Termistory PTC
(56)Termistor – czym jest i jak działa?
Termistory to elementy rezystancyjne, których oporność zmniejsza się lub zwiększa wraz ze zmianą temperatury. Naturalnym zjawiskiem jest wzrost rezystancji wraz ze zwiększającą się temperaturą. Wprawione w coraz silniejsze drgania cząsteczki determinują rosnący opór przepływu medium. Wraz ze wzrostem temperatury, rośnie zatem rezystancja, której wielkość jesteśmy w stanie zmierzyć przy użyciu omomierza. Termistory należą do rodziny rezystorów o bardzo wysokiej czułości na zmianę temperatury. Dzięki takiemu zachowaniu te tanie i proste w obsłudze elementy elektroniczne pozwalają na bardzo precyzyjne określenie temperatury opomiarowanego elementu bądź otoczenia. Ważną zaletą termistorów jest szeroki zakres pomiarowy oraz wysoka odporność mechaniczna.
Wraz z coraz wyższą temperaturą, oporność termistora nie musi jednak rosnąć. Aby dowiedzieć się z czego wynikają różnice pomiędzy poszczególnymi typami termorezystorów oraz jakie mają one znaczenie w kontekście użytkowania, należy zagłębić się w najważniejsze, charakterystyczne dla nich cechy.
Budowa i rodzaje termistorów – termistory PTC i NTC
Podziału termistorów dokonujemy na podstawie reakcji na zmianę temperatury. Wyróżniamy dwa najpopularniejsze typy termistorów, których zachowanie w zależności od zmiany temperatury diametralnie się różni:
- Termistory PTC (Positive Temperature Coefficient) – termistor o współczynniku temperaturowym dodatnim;
- Termistory NTC (Negative Temperature Coefficient) – termistor o współczynniku temperaturowym ujemnym.
Pierwszy z nich to klasyczny przypadek, kiedy to wraz ze wzrostem temperatury wartość rezystancji rośnie. Dokładnie odwrotny efekt otrzymujemy natomiast w przypadku termistora NTC. Rosnąca temperatura powoduje bowiem w jego przypadku spadek rezystancji. Zależność zmiany rezystancji elementu od zmiany temperatury opisuje charakterystyka termometryczna, przedstawiona w dalszej części.
Swoje właściwości termistory zawdzięczają zastosowaniu odpowiednich materiałów. Proces produkcyjny termistora polega na zatopieniu przewodów w mieszance sproszkowanych tlenków metali oraz odpowiednich związków chemicznych i zespojeniu przy użyciu odpowiedniego materiału wiążącego. Przygotowane w ten sposób termistory poddawane są procesowi spiekania, który pozwala na wysuszenie oraz utwardzenie połączenia, a powstałe spoiwo zabezpieczane jest specjalną szklaną powłoką.
Do produkcji termistorów PTC najpowszechniej stosuje się tlenki wanadu oraz tytanu, domieszkowane wyselekcjonowanymi związkami chemicznymi, natomiast czujniki NTC wykonane są zazwyczaj z mieszaniny takich związków chemicznych, jak: chrom, mangan, kobalt, żelazo, miedź, lit czy nikiel. Materiały wykorzystane do budowy omawianych termistorów nadają im charakterystyczne dla danego asortymentu właściwości, które determinują ich przeznaczenie.
W szerokiej ofercie produktów dostępnych na rynku spotkamy termistory w różnych kształtach. Mogą występować one w postaci kulek, sprasowanych talerzy przypominających kształtem tabletkę lub w kształcie miniaturowego walca. W każdym przypadku występują zakończenia w postaci dwóch przewodów. Dzięki swej nieskomplikowanej budowie i kompaktowym rozmiarom termistory są wyjątkowo tanimi elementami układów elektronicznych.
Wytrzymałość mechaniczna termorezystorów pozwala na pomiar temperatury w zakresie od -150°C do nawet 800°C, a wysoka czułość pomiaru sprawia, że znajdują zastosowanie w wielu wymagających aplikacjach.
Ograniczeniem dla termistorów jest maksymalne napięcie znamionowe, czyli odpowiednie dla ciągłej pracy urządzenia, a także maksymalne napięcie robocze, stanowiące warunek poprawnego i bezpiecznego jego działania. W momencie doboru odpowiedniego produktu należy wziąć pod uwagę zalecane przez producenta wartości graniczne, gdyż przekroczenie napięcia może doprowadzić do uszkodzenia elementu.
Charakterystyka termometryczna
Podstawowym równaniem opisującym zmianę rezystancji czujnika w zależności od zmiany jego temperatury jest charakterystyka termometryczna.
gdzie:
RT – rezystancja termistora w określonej temperaturze [Ω];
T – temperatura termistora [K];
T0 – temperatura odniesienia [K];
RT0 – rezystancja termistora w temperaturze odniesienia [Ω];
B – stała materiałowa termistora, zawierająca się w przedziale 2000÷6000 [K]. Wielkość tego parametru zależy ściśle od wykorzystanych materiałów i stanowi o czułości urządzenia. Im wyższa wartość, tym czułość termistora wyższa.
Zastosowanie termistorów PTC
Termistory PTC (inaczej pozystory) znajdują swoje zastosowanie jako zabezpieczenia przed przeciążeniem oraz przegrzaniem. Wraz ze wzrostem natężenia prądu, podnosi się temperatura termorezystora, a wraz z nim w funkcji logarytmicznej rośnie rezystancja. Na skutek coraz wyższego oporu maleje natężenie prądu w układzie i stabilizuje się na wymaganym poziomie. Spotkamy go między innymi w silnikach elektrycznych, w powszechnie stosowanych artykułach gospodarstwa domowego (np. mikrofalówkach czy piekarnikach), układach automatyki czy w motoryzacji.
Szczególnym rodzajem termistorów PTC są bezpieczniki polimerowe. Zbudowane są za zasadzie termistora – przekroczenie maksymalnego prądu powoduje podniesienie temperatury elementu i skokowy wzrost rezystancji, który prowadzi do przerwania obwodu (choć niewielki prąd nadal będzie przez niego płynął).
Termistory pełnią również ważną funkcję wczesnego ostrzegania przed pożarem, będąc najważniejszą częścią systemów przeciwpożarowych. W momencie wzrostu temperatury ponad wartość zadaną, system alarmujący wysyła sygnał ostrzegawczy o możliwości wystąpienia pożaru. Bardzo ważna jest w tym przypadku niezwykła czułość oraz niezawodność pomiaru, którą gwarantują omawiane w artykule elementy termorezystancyjne.
Magazyn:
