивления (p) термочувствительного средства (130), а средство управления (240) включает в себя, по меньшей мере, одну модель, соответствующую тепловому поведению этого удельного сопротивления (P), и имеет такую ​​конфигурацию, чтобы как преобразовать значение передаваемого сигнала в температуру.

Патенты-wipo ^от C ‘est triste

^en или тепловое сопротивление ($ g (D) t) и определенные пороговые значения.

патенты-wipo ^от Сеул ле сперме коллекционирование в соответствии с центральным соглашением о наличии дотаций в центрах складского хранения, без вступления в контакт с Avec Tout Autre Lot де Sperme ^ВЗЯТКА споры, выраженные в единицах величины D (выражение времени в минутах, необходимого для теплового разрушения одного логарифмического цикла спор) в препаратах заварного крема, уменьшились с 90 ° С до 100 ° С.

Спрингер ^от Содружество обязательных программ по естественным наукам численность населения; Эстимейт, точка соприкосновения, информация об участии в крупных мероприятиях и продвижении в средствах массовой информации. Согласование и сопоставление противоречий. сверхрешеточного теплового сопротивления легированного образца за счет присутствия электронов при низких температурах.

Спрингер ^от souligne que, depuis, le Parlement est devenu propriétaire de ces trois batiments, suite à la décision uniime prize par le Bureau le # octobre #; Сроки и условия финансового и юридического наследия.

^ru. Способы нанесения покрытия расплавленной фазой и устройство для напыления расплавленной фазы плиты из углеродистой стали (79) из отобранного углерода содержание в диапазоне от .02% C до .12% C, причем коррозионно-стойкий металл выбран таким образом, чтобы иметь значения теплового расширения и сжатия, совместимые со значениями стали, выбранной для такой плиты (79), для производства композитно-металлического изделия.

патенты-wipo ^от На voudrait vous parler à offer de votre ex copain, Travis Guthrie

^ru При нагревании при различных значениях pH фермент показал наибольшее термическое сопротивление при pH 3.

Гигафрен ^от Il me confia на бис: — Je n’ai alors rien su comprendre! J’aurais dű la juger sur les actes и non sur les mots. El m’embaumait et m’éclairait. Je n’aurais jamais dű m’enfuir!

^ru При использовании соединительных проводов со значениями сопротивления компенсационных резисторов R4 и R7 соотношение между выходным сигналом ST и сопротивлением терморезистора RT приводит к монотонной функции, которая не зависит от сопротивлений соединительных проводов. ,

патент-wipo ^от Мадам Ванденберг, К., stagiaire судебный суд для округа Брюгге.