MAGAZÍN D'INVESTGACIÓ PERIODÍSTICA (iniciat el 1960 com AUCA satírica.. per M.Capdevila a classe de F.E.N.)
-VINCIT OMNIA VERITAS -
VOLTAIRE: "El temps fa justícia i posa a cadascú al seu lloc.."- "No aniràs mai a dormir..sense ampliar el teu magí"
"La història l'escriu qui guanya".. així.. "El poble que no coneix la seva història... es veurà obligat a repetir-la.."
09-09-2023 (591 lectures) | Categoria: Soldering |
|
Un termistor és un tipus de resistència semiconductora la resistència de la qual depèn fortament de la temperatura, més que en les resistències estàndard. La paraula termistor és un portmanteau de tèrmica i resistència.
Els termistors es divideixen en funció del seu model de conducció. Els termistors del coeficient de temperatura negativa (NTC) tenen menys resistència a temperatures més altes, mentre que els termistors del coeficient de temperatura positiva (PTC) tenen més resistència a temperatures més altes. [1]
El termistor NTC s'utilitza àmpliament com a limitadors de corrent d'entrada, sensors de temperatura, mentre que els termistors PTC s'utilitzen com a protectors de sobrecorrent autorestablerts i elements calefactors autoreguladors. Un rang de temperatura operativa d'un termistor depèn del tipus de sonda i normalment es troba entre -100 °C i 300 °C (-148 °F i 572 °F).
![]() Termistor de coeficient de temperatura negativa (NTC), tipus de perles, cables aïllats
|
|
Tipus | Passiu |
---|---|
Principide funcionament | Resistència elèctrica |
Símbol electrònic | |
![]() Símbol del termistor o varistor[2] |
Segons els materials utilitzats, els termistors es classifiquen en dos tipus:
Els termistors es produeixen generalment utilitzant òxids metàl·lics en pols. [3] Amb fórmules i tècniques molt millorades en els últims 20 anys, els termistors NTC ara poden aconseguir precisions en amplis rangs de temperatura com ±0,1 °C o ±0,2 °C de 0 °C a 70 °C amb una excel·lent estabilitat a llarg termini. Els elements del termistor NTC vénen en molts estils [4] com ara díodes encapsulats de vidre amb plom axial (díodes DO-35, DO-34 i DO-41), xips recoberts de vidre, epoxi-recoberts amb filferro de plom nu o aïllat i muntatge superficial, així com versions de pel·lícula prima. El rang de temperatura de funcionament típic d'un termistor és de -55 °C a +150 °C, encara que alguns termistors del cos de vidre tenen una temperatura màxima de funcionament de +300 °C.
Els termistors difereixen dels detectors de temperatura de resistència (RTD) en què el material utilitzat en un termistor és generalment una ceràmica o polímer, mentre que els RTD utilitzen metalls purs. La resposta a la temperatura també és diferent; Els RTD són útils en rangs de temperatura més grans, mentre que els termistors solen aconseguir una major precisió dins d'un rang de temperatura limitat, típicament de -90 °C a 130 °C.[5]
Suposant, com a aproximació de primer ordre, que la relació entre resistència i temperatura és lineal, llavors
on
Segons el tipus de termistor de què es tracti, el � pot ser positiu o negatiu.
Si � és positiu, la resistència augmenta amb l'augment de la temperatura i el dispositiu s'anomena termistor de coeficient de temperatura positiva (PTC), o posistor, hi ha dos tipus de PTCr, termistor de commutació i silistor. Si �
és negatiu, la resistència disminueix amb l'augment de la temperatura i el dispositiu s'anomena termistor de coeficient de temperatura negativa (NTC). Les resistències que no són termistors estan dissenyades per tenir un �
el més proper a 0 possible, de manera que la seva resistència es mantingui gairebé constant en un ampli rang de temperatures.
En lloc del coeficient de temperatura k, de vegades el coeficient de temperatura de resistència �� ("alfa sub T") s'utilitza. Es defineix com[6]
Aquest �� no s'ha de confondre el coeficient amb el un
paràmetre següent.
![]() |
Aquesta secció necessita ampliació. Podeu ajudar afegint-hi. (Juny 2021)
|
Els termistors es construeixen típicament utilitzant òxids metàl·lics. [7]
Els termistors NTC es fabriquen a partir d'òxids del grup ferro dels metalls: per exemple, crom (CrO, Cr 2 O 3), manganès (per exemple, MnO), cobalt (CoO), ferro (òxids de ferro) i níquel (NiO, Ni 2 O 3). [8][9] Aquests òxids formen un cos ceràmic amb terminals compostos de metalls conductors com la plata, el níquel i l'estany.
Els CTP es preparen generalment a partir de bari (Ba), estronci o titanats de plom (per exemple, PbTiO3). [10][11]
En dispositius pràctics, el model d'aproximació lineal (a dalt) només és precís en un rang de temperatura limitat. En rangs de temperatura més amplis, una funció de transferència resistència-temperatura més complexa proporciona una caracterització més fidel del rendiment. L'equació de Steinhart-Hart és una aproximació de tercer ordre àmpliament utilitzada:
on a, b i c s'anomenen paràmetres de Steinhart-Hart i s'han d'especificar per a cada dispositiu. T és la temperatura absoluta, i R és la resistència. L'equació no és dimensionalment correcta, ja que un canvi en les unitats de R resulta en una equació amb una forma diferent, que conté un (Ln�)2 terme. A la pràctica, l'equació dóna bons resultats numèrics per a resistències expressades en ohms o kΩ, però els coeficients a, b i c s'han d'enunciar fent referència a la unitat. [12] Per donar resistència en funció de la temperatura, l'equació cúbica anterior en Ln�
es pot resoldre, l'arrel real de la qual ve donada per
on
L'error en l'equació de Steinhart-Hart és generalment inferior a 0,02 °C en la mesura de la temperatura en un rang de 200 °C. [13] Com a exemple, els valors típics d'un termistor amb una resistència de 3 kΩ a temperatura ambient (25 °C = 298,15 K, R en Ω) són:
Els termistors NTC també es poden caracteritzar amb l'equació del paràmetre B (o β), que és essencialment l'equació de Steinhart-Hart amb un=1/�0−(1/�)Ln�0, �=1/�
i �=0
,
on les temperatures i el paràmetre B estan en kèlvins, i R 0 és la resistència a la temperatura T0 (25 °C = 298,15 K). [14] Solució de R rendiments
o, alternativament,
on �∞=�0�−�/�0.
Això es pot solucionar per a la temperatura:
L'equació del paràmetre B també es pot escriure com Ln�=�/�+Ln�∞. Això es pot utilitzar per convertir la funció de resistència vs. temperatura d'un termistor en una funció lineal de Ln�
vs. 1/�
. El pendent mitjà d'aquesta funció donarà una estimació del valor del paràmetre B.
Un termistor NTC fallit (bufat) que funcionava com a limitador de corrent d'entrada en una font d'alimentació en mode commutat
Molts termistors NTC estan fets d'un disc premsat, vareta, placa, perla o xip fos de material semiconductor com els òxids metàl·lics sinteritzats. Funcionen perquè elevar la temperatura d'un semiconductor augmenta el nombre de portadors de càrrega activa promovent-los a la banda de conducció. Com més portadors de càrrega estiguin disponibles, més corrent pot conduir un material. En certs materials com l'òxid fèrric (Fe2O3) amb dopatge de titani (Ti) es forma un semiconductor de tipus n i els portadors de càrrega són electrons. En materials com l'òxid de níquel (NiO) amb dopatge de liti (Li) es crea un semiconductor de tipus p, on els forats són els portadors de càrrega. [15]
Això es descriu a la fórmula
on
Davant grans canvis de temperatura, és necessari un calibratge. En petits canvis de temperatura, si s'utilitza el semiconductor adequat, la resistència del material és linealment proporcional a la temperatura. Hi ha molts termistors semiconductors diferents amb un rang d'aproximadament 0,01 kelvin a 2,000 kèlvins (-273,14 °C a 1.700 °C). [16]
El símbol estàndard IEC per a un termistor NTC inclou un "−t°" sota el rectangle. [17]
La majoria dels termistors de PTC estan fets de ceràmica policristal·lina dopada (que conté titanat de bari (BaTiO3) i altres compostos) que tenen la propietat que la seva resistència augmenta sobtadament a una certa temperatura crítica. El titanat de bari és ferroelèctric i la seva constant dielèctrica varia amb la temperatura. Per sota de la temperatura del punt de Curie, l'alta constant dielèctrica impedeix la formació de barreres potencials entre els grans de cristall, donant lloc a una baixa resistència. En aquesta regió, el dispositiu té un petit coeficient de temperatura negatiu. A la temperatura del punt de Curie, la constant dielèctrica baixa prou com per permetre la formació de barreres potencials en els límits del gra, i la resistència augmenta bruscament amb la temperatura. A temperatures encara més altes, el material torna al comportament NTC.
Un altre tipus de termistor és un silistor (una resistència de silici tèrmicament sensible). Els silistors empren silici com a material component semiconductor. A diferència dels termistors PTC ceràmics, els silistors tenen una característica de resistència-temperatura gairebé lineal. [18] Els termistors PTC de silici tenen una deriva molt més petita que un termistor NTC. Són dispositius estables que es tanquen hermèticament en un envàs encapsulat axial de vidre emplomat. [19]
Els termistors de titanat de bari es poden utilitzar com a escalfadors autocontrolats; Per a un voltatge determinat, la ceràmica s'escalfarà a una temperatura determinada, però la potència utilitzada dependrà de la pèrdua de calor de la ceràmica.
La dinàmica dels termistors PTC que s'alimenten presta a una àmplia gamma d'aplicacions. Quan es connecta per primera vegada a una font de tensió, flueix un gran corrent corresponent a la resistència baixa, freda, però a mesura que el termistor s'autoescalfa, el corrent es redueix fins que s'arriba a un corrent limitant (i la temperatura màxima del dispositiu corresponent). L'efecte limitant de corrent pot substituir els fusibles. En els circuits de desgaussing de molts monitors i televisors CRT, un termistor adequadament escollit es connecta en sèrie amb la bobina de desgaussing. Això resulta en una disminució del corrent suau per a un efecte desgaussing millorat. Alguns d'aquests circuits de desgaussing tenen elements auxiliars de calefacció per escalfar encara més el termistor (i reduir el corrent resultant).
Un altre tipus de termistor PTC és el polímer PTC, que es ven sota marques com "Polyswitch", "Semifusible" i "Multifusible". Consisteix en plàstic amb grans de carboni incrustats en ell. Quan el plàstic està fred, els grans de carboni estan tots en contacte entre si, formant un camí conductor a través del dispositiu. Quan el plàstic s'escalfa, s'expandeix, obligant els grans de carboni a separar-se i fent que augmenti la resistència del dispositiu, cosa que provoca un augment de l'escalfament i un augment ràpid de la resistència. Igual que el termistor BaTiO3, aquest dispositiu té una resposta de resistència/temperatura altament no lineal útil per al control tèrmic o de circuits, no per a la mesura de temperatura. A més dels elements del circuit utilitzats per limitar el corrent, es poden fer escalfadors autolimitats en forma de cables o tires, útils per al traçat de calor. Els termistors PTC "s'enganxen" a un estat de calor / alta resistència: un cop calents, es mantenen en aquest estat d'alta resistència, fins que es refreden. L'efecte es pot utilitzar com un circuit primitiu de pestell / memòria, l'efecte es millora mitjançant l'ús de dos termistors PTC en sèrie, amb un termistor fred, i l'altre termistor calent. [20]
El símbol estàndard IEC per a un termistor PTC inclou un "+t°" sota el rectangle. [21]
Quan un corrent flueix a través d'un termistor, genera calor, que eleva la temperatura del termistor per sobre de la del seu entorn. Si el termistor s'utilitza per mesurar la temperatura de l'ambient, aquest escalfament elèctric pot introduir un error significatiu (un efecte observador) si no es fa una correcció. Alternativament, aquest efecte en si mateix es pot aprofitar. Pot, per exemple, fabricar un dispositiu sensible de flux d'aire emprat en un instrument de velocitat d'ascens d'un avió, el variòmetre electrònic, o servir com a temporitzador per a un relé com es feia antigament en les centrals telefòniques.
L'entrada d'energia elèctrica al termistor és només
on I és el corrent, i V és la caiguda de tensió a través del termistor. Aquesta energia es converteix en calor, i aquesta energia calorífica es transfereix a l'entorn circumdant. La velocitat de transferència està ben descrita per la llei de refredament de Newton:
on T( R) és la temperatura del termistor en funció de la seva resistència R, �0 és la temperatura de l'entorn, i K és la constant de dissipació, normalment expressada en unitats de mil·liwatts per grau centígrad. En equilibri, les dues taxes han de ser iguals:
El corrent i la tensió a través del termistor depenen de la configuració del circuit particular. Com a exemple senzill, si la tensió a través del termistor es manté fixa, llavors per la llei d'Ohm tenim Jo=�/�, i l'equació d'equilibri es pot resoldre per a la temperatura ambient en funció de la resistència mesurada del termistor:
La constant de dissipació és una mesura de la connexió tèrmica del termistor al seu entorn. Generalment es dóna per al termistor en aire quiet i en oli ben remenat. Els valors típics d'un petit termistor de perles de vidre són 1,5 mW/°C en aire quiet i 6,0 mW/°C en oli agitat. Si es coneix prèviament la temperatura de l'ambient, es pot utilitzar un termistor per mesurar el valor de la constant de dissipació. Per exemple, el termistor es pot utilitzar com a sensor de cabal, ja que la constant de dissipació augmenta amb la velocitat de flux d'un fluid més enllà del termistor.
La potència dissipada en un termistor es manté típicament a un nivell molt baix per garantir un error de mesura de temperatura insignificant a causa de l'autoescalfament. No obstant això, algunes aplicacions del termistor depenen d'un "autoescalfament" significatiu per elevar la temperatura corporal del termistor molt per sobre de la temperatura ambient, de manera que el sensor detecta fins i tot canvis subtils en la conductivitat tèrmica de l'ambient. Algunes d'aquestes aplicacions inclouen la detecció de nivell de líquid, la mesura del flux de líquid i la mesura del flux d'aire. [6]
El primer termistor NTC va ser descobert el 1833 per Michael Faraday, que va informar sobre el comportament semiconductor del sulfur de plata. Faraday va notar que la resistència del sulfur de plata disminuïa dràsticament a mesura que augmentava la temperatura. (Aquesta va ser també la primera observació documentada d'un material semiconductor.) [30]
Com que els primers termistors eren difícils de produir i les aplicacions per a la tecnologia eren limitades, la producció comercial de termistors no va començar fins a la dècada de 1930.[31] Samuel Ruben va inventar un termistor comercialment viable el 1930. [32]