Termistory: princip činnosti, typy a použití – NAPĚTÍ

Termistory jsou zařízení, která měří a regulují teplotu. Polovodičové rezistory, jejichž odpor je vysoce závislý na teplotě, se nazývají termistory.

Definice

Termistor, také známý jako termistor nebo tepelný odpor — je polovodičové zařízení, jehož elektrický odpor se mění v závislosti na jeho teplotě.

Schematické označení

Obecné označení

Typové označení (NTC, PTC)

Historie vývoje termistorů

Termistory byly vynalezeny v roce 1930 americkým inženýrem Samuelem Rubenem v laboratoři Westinghouse Electric. Zjistil, že odpor některých polovodičových materiálů silně závisí na teplotě. První termistory byly použity pro kompenzaci teplotního driftu v charakteristikách elektronických obvodů v telefonních ústřednách.

Postupem času našly termistory uplatnění v různých technických aplikacích, jako je měření a regulace teploty, omezení rázového proudu, ochrana proti přetížení a přehřátí, požární a bezpečnostní poplašné systémy.

Typy termistorů

Odpor termistoru je určen jeho materiálem a geometrií. Materiál termistoru ovlivňuje, jak se v něm elektrony pohybují při změnách teploty. Geometrie termistoru ovlivňuje, jak je elektrický proud distribuován po jeho povrchu.

Termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC).

Termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC) zvyšují svůj odpor s rostoucí teplotou. To se děje proto, že když se polovodičový materiál, ze kterého jsou vyrobeny, zahřeje, elektrony se stanou méně pohyblivými a obtížněji jím procházejí. Tyto termistory mají nelineární závislost odporu na teplotě, kterou lze popsat vzorcem:

R_T = R_0 (1 + alfa T)^beta

kde RT je odpor termistoru při teplotě T, R0 je odpor termistoru při určité základní teplotě, α a β jsou konstanty charakterizující materiál termistoru.

Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC).

Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC) snižují svůj odpor s rostoucí teplotou. To se děje proto, že když se zahřeje keramický nebo polymerní materiál obsahující kovové částice, elektrony se stanou mobilnějšími a snadněji jím projdou. Tyto termistory mají exponenciální závislost odporu na teplotě, kterou lze popsat vzorcem:

kde RT je odpor termistoru při teplotě T, R0 je odpor termistoru při nějaké základní teplotě T0, B je konstanta charakterizující materiál termistoru.

Hlavní charakteristiky termistorů

Hlavní charakteristiky termistorů závisí na jejich typu, materiálu a provedení. Zde jsou některé běžné hodnoty pro PTC a NTC termistory:

Tabulka charakteristik termistoru

Tyto hodnoty se mohou lišit v závislosti na konkrétním modelu termistoru a výrobci. Pro podrobnější informace se můžete podívat na technické specifikace termistoru, který vás zajímá.

Odpor termistoru — je veličina měřená v ohmech, která určuje její elektrické chování. Hraje klíčovou roli v činnosti termistoru, protože se výrazně mění v závislosti na teplotě. Teplotní koeficient odporu (TCR) udává, jak moc se změní odpor termistoru při změně teploty o jeden stupeň Celsia. U záporných termistorů je TCR záporné, to znamená, že jejich odpor klesá s rostoucí teplotou a u kladných termistorů je kladný, což znamená, že jejich odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Rozsah provozních teplot — toto je oblast, ve které je termistor schopen spolehlivě pracovat bez ztráty svých vlastností. Různé typy termistorů mohou mít různé teplotní rozsahy, což určuje jejich vhodnost pro použití v konkrétních provozních podmínkách. Dalším důležitým aspektem termistorů je jejich přesnost, která určuje, jak přesně jejich měření teploty odpovídá skutečné teplotě. Vysoká přesnost je zvláště důležitá pro aplikace vyžadující přesná měření, jako je laboratorní výzkum.

Stabilita termistoru – je jeho schopnost udržet si nezměněné vlastnosti po dlouhou dobu. Vysoká stabilita je kritická, pokud je termistor používán v dlouhodobých aplikacích, kde spolehlivost a přesnost měření musí zůstat konstantní po mnoho let.

Jak fungují termistory

Princip činnosti termistorů je založen na změně jejich odporu v závislosti na teplotě. Termistory jsou vyrobeny z polovodičových materiálů, jako je křemík, germanium nebo oxidy kovů. Vodivost polovodičů závisí na koncentraci volných nosičů náboje. Se zvyšující se teplotou se zvyšuje koncentrace volných nosičů náboje v polovodiči, což vede ke zvýšení jeho vodivosti a v důsledku toho ke snížení odporu.

Termistory se záporným teplotním koeficientem (NTC) mají tedy odpor, který se s rostoucí teplotou snižuje. To je způsobeno skutečností, že s rostoucí teplotou v polovodiči klesá koncentrace volných nosičů náboje, což vede ke snížení jeho vodivosti a tím i odporu.

Termistor s kladným teplotním koeficientem (PTC) má odpor, který se zvyšuje s rostoucí teplotou. To je způsobeno skutečností, že s rostoucí teplotou v polovodiči se zvyšuje koncentrace volných nosičů náboje, což vede ke zvýšení jeho vodivosti a tím i odporu.

Změny teploty ovlivňují elektrické vlastnosti termistorů, jako je napětí, proud, výkon a koeficient teplotní závislosti. Je-li například termistor připojen ke zdroji konstantního napětí, pak se zvyšující se teplotou proud protékající termistorem NTC poroste a přes termistor PTC se sníží. Výkon rozptýlený termistorem bude také záviset na jeho odporu a teplotě. Koeficient teplotní závislosti je parametr, který charakterizuje rychlost změny odporu termistoru s teplotou. Dá se vyjádřit jako:

alfa = frac frac

kde R je odpor a T je teplota. Pro NTC termistory je α záporné a pro PTC termistory kladné.

Matematická složka

Odpor termistoru závisí na teplotě podle nelineárního zákona, který lze vyjádřit jako

R = R_0 e^

kde R je odpor při teplotě T, R0 je odpor při standardní teplotě T0, β je materiálová konstanta termistoru.

Teplotu termistoru lze vypočítat z odporu pomocí vzorce

T = zlomek

kde R je odpor při teplotě T, R0 je odpor při standardní teplotě T0, β je materiálová konstanta termistoru.

Proud přes termistor lze určit pomocí Ohmova zákona jako

kde I je proud, V je napětí, R je odpor termistoru.

Napětí na termistoru lze určit pomocí Ohmova zákona jako

kde V je napětí, I je proud, R je odpor termistoru.

Výkon rozptýlený termistorem lze určit podle vzorce

P = VI = I^2 R = frac

kde P je výkon, V je napětí, I je proud, R je odpor termistoru.

Aplikace termistorů

Použití termistorů pro teplotní kompenzaci

Termistory lze použít pro teplotní kompenzaci různých elektrických parametrů. Například termistory lze použít ke kompenzaci změny odporu rezistoru v závislosti na teplotě. To může být užitečné v aplikacích, kde je nutné udržovat stabilní odpor rezistoru v širokém teplotním rozsahu.

Pro teplotní kompenzaci je termistor obvykle zapojen do série s odporem, který má být kompenzován. Při změně teploty se odpor termistoru mění v opačném směru, než je změna odporu rezistoru. To má za následek, že celkový odpor obvodu zůstává prakticky nezměněn.

Regulace proudu a napětí pomocí termistorů

Termistory lze použít k regulaci proudu a napětí v různých zařízeních. Například termistory lze použít k omezení proudu v obvodu. Za tímto účelem je termistor zapojen do série se zátěží. S rostoucím proudem se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles proudu v obvodu.

Termistory lze také použít k regulaci napětí. Za tímto účelem je termistor zapojen paralelně se zátěží. S rostoucím napětím se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles napětí na zátěži.

Ochrana proti přehřátí a přetížení

Termistory lze použít k ochraně elektrických zařízení před přehřátím a přetížením. Termistory lze například použít k ochraně elektromotorů před přehřátím. Za tímto účelem je termistor zapojen do série s motorem. S rostoucí teplotou se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles proudu v obvodu. Tím se sníží výkon spotřebovávaný motorem a zabrání se jeho přehřátí.

Termistory lze také použít k ochraně elektrických zařízení před přetížením. Za tímto účelem je termistor zapojen paralelně se zátěží. S rostoucím proudem se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles napětí na zátěži. To může způsobit vypnutí zařízení a zabránit poškození zařízení.

Příklady použití termistorů pro teplotní kompenzaci, regulaci proudu a napětí, ochranu proti přehřátí a přetížení

Zde je několik konkrétních příkladů použití termistorů pro teplotní kompenzaci, regulaci proudu a napětí, ochranu proti přehřátí a přetížení:

• V digitálních teploměrech se termistory používají jako teplotní senzory. Při změně teploty se mění odpor termistoru, což vede ke změně napětí na něm. Tato změna napětí je měřena elektronickou jednotkou teploměru a použita k určení teploty.
• V obvodech ochrany před přehřátím elektromotoru se termistory používají k zabránění přehřátí elektromotorů. S rostoucí teplotou se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles proudu v obvodu. Tím se sníží výkon spotřebovávaný motorem a zabrání se jeho přehřátí.
• V regulátorech napětí se termistory používají k regulaci napětí na zátěži. S rostoucím napětím se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles napětí na zátěži.
• V obvodech ochrany proti přetížení se termistory používají k ochraně elektrických zařízení před přetížením. S rostoucím proudem se zvyšuje odpor termistoru, což má za následek pokles napětí na zátěži. To může způsobit vypnutí zařízení a zabránit poškození zařízení.

Závěr

Termistory jsou elektronické součástky, které mění svůj odpor v závislosti na teplotě. Mají široké uplatnění v různých oborech jako je elektronika, energetika, medicína, automatizace a další. Termistory lze použít pro teplotní kompenzaci, regulaci proudu a napětí, ochranu proti přehřátí a přetížení a pro vytváření inteligentních a adaptivních systémů. Termistory jsou klasifikovány podle typu teplotního koeficientu (NTC nebo PTC), materiálu, tvaru a vlastností. Mechanismus změny odporu termistorů souvisí s jejich polovodičovým charakterem a energetickou mezerou mezi valenčním a vodivým pásem.

Tagy: # Historie vývoje termistoru# Definice termistoru# Hlavní charakteristika termistoru# Princip činnosti termistoru# Schématické označení termistoru# Typy termistorů