Orbis pictus 21. století

1. Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

2. Orbis pictus 21. století Termistory Obor: ElektrikářRočník: 1.Vypracoval:Ing. Ivana Jakubová OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3. Obsah prezentace: • Závisle proměnné rezistory • Co je termistor • Charakteristiky termistorů a jejich aproximace • NTC termistory • PTC termistory (pozistory) • Vlastnosti a konstrukce termistorů • Příklady výrobků a jejich použití • V prezentaci jsou použity údaje a obrázky z podkladů výrobců, z otevřené encyklopedie wikipedie a z článku V. Špringla dostupného na http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART1141-Mereni-teploty---polovodicove-odporove-senzory-teploty.html (cit. duben 2010).

4. Závisle proměnné rezistory • V prezentaci o rezistorech byly zmíněny proměnné rezistory (poten-ciometry, trimry). Proměnný odpor mají také v laboratořích použí-vané tzv. reostaty. Žádoucí změny odporu se dosahuje zásahem uživatele, který nastavuje odpor podle potřeby manuálně nebo nástrojem (šroubovákem). • Dále byla v prezentaci o rezistorech zmíněna nežádoucí změna odporu rezistoru s některými provozními podmínkami (zejména teplotou, ale i napětím, proudem, stárnutím apod.) • U závisle proměnných rezistorů je (pokud možno značná) změna jejich odporu naopak žádoucí a je v aplikacích cíleně využívána. Prakticky se využívá zejména změna odporus teplotouutermistorůa s přiloženým napětím uvaristorů.

5. Termistor • je teplotně závislý proměnný rezistor. Název vznikl zkrácením anglického označení thermally sensitive resistor. • U kovů odpor s teplotou vzrůstá, což se dá vysvětlit tím, že částice krysta-lové mřížky se se zvýšenou teplotou více rozkmitají a také rychlost chao-tického pohybu elektronů se zvýší, což oboje brzdí orientovaný pohyb elektronů, tedy klade zvýšený odpor průchodu elektrického proudu. • U polovodičových materiálů je mechanismus vzniku volných nosičů nábo-je jiný a zvýšená teplota většinou podporuje zvýšení jejich počtu (např. uvolňováním dosud vázaných elektronů) . Proto u polovodičů s teplotou obvykle odpor klesá. Termistory s negativním teplotním koeficientem odporu se přesněji označují jako NTC termistory (z angl. Negative temperature coefficient, označení negistor, negastor se objevuje zřídka). • U některých polovodivých materiálů je tvar závislosti odporu na teplotě komplikovanější a zahrnuje oblast, kde odpor s teplotou roste a teplotní koeficient odporu je tedy kladný. Takové termistory se označují PTC termistory nebo pozistory.

6. Charakteristika termistoru • je závislost odporu termistoru R[Ω] na absolutní teplotěT[K]. Tato závislost je značně nelineární. Pokud má být termistor využíván k přesnému měření teplot v širokém rozsahu, musí být tato nelineari-ta respektována. V dokumentaci výrobců pak najdeme buď poměrně podrobné tabulky závislosti odporu na teplotě nebo přímo koeficien-ty, které po dosazení do aproximační funkce popisují složitý tvar závislostí R(T) a T(R). • Některé příklady katalogových údajů a používaných aproximací závislosti odporu na absolutní teplotě v kelvinech budou uvedeny dále.

7. Příklady z katalogu - tabulka R(T) Poznámka: Pro názornost jsou údaje z prvního sloupce pro ter-mistor K164N100 vyneseny do grafu R(T).

8. Příklad z dokumentace výrobce Vishay: aproximační konstanty Příklad barevného kódu 2381 640 6.473 tol. R 2%

9. Přibližná aproximace RT charakteristiky • Jak je vidět z předchozích ukázek, je přesné vystižení nelineární závislosti odporu termistoru na teplotě poměrně výpočetně náročné. Použití konstant z předchozí ukázky umožňuje určit teplotu s chybou řádu tisícin kelvinu. • V mnohých případech však nepotřebujeme pokrýt celý dostupný rozsah teplot, ale stačí jen určitý omezený interval i menší přesnost . Pak také aproximační funkce může být podstatně jednodušší. • Obvykle se užívá exponenciální funkce: R(T)=R(T0)·exp[B·(1/T-1/T0)], kde referenční odpor R(T0) je dán geometrickými rozměry a materiálem a udává se pro nějakou referenční teplotu, obvykle pro 298,15 K (tj. 25°C). Konstanta B je dána pouze materiálem termistoru. Lze ji vyjádřit z po-měru odporů termistoru změřených při dvou různých teplotách, obvykle při teplotách 298,15 K a 358,15 K (tj. 25 a 85°C - odtud označení B25/85). B25/85 je v kelvinech (řádově tisíce kelvinů, viz uvedené příklady z katalogu zhruba 3000 až 5000 K).

10. Aproximace části RT charakteristiky přímkou • Pokud se teplota měří pouze v blízkém okolí nějaké teploty T1 z uvedeného intervalu, můžeme dokonce nahradit takový malý úsek závislosti R(T) i přímkou podle vztahu: R(T) = R(T1)·[1+α·(T-T1)].Teplotní součinitelα[1/K] lze určit z katalogových údajů α = - B/T21. Pro NTC termistory bývá řádu jednotek procent (-0,03 až -0,07) na kelvin. • Jako příklad uvedeme, jak špatně by to dopadlo, kdybychom chtěli celý pracovní rozsah teplot aproxi-movat zjednodušenými funkcemi. Graf ukazuje původní tabulkovéhodnoty odporu podle katalogu, vy-počtené hodnoty podle exponenciál-ní aproximace (pro interval 25°C až 85°C) a podle lineární aproximace (pro okolí teploty 50°C). Je vidět, že mimo rozsahy, pro které jsou určeny, obě jednodušší aproximace selhávají.

11. Měření teploty pomocí NTC termistoru • patří k častým aplikacím. Podmínkou je, aby termistor nebyl zahříván průchodem proudu, proto proudy musí být udržovány na velmi malých hodnotách řádu μA a je třeba použít citlivých měřicích přístrojů. • Teplotní součinitel odporu je záporný a zhruba o řád vyšší než u kovů (obvykle nabývá hodnot -0,03 /K až -0,07 /K). • Běžný rozsah teplot je -50 °C až 150 °C (méně často -100 °C až 300 °C, výjimečně do 400 °C) • Výhodou je i široké rozmezí hodnot odporu (od 0,1 Ω až několik MΩ ), větší odpor termistoru a větší citlivost totiž omezuje nepříznivý vliv teplotně závislých odporů přívodů čidla. • Velká citlivost, malá hmotnost a rozměry dovolují měřit i velmi rychlé teplotní změny. • Nevýhodou je časová nestabilita parametrů a zejména výrazná nelinearita závislosti R(T).

12. Výroba NTC termistorů • Termistory NTC se vyrábějí práškovou, tenkovrstvou nebo tlustovrstvou technologií. • V prvém případě se termistory vyrábějí ze směsi oxidů kovů (např. Fe2O3+TiO2, MnO+CoO apod.) s pojivem a vylisované tyčinky, perličky, nebo kotoučky malých rozměrů, obvykle řádu milimetrů až centimetru, se pak zpevňují slinováním za vysokých teplot. • Příkladem tenkovrstvého NTC senzoru může být negastor SiC pro rozsah teplot -100 °C až +450 °C, vyráběný vysokofrekvenčním napařováním na substrát Al2O3 s B v rozsahu 1600 K až 3400 K a základní hodnotou odporu při teplotě 25 °C od 10 kΩ do 1 MΩ , nebo miniaturní negastor z polykrystalického křemíku obohaceného bórem. • Tlustovrstvé senzory vznikají nanášením speciálních past a vypálením. U cermetových NTC termistorových past tvoří funkční materiál polovodivá polykrystalická keramika na bázi přesně řízených směsí některých kovo-vých oxidů (Mn, Co, Ni, Cu,  Zn, ...). Keramika je nanesena obvykle na korundu (96% Al2O3). Existují i polymerní NTC pasty na bázi uhlíku.

13. Příklady NTC termistorů • NTC640-470K 3%: Termistor NTC 3% pro měření a teplotní kompenzaci R(25°C) = 470kΩ,s teplotním rozsahem tmin - tmax = -40..+150 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 4,95 %/K, R(-40°C)/R(25°C) = 48,62, R(100°C)/R(25°C) = 0,04501, pouzdro: disk 3,3 x RM 2,5 • K164NE100: Termistor NTC pro měření a teplotní kompenzaci R(25°C) = 100 Ω,s teplotním rozsahem tmin - tmax = -55..+125 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 3,5 %/K, R(-55°C)/R(25°C) = 42,131, R(100°C)/R(25°C) = 0,1156, pouzdro: disk 5,5 x RM 5 • B57321V2103J60: Termistor NTC 5% pro měření a teplotní kompenzaci R(25°C) = 10k Ω, s teplotním rozsahem tmin - tmax = -55..+150 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 4,4 %/K, R(-55°C)/R(25°C) = 96,158, R(100°C)/R(25°C) = 0,067488, pouzdro: SMD 0603

14. PTC termistory - pozistory • PTC termistory (positive temperature coefficient) mají ve využívané části své charakteristiky R(T) kladný teplotní koeficient. Závislost R(T) má však dosti komplikovaný a výrazně nelineární průběh: • Odpor s rostoucí teplotou nejprve mírně klesá a po překročení Curieovy teploty strmě roste. Po nárůstu zhruba o tři řády hodnota odporu opět začne mírně klesat (tato část charakteristiky se však obvykle nevyužívá). • PTC termistory se vyrábějí z polykrystalické keramiky, např. z titaničitanu barnatého (BaTiO3) sintrováním přesně řízených práškových směsí obvykle do tvaru malého disku. Referenční teplota PTC termistorů (teplota přechodu TTR) závisí na chemickém složení a obvykle se bývá v rozsahu 60 až 180 °C.

15. Charakteristika pozistorů R(T) V charakteristice je vyznačen: • odpor termistoru R0 při t 25 °C, • minimální odpor Rmin, • tzv. teplota přechodu TTR, • teplotní koeficient αv lineární části charakteristiky. Teplotní koeficient αse mění co do hodnoty i znaménka, maximální kladnou hodnotu má ně-kolik stupňů za bodem zlomu (TTR). • Teplota přechodu TTR bývá defino-vána jako teplota, při které je odpor termistoru v určitém poměru k mini-mální hodnotě odporu Rmin nebo k R0. V uvedeném příkladu např. je to teplota, při které odpor vzroste na dvojnásobek minimální hodnoty R(TTR)=2 Rmin.

16. Použití pozistorů • Měření teploty: Výhodou je velmi vysoký teplotního součinitel odporu, avšak využít lze pouze velmi úzkého teplotního pásma, kde odpor rychle a téměř lineárně roste s teplotou. • PTC termistory lze též použít jako dvoustavové senzory například pro signalizaci překročení určité teploty: termostat. • Většinou se využívá toho, že se pozistor průchodem proudu sám ohřívá a podstatně mění svůj odpor: vratná pojistka. Pozistor se ohřívá průchodem proudu až na TTR, kdy jeho odpor prudce vzroste a omezí protékající proud. Obvod musí být navržen tak, aby maximální povolený proud Imax od-povídal přibližně prahové teplotě TTRa aby pozistor byl schopen rozptýlit příslušný výkonpři dlouhodobém zatížení povolenými proudy. • Využití dynamických vlastností termistoru:Podle velikosti proudu a vlastností termistoru lze dosáhnout různých zpoždění (např. pro rozběh motoru s pozistorem zapojeným do pomocného startovacího vinutí).

17. Příklady pozistorů • Ochrana před přehřátím:SL20T-101-40 až 120: napětí do 50 V, teplota přechodu 40 až 120°C (±6°C). • Ochrana před nepovolenými proudy: SP5504D-1R0-120 a další typy (R25 1 Ω až 1,5 kΩ, tolerance 20-30%, max. napětí 15 až 350 V, max. povolený proud 1,3A až 26 mA, teplota 120 nebo 110°C)

18. Další prvky s kladným teplotním koeficientem • Podobně jako pozistory mají kladný teplotní koeficient takémonokrys-talické křemíkové teplotní senzory.Jde o nevlastní polovodiče s pře-vahou elektronové vodivosti, jejichž rezitivita s rostoucí teplotou klesá z podobných příčin jako u kovů. Protože v nabídkách prodejců bývají ty-to senzory zahrnuty do kategorie „PTC termistorů“ , uvedeme pro úplnost stručně některé jejich vlastnosti: • Na rozdíl od termistorů je teplotní součinitel odporu téměř konstantní v celém rozsahu teplot a jeho střední hodnota se pohybuje kolem 0,01/K. • Linearita je tedy lepší než u NTC termistorů, nelinearitu lze úspěšně korigovat. • Teplotní rozsah je obvykle -55 až 150 °C podobně jako u termistorů, ale běžné jsou i senzory s horní teplotní hranicí 300 °C. • Referenční hodnota odporu při teplotě 25 °C je obvykle 1 nebo 2 kΩ. • Na rozdíl od termistorů jsou dlouhodobě stabilní.

19. Monokrystalické Si senzory • KTY83-122:Termistor PTC pro měření a teplotní kompenzaci R(25°C) = 1 kΩ,s teplotním rozsahem tmin - tmax = -55..+175 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 0,76 %/K, R(-55°C)/R(25°C) = 0,5, R(100°C)/R(25°C) = 1,67, • KTY81-220:Termistor PTC pro měření a teplotní kompenzaci R(25°C) = 2 kΩ, s teplotním rozsahem tmin - tmax = -55..+150 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 0,79 %/K, R(-55°C)/R(25°C) = 0,49, R(100°C)/R(25°C) = 1,696 • KTY82-210: Křemíkové PTC čidlo pro měření a teplotní kompenzaci v provedení SMD R(25°C) = 2 kΩ,s teplotním rozsahem tmin - tmax = -55..+150 °C, teplotní koeficient TK (25°C) = 0,79 %/K, R(-55°C)/R(25°C) = 0,49, R(100°C)/R(25°C) = 1,696

20. Děkuji Vám za pozornost Ivana Jakubová Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky