3. Полупроводниковые терморезисторы
Сопротивление
полупроводниковых терморезисторов
(термисторов) резко уменьшается с ростом
температуры. Их чувствительность
значительно выше, чем металлических,
поскольку температурный коэффициент
сопротивления полупроводниковых
терморезисторов примерно на порядок
больше, чем у металлических. Если для
металлов α = (4÷6) 10-3
1/ºС, то для полупроводниковых
терморезисторов
.
Правда, для термисторов этот коэффициент
непостоянен, он зависит от температуры
и им редко пользуются при практических
расчетах.
Основной характеристикой терморезистора является зависимость его сопротивления от абсолютной температуры Т:
(6)
где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.
Сравнение формулы (6) с формулой (1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.
Вообще
чувствительность терморезистора (как
датчика температуры) можно оценить как
относительное изменение его сопротивления
(
),
деленное на вызвавшее это изменение
приращение температуры:
(7)
В
пределе при
(8)
Для
металлического терморезистора
чувствительность можно получить,
дифференцируя (4). Следовательно,
,
т. е. именно температурный коэффициент
сопротивления определяет чувствительность.
Для полупроводникового терморезистора (термистора) чувствительность получим, дифференцируя (6):
(9)
Из (9) видно, что чувствительность термистора имеет нелинейную зависимость от температуры.
Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобальтово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 2 показаны зависимости сопротивления от температуры для термисторов этих типов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, больше для КМТ).
Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20 °С называют номинальным или холодным сопротивлением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта величина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.
Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120 °С, а для типа КМТ - 180 °С.
Рис.
2. Зависимости сопротивления от температуры
для термисторов и медного терморезистора
Рис.
3. Конструкции термисторов
Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 3 показаны некоторые конструкции термисторов.
Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стержня 1, покрытого эмалевой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 3, б) также состоят из полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металлической фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышенной влажности.
На рис. 3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика 1 диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами помещен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от -70 до +250 °С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.