Про терморезисторы (NTC 10D-9 Thermal Resistor)

Что такое термистор NTC

Под термистором NTC стоит понимать компоненты, показатель сопротивления которых варьируется под воздействием температурного режима. Сфера применения данного радиоэлемента зависит от его свойств. В основном термисторы нужны, чтобы проводить измерения и контролировать показатели температуры. Также применяются для обнаружения жидкости или фиксации ее отсутствия. Встречаются термисторы NTC и в устройствах по ограничению тока. Спектр их использования широк, начиная от радиолюбителей и заканчивая солидными масштабными производствами.

Из задач, возлагаемых на термисторы NTC, важной считается контроль температуры. Поэтому без этих элементов сложно обойтись разработчикам и сложного промышленного оборудования, и простых приборов бытового назначения.

На современном рынке представлен большой выбор термисторов NTC от производителей, представляющих разные страны мира. Впервые этот элемент был изобретен в далеком 1930 году. Его представил ученый Самюэль Рубен.

Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытием

Стекловолокно с термистором NTC Это датчики температуры NTC, запечатанные в воздухонепроницаемом стеклянном пузыре. Они предназначены для использования при температурах выше 150 ° C или для монтажа на печатной плате, где требуется прочность. Инкапсуляция термистора в стекле повышает стабильность датчика, а также защиту датчика от окружающей среды. Они изготавливаются герметично уплотняющими резисторами типа NTC в стеклянный контейнер. Типичные размеры колеблются от 0,4 до 10 мм в диаметре.

Типичные области применения

Терморезисторы NTC с инкапсулированным покрытием.

Термисторы NTC используются в широком спектре применений. Они используются для измерения температуры, температуры управления и температурной компенсации. Они также могут использоваться для обнаружения отсутствия или наличия жидкости, в качестве устройств ограничения тока в цепях питания, мониторинга температуры в автомобильных агрегатах и многих других. Датчики NTC можно разделить на три группы, в зависимости от электрической характеристики, используемой в агрегатах и устройствах.

Характеристика сопротивления-температуры

Типичные области применения.

Приложения, основанные на характеристике сопротивления-времени, включают измерение температуры, контроль и компенсацию. К ним также относятся ситуации, в которых используется термистор NTC, так что температура датчика температуры NTC связана с некоторыми другими физическими явлениями. Эта группа агрегатов требует, чтобы термистор работал в условиях нулевой мощности, что означает, что ток проходящий через него поддерживается как можно на более низком уровне, чтобы избежать нагрева зонда.

Текущая временная характеристика

Устройствами, основанными на характеристике текущего времени, являются: временная задержка, ограничение пускового тока, подавление перенапряжений и многое другое. Эти характеристики связаны с теплоемкостью и постоянной диссипации используемого термистора NTC. Схема обычно полагается на термистор NTC, нагреваясь из-за проходящего через него тока. В какой-то момент это вызовет какое-то изменение в схеме, в зависимости от устройства, в котором оно используется.

Характеристика напряжения

Устройства, основанные на характеристике напряжения и тока термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения схемы, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от применения это может использоваться для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.
NTS термисторный символ.

Ассортимент термисторов NTC

Основная классификация по видам связана с производственным процессом, который был использован при изготовлении радиоэлемента:

• бисерные;
• дисковые и чиповые;
• в оболочке из стекла.

Бисерный термистор специально запекается в корпусную часть, сделанную из керамического материала. Сам же компонент — это сплав платины в свинцовом проводе. Отличается данный вид быстрым откликом. Термистор способен бесперебойно функционировать при температурном режиме с высокими показателями.

Чиповые и дисковые терморезисторы, как правило, изготавливаются из металлизированных контактов. Они имеют способность выдерживать воздействие больших токов.

Термисторы, оборудованные стеклянной оболочкой, могут функционировать при температурном режиме +150 градусов и выше. Это герметизированные радиоэлементы, которые запечатаны в стеклянный пузырек, не пропускающий поток воздуха. Они не подвержены воздействию климатических условий, поэтому могут устанавливаться на открытых поверхностях плат.

Все вышеуказанные виды имеют хорошие показатели механической прочности корпуса, высокую чувствительность и надежны на практике, что делает возможным их использование в моторах, флуоресцентных лампах, трансформаторах, электродвигателях с постоянным током не выше 20 А, бытовой, промышленной и автоэлектронике, мобильных устройствах, современных мониторах с характеристиками LCD и HDD.

Группы терморезисторов, их характеристики

Все терморезисторы NTC делятся на группы в зависимости от показателей температуры, которую они способны выдерживать. Этот параметр объясняет, в каком режиме способно работать устройство, а где оно попросту не сможет справляться со своими функциональными обязанностями.

Терморезисторы бывают:

• низкотемпературные (до 170К);
• среднетемпературные (170–510К);
• высокотемпературные (900–1300К).

Терморезисторы разделяют также на термисторы и позисторы. У первых отрицательный температурный коэффициент (ТКС), у вторых — положительный. Известна еще одна разновидность — комбинированный компонент. Например, терморезистор NTC, который имеет косвенный нагрев. В корпусе устройства есть датчик, оснащенный нагревательным элементом. Он задает температуру терморезистору и начальное сопротивление тока. Эти радиоэлементы на практике встречаются в виде переменных резисторов, контролирующих напряжение, приложенное к датчику нагрева.

Классификация в зависимости от принципа действия

Исходя из принципа действия, терморезисторы делят на:

• контактные;
• бесконтактные.

К первой категории принято относить элементы биметаллического типа, разные термодатчики, а также термопары. Если речь идет о бесконтактном принципе действия, значит это датчики с инфракрасной опцией. Они способны определять ИК-излучение и оптические лучи, которые выделяются жидкостью и газами.

Характеристика напряжения

Устройства, основанные на характеристике напряжения и тока термистора, обычно включают изменения условий окружающей среды или изменения схемы, которые приводят к изменениям рабочей точки на заданной кривой в цепи. В зависимости от применения это может использоваться для ограничения тока, температурной компенсации или измерения температуры.

Обозначения и расшифровка маркировки

Бывает несколько типов маркировки. Например, из букв или разных цветов, нанесенных полосок или других изображений на поверхность термистора. Все зависит от производителя, конкретного вида элементов. Примерная система обозначений представлена на картинке ниже. Вариантов настолько много, что расшифровать их даже опытному мастеру не всегда удается правильно. В таком случае лучше полагаться на технические данные, которые есть на сайте производителя термистора в описании конкретного элемента.

Разберем пример — термистор NTC с маркировкой 10 D-9. Первая цифра «10» говорит о том, что 10 Ом при 25 градусах Цельсия составляет сопротивление датчика. Его диаметр равен 9 мм. Чем больше будет это значение, тем выше мощность, которую он рассеивает. Чтобы лучше разобраться с маркировкой цветом, следует пользоваться таблицей или смотреть описание характеристик в справочнике. Все производители уточняют эту информацию для линейки своей продукции.

Форма полупроводника может быть разной: тонкие трубы, крупные шайбы, пластины разной толщины и небольшие элементы разных видов. Есть даже детали, габариты которых исчисляются несколькими микронами. На картинке ниже представлен ассортимент полупроводников, встречающихся чаще других на современном рынке.

Расчёт таблицы значений

Вашему вниманию предлагаю скрипт для онлайн расчёта таблицы значений АЦП.

Расчёт значений ведётся либо по двум значениям температур и сопротивлений, либо вводится списком, либо используется одна из предзагруженных R/T характеристик. В настоящее время загружены R/T характеристики термисторов фирмы Siemens/EPCOS. Выберите подходящую из списка.

Загруженные характеристики даны с шагом 5°С, при выборе меньшего шага сетки, значения получаются путём интерполяции по формулам [1]

и
[2]
двух ближайших значений из таблицы.

При построении таблицы автоматически соответствующим образом обновляется пример исходного кода под ней.

Внимание!

Так как параметры термисторов в значительной мере нелинейны, расчёт по двум значениям сопротивлений, либо по значению и коэффициенту будет очень приблизительным. Вычисленное значение температуры при измерении высоких, или низких температур в таком случае может значительно (на десятки градусов) отличаться от актуальной.

Чтобы узнать подходящий тип R/T характеристики для вашего термистора, скачайте документацию, данную заводом изготовителем.

Сводная таблица для некоторых моделей термисторов Siemens/Epcos приведена ниже. Нажмите на код R/T характеристики, чтобы подгрузить параметры в форму ниже:

Форма для он-лайн расчёта значений АЦП

Пояснения к таблице:

жирным

выделены значения R/R1 и R, полученные на основе табличных. Обычным шрифтом обозначены значения полученные интерполяцией или экстраполяцией по формулам.

ADC

– округлённое значение на выходе АЦП, с учётом множителя. Значения, выходящие за предел измерений АЦП, не отображаются.

I,мкА

— ток в цепи.

P,мВт

— мощность, рассеиваемая на термисторе.

E

– эвристическая оценка возможной погрешности вычисленной температуры, вызванной использованием линейной интерполяции табличных значений, и ограниченной точностью АЦП. Позволяет выбрать параметры и схему включения таким образом, чтобы в области измеряемых значений погрешность была минимальна. Эта оценка не учитывает возможный шум, возникающий на АЦП, а также погрешность, вызванную нагревом термистора из-за протекающих токов. Погрешность можно уменьшить выбрав меньший шаг таблицы, используя АЦП большей разрядности, или путём усреднения большего числа измерений, а также подбором номиналов сопротивлений в цепи.

Код, соответствующий таблице

#include #include // Значение температуры, возвращаемое если сумма результатов АЦП больше первого значения таблицы #define TEMPERATURE_UNDER 0 // Значение температуры, возвращаемое если сумма результатов АЦП меньше последнего значения таблицы #define TEMPERATURE_OVER 0 // Значение температуры соответствующее первому значению таблицы #define TEMPERATURE_TABLE_START 0 // Шаг таблицы #define TEMPERATURE_TABLE_STEP 50 // Тип каждого элемента в таблице, если сумма выходит в пределах 16 бит — uint16_t, иначе — uint32_t typedef uint16_t temperature_table_entry_type; // Тип индекса таблицы. Если в таблице больше 256 элементов, то uint16_t, иначе — uint8_t typedef uint8_t temperature_table_index_type; // Метод доступа к элементу таблицы, должна соответствовать temperature_table_entry_type #define TEMPERATURE_TABLE_READ(i) pgm_read_word(&termo_table
) /* Таблица суммарного значения АЦП в зависимости от температуры. От большего значения к меньшему Для построения таблицы использованы следующие парамертры: */ const temperature_table_entry_type termo_table[] PROGMEM = { 0 // Нажмите «Построить таблицу» на форме выше, чтобы заполнить этот массив }; // Функция вычисляет значение температуры в десятых долях градусов Цельсия // в зависимости от суммарного значения АЦП. int16_t calc_temperature(temperature_table_entry_type adcsum) { temperature_table_index_type l = 0; temperature_table_index_type r = (sizeof(termo_table) / sizeof(termo_table[0])) — 1; temperature_table_entry_type thigh = TEMPERATURE_TABLE_READ(r); // Проверка выхода за пределы и граничных значений if (adcsum <= thigh) { #ifdef TEMPERATURE_UNDER if (adcsum < thigh) return TEMPERATURE_UNDER; #endif return TEMPERATURE_TABLE_STEP * r + TEMPERATURE_TABLE_START; } temperature_table_entry_type tlow = TEMPERATURE_TABLE_READ(0); if (adcsum >= tlow) { #ifdef TEMPERATURE_OVER if (adcsum > tlow) return TEMPERATURE_OVER; #endif return TEMPERATURE_TABLE_START; } // Двоичный поиск по таблице while ((r — l) > 1) { temperature_table_index_type m = (l + r) >> 1; temperature_table_entry_type mid = TEMPERATURE_TABLE_READ(m); if (adcsum > mid) { r = m; } else { l = m; } } temperature_table_entry_type vl = TEMPERATURE_TABLE_READ(l); if (adcsum >= vl) { return l * TEMPERATURE_TABLE_STEP + TEMPERATURE_TABLE_START; } temperature_table_entry_type vr = TEMPERATURE_TABLE_READ(r); temperature_table_entry_type vd = vl — vr; int16_t res = TEMPERATURE_TABLE_START + r * TEMPERATURE_TABLE_STEP; if (vd) { // Линейная интерполяция res -= ((TEMPERATURE_TABLE_STEP * (int32_t)(adcsum — vr) + (vd >> 1)) / vd); } return res; }

Основные характеристики терморезисторов

Важно обращать внимание на характеристики термисторов NTC. Они могут меняться по ряду причин: производитель, тип и применяемый материал. В первую очередь покупатель должен изучить размер. Нужно, чтобы элемент подошел по габаритам, то есть, поместился на плате во время монтажа.

Следующие важные пункты:

• сопротивление RT;
• постоянная времени;
• коэффициент рассеивания.

Это основные моменты, которые нужно учитывать при покупке детали.

Характеристики нагрева

Есть 2 типа терморезисторов, если полагаться на способ нагревания, положенный в основу их принципа действия:

• косвенный;
• прямой.

При косвенном нагреве будет изменяться температура термистора под воздействием элементов, размещенных рядом с ним.

При прямом она также меняется, но только под влиянием окружающего воздуха или тока, который проходит через элемент. В этом и заключается основное отличие.

Программа для вычисления температуры на термисторе

Чтобы вычислить значение температуры используют формулу Стейнхарта — Харта:

Уравнение имеет параметры A,B и C, которые нужно брать из спецификации к датчику. Так как нам не требуется большой точности, можно воспользоваться модифицированным уравнением (B-уравнение):

В этом уравнении неизвестным остается только параметр B, который для NTC термистора равен 3950. Остальные параметры нам уже известны:

• T0 — комнатная температура в Кельвинах, для которой указывается номинал термистора; T0 = 25 + 273.15;
• T — искомая температура, в Кельвинах;
• R — измеренное сопротивление термистора в Омах;
• R0 — номинальное сопротивление термистора в Омах.

Модифицируем программу для Ардуино, добавив расчет температуры:

#define B 3950 // B-коэффициент #define SERIAL_R 102000 // сопротивление последовательного резистора, 102 кОм #define THERMISTOR_R 100000 // номинальное сопротивления термистора, 100 кОм #define NOMINAL_T 25 // номинальная температура (при которой TR = 100 кОм) const byte tempPin = A0; void setup() { Serial.begin( 9600 ); pinMode( tempPin, INPUT ); } void loop() { int t = analogRead( tempPin ); float tr = 1023.0 / t — 1; tr = SERIAL_R / tr; Serial.print(«R=»); Serial.print(tr); Serial.print(«, t=»); float steinhart; steinhart = tr / THERMISTOR_R; // (R/Ro) steinhart = log(steinhart); // ln(R/Ro) steinhart /= B; // 1/B * ln(R/Ro) steinhart += 1.0 / (NOMINAL_T + 273.15); // + (1/To) steinhart = 1.0 / steinhart; // Invert steinhart -= 273.15; Serial.println(steinhart); delay(100); }

Результат:

Уже лучше! Программа показывает нам температуру в градусах Цельсия. Как и ожидалось, она немного ниже 25 C°.

Проверка исправности детали

Для начала нужно перевести мультиметр в режим, который позволит провести замер сопротивления. После этого подключить щупы к ножкам радиоэлемента. Зафиксировать сопротивление и поднести паяльник к элементу. Записывать показатели сопротивления лучше на бумаге. Паяльник нужно заранее разогреть. Провести контрольные измерения. Если сопротивление будет падать, значит, термистор работает правильно. Если это позистор, то сопротивление должно расти.

Например, при проверке термистора NTC MF 72 сопротивление равно 6.9 Ом, но при изменении температуры с помощью паяльника снижается до 2 Ом. Результат тестирования — исправен.

Когда сопротивление остается прежним или резко меняется, можно полагать, что термистор NTC вышел из строя. Хотелось бы дополнительно заметить, что подобные проверки крайне не рекомендованы, поскольку являются грубыми. Если стоит цель точно проконтролировать термистор, нужно проверить его температуру, затем — сопротивление. Данные нужно сравнить с параметрами, которые указывает производитель в характеристиках.

NTC термистор

Что такое термисторы NTC? Термистор, встроенный в зонд из нержавеющей стали, представляет собой «отрицательный температурный коэффициент». Термисторы NTC — это резисторы с отрицательным температурным коэффициентом, что означает, что сопротивление уменьшается с повышением температуры.
Они в основном используются как резистивные температурные датчики и токоограничивающие устройства. Коэффициент температурной чувствительности примерно в пять раз больше, чем у кремниевых температурных датчиков (силисторы) и примерно в десять раз больше, чем у датчиков температуры сопротивления (RTD). Датчики NTC обычно используются в диапазоне от -55 ° C до 200 ° C.

ntc термистор характеристики.

Нелинейность связи между сопротивлением и температурой, проявляемая резисторами NTC, представляла собой большую проблему при использовании аналоговых схем для точного измерения температуры, но быстрое развитие цифровых схем позволило решить эту задачу, позволяющую вычислять точные значения путем интерполяции таблиц поиска или путем решения уравнений которые приближаются к типичной кривой NTC.

Преимущества NTC

Термисторы пользуются гораздо большим спросом, нежели позисторы. Есть у них ряд преимуществ. Это элементы, которые можно стабильно использовать долгий срок, не волнуясь за их выход из строя, даже несмотря на экстремальные условия среды. Еще один плюс — компактные габариты.

Упаковка настолько удобна, что применение радиоэлементов возможно на небольшой территории или в ограниченном пространстве, для них не нужно много места на плате. Еще одно достоинство — быстрое время отклика. Они реагируют на изменения температурного режима, если есть необходимость в обратной связи. Показатели экономичности не менее важны.

Мастер может рассчитывать на недорогую цену, а еще простую установку. Но даже столь выгодный элемент не лишен недостатка. Он заключается в том, что в условиях современного производства отсутствует возможность производить его в массовом тираже, соблюдая идентичность характеристик. Параметры сильно отличаются. Это касается случаев, когда элементы выпускаются одной партией. По этой причине нужно повторно проводить настройку оборудования.

Популярные термисторы

Как уже упоминалось выше, сегодня известно много форм и видов термисторов. Часто встречаются детали в феноле со специальным окрашиванием. Какой вид или форма являются самыми популярными, утверждать однозначно и точно не получится. Форма зависит от того, какая задача возложена на термистор, значение имеют и его характеристики.

Бисерные термисторы считаются оптимальным решением для монтажа в устройство. Дисковый вариант более уместен для поверхности с оптическими свойствами. Если говорить о чиповой форме, монтаж рекомендован на печатной плате. Определяясь с этой характеристикой, мастеру стоит учитывать, насколько плотным должен быть контакт поверхности и устройства. Каким бы ни был тип термистора, важно, чтобы для его соединения с поверхностью использовались теплопроводяшая паста или эпоксидный клей, не имеющие свойств электропроводности.

Если стоит задача заменить терморезистор, следует использовать аналогичный элемент, изучив его характеристики в справочнике или техдокументации. Мастер может заменить термистор на обычный проволочный резистор, но только при условии подобного опыта в прошлом, если в предыдущий раз не было проблем с функционированием прибора. Обязательно следует проверить условия опциональности элемента как по времени, так и по напряжению. Также важно понимать, выполняет ли новый резистор функции термистора в полной мере.

Подключение термистора к Ардуино

Чтобы измерить сопротивление термистора, подключим его в качестве нижнего плеча делителя напряжения. Среднюю же точку делителя подключим к аналоговому входу Ардуино — A0. Подобный способ использовался в уроке про фоторезистор.

Подробно об аналоговых входах Ардуино мы говорили на уроке: Аналого-цифровые преобразования — АЦП

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Какое сопротивление должен иметь резистор в верхнем плече делителя? Как правило, используют резистор с сопротивлением, совпадающим по порядку с номиналом термистора. В нашем уроке мы используем резистор на R1 = 102 кОм, его легко получить последовательным соединением двух резисторов на 51 кОм.

Больше о сфере применения

Все терморезисторы могут быть задействованы в достаточно широкой сфере применения. Если речь идет о более дорогом устройстве, это позволяет сделать его частью сложного производственного оборудования или применять как предохранитель. Специалисты подключают термисторы к реле. Это позволяет отключить систему автоматически, как только она фиксирует перегрев. По цене термисторы стоят гораздо дешевле, чем другие компоненты. Это и объясняет большой спрос на них на рынке. Применяют их как в быту, так и на производстве.

При правильной настройке и монтаже термистора, он может стать элементом для проверки температурного режима на улице или в помещении. С его помощью можно отслеживать любые его изменения. Конечно, речь не идет о настолько верных измерениях, как это требуется на производственных площадях. Шага в один градус будет вполне достаточно. Также деталь часто используется в защитной системе двигателя от перегрева. В таком случае специалист соединяет ее с реле. Если случается угроза нагревания, нарушающая все допустимые меры безопасного режима, двигатель отключается. При наличии опыта можно включить термистор в систему бортового ПК. Это позволяет отслеживать показатели на мониторе, что является весьма удобным решением на практике.

Все терморезисторы выпускаются в корпусах с защитными свойствами, что позволяет исключить влияние влаги на них. Это положительно отражается на сроках службы элемента. Если специалист правильно подберет терморезистор, он может рассчитывать на длительное использование элемента и оборудования, в котором он будет установлен.

Программа для вычисления сопротивления термистора

Первая программа, которую мы напишем, будет вычислять сопротивление термистора в Омах.

#define SERIAL_R 102000 // сопротивление последовательного резистора, 102 кОм const byte tempPin = A0; void setup() { Serial.begin( 9600 ); pinMode( tempPin, INPUT ); } void loop() { int t = analogRead( tempPin ); float tr = 1023.0 / t — 1; tr = SERIAL_R / tr; Serial.println(tr); delay(100); }

Результат работы программы:

Можно заметить, что измеренное сопротивление термистора меньше 100 кОм, значит температура окружающей среды ниже 25 C°. Следующий шаг — вычисление температуры в градусах Цельсия.