Для чего в блоке питания термистор

Для чего нужен термистор, терморезистор в блоке питания компьютера

Для начала определимся с таким типом радиодеталей, как термисторы (или, как их еще называют – терморезисторы).

Они представляют собой полупроводниковый элемент, у которого меняется сопротивление в зависимости от температуры.

Эта зависимость может быть:

  1. Прямой (чем больше температура, тем выше сопротивление) – это тип PTC (от англ. Positive Temperature Coefficient, то есть позитивный/положительный температурный коэффициент). Альтернативное название “позисторы”.
  2. Обратной (сопротивление увеличивается при уменьшении температуры и наоборот) – это тип NTC (от англ. Negative Temperature Coefficient, то есть негативный/отрицательный температурный коэффициент).

Терморезисторы часто разделят по диапазонам рабочих температур:

  • Низкотемпературные (ниже 170 К);
  • Среднетемпературные (170-510 К);
  • Высокотемпературные (свыше 510 К).

Обозначение термистора указано на рисунке ниже.

Рис. 1. Обозначение термистора

Термисторы в блоках питания

Практически все импульсные блоки питания и выпрямители с конденсаторными фильтрами имеют один существенный недостаток. При включении питания конденсатор фильтра находится в разряженном состоянии и на его зарядку требуется время. Как раз в течение этого промежутка времени происходит бросок тока, который может превышать рабочие параметры в несколько раз (в некоторых случаях даже в десятки раз).

Рис. 2. Скачок тока

А значит, он губителен для многих элементов цепи как внутри блока питания, так и для подключаемых схем.

Для ограничения бросков тока существует множество различных решений, но все они имеют те или иные преимущества и недостатки.

Наиболее простым способом борьбы с такими импульсами тока является включение в цепь среднетемпературного NTC-терморезистора (с обратной зависимостью).

Принцип защиты цепи с NTC-терморезисторами

В состоянии покоя (при выключенном питании) терморезистор имеет температуру окружающей среды и обладает высоким сопротивлением.

В момент включения импульс тока гасится высоким сопротивлением “холодного” NTC-термистора. В процессе дальнейшего воздействия тока терморезистор нагревается и выходит в рабочий режим, в котором у него низкое сопротивление, а значит, на работу всей схемы питания он не будет оказывать практически никакого влияния.

Недостатки такой защиты

У такой защиты от бросков тока есть очевидные минусы:

  1. Если питание будет включаться/выключаться несколько раз подряд, то терморезистор не успеет остыть и не сможет выполнить своей защитной функции.
  2. Многие воспринимают термисторы в качестве обычных сопротивлений и потому в погоне за повышенной проходимостью тока выполняют их параллельное соединение. Такого допускать нельзя. Прогрев может быть неравномерным, вследствие чего можно получить все тот же скачок тока в цепи питания или даже выход из строя самих терморезисторов.
  3. В процессе работы термисторы сильно греются, следует проявлять особую осторожность при их расположении внутри закрытых корпусов.
  4. Одна из самых больших проблем – правильный подбор элемента по заданным параметрам. Оптимальным решением будет включение термистора в состав блока питания, с которым он совместим по характеристикам, а не вынос его во внешний блок (чтобы он не использовался с несовместимыми приборами).

В заданных условиях нам требуется знать следующие характеристики цепи:

  1. Номинальное сопротивление термистора (можно взять из графика в даташите или из таблиц, если таковые имеются) – при температуре 25°С.
  2. Установившийся ток (это максимальное значение тока в момент “броска”).
  3. Максимальная емкость конденсатора фильтра блока питания при пиковом напряжении.

В качестве пикового напряжения мы принимаем значение 350 В (это возможные 250В умноженные на корень из 2).

Теперь рассчитаем ток.

Например, мощность БП составляет около 400 Вт, в составе фильтра работает конденсатор 450 мкФ.

Тогда сила тока будет считаться так:

I = 400 Вт / 220 В = 1,82 А.

С учетом запаса в 20% получаем 1,82 · 1,2 = 2,16 А. Это и есть наше максимальное значение.

Сопротивление термистора считается исходя из того тока, который мы планируем ограничить.

Пусть это будет 2 А.

R = (220 В · √2) / 2 А = 156 Ом

Теперь остается подобрать термистор, который при температуре 25 град. имеет сопротивление 156 Ом (можно взять несколько последовательно соединенных, тогда их сопротивление складывается), может выдержать 1,82 А (в момент импульса) и совместим с конденсатором в 450 мкФ.

Схема внешней защиты БП компьютера

Специально для тех случаев, когда необходимо простое, действенное и стандартное решение проблем с бросками тока при питании ПК.

Сама схема выглядит так.

Рис. 3. Схема внешней защиты БП компьютера

Она рассчитана на подключение блока питания мощностью около 800 Вт.

Конечный вид узла в собранном виде может быть таким.

Рис. 4. Конечный вид узла в собранном виде

А в собранном виде таким.

Рис. 5. Конечный результат

Мнения читателей
  • Maksim Lapchenko / 23.06.2019 – 20:22

Добрый день. Возможна ли покупку подобного устройства?

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Использование термисторов для ограничения бросков тока в источниках питания

Часто в различных источниках питания возникает задача ограничить стартовый бросок тока при включении. Причины могут быть разные – быстрый износ контактов реле или выключателей, сокращение срока службы конденсаторов фильтра итд. Такая задача недавно возникла и у меня. В компьютере я использую неплохой серверный блок питания, но за счет неудачной реализации секции дежурного режима, происходит сильный ее перегрев при отключении основного питания. Из-за этой проблемы уже 2 раза пришлось ремонтировать плату дежурного режима и менять часть электролитов, находящихся рядом с ней. Решение было простое – выключать блок питания из розетки. Но оно имело ряд минусов – при включении происходил сильный бросок тока через высоковольтный конденсатор, что могло вывести его из строя, кроме того, уже через 2 недели начала обгорать вилка питания блока. Решено было сделать ограничитель бросков тока. Параллельно с этой задачей, у меня была подобная задача и для мощных аудио усилителей. Проблемы в усилителях те же самые – обгорание контактов выключателя, бросок тока через диоды моста и электролиты фильтра. В интернете можно найти достаточно много схем ограничителей бросков тока. Но для конкретной задачи они могут иметь ряд недостатков – необходимость пересчета элементов схемы для нужного тока; для мощных потребителей – подбор силовых элементов, обеспечивающих необходимые параметры для расчетной выделяемой мощности. Кроме того, иногда нужно обеспечить минимальный стартовый ток для подключаемого устройства, из-за чего сложность такой схемы возрастает. Для решения этой задачи есть простое и надежное решение – термисторы.


Рис.1 Термистор

Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при нагреве. Для наших целей нужны термисторы с отрицательным температурным коэффициентом – NTC термисторы. При протекании тока через NTC термистор он нагревается и его сопротивление падает.


Рис.2 ТКС термистора

Нас интересуют следующие параметры термистора:

Сопротивление при 25˚С

Максимальный установившийся ток

Оба параметра есть в документации на конкретные термисторы. По первому параметру мы можем определить минимальный ток, который пройдет через сопротивление нагрузки при подключении ее через термистор. Второй параметр определяется максимальной рассеиваемой мощностью термистора и мощность нагрузки должна быть такой, что бы средний ток через термистор не превысил это значение. Для надежной работы термистора нужно брать значение этого тока меньшее на 20 процентов от параметра, указанного в документации. Казалось бы, что проще – подобрать нужный термистор и собрать устройство. Но нужно учитывать некоторые моменты:

  1. Термистор достаточно долго остывает. Если выключить устройство и сразу включить опять, то термистор будет иметь низкое сопротивление и не выполнит свою защитную функцию.
  2. Нельзя соединять термисторы параллельно для увеличения тока – из-за разброса параметров ток через них будет сильно различаться. Но вполне можно соединять нужное к-во термисторов последовательно.
  3. При работе происходит сильный нагрев термистора. Греются также элементы рядом с ним.
  4. Максимальный установившийся ток через термистор должен ограничиваться его максимальной мощностью. Этот параметр указан в документации. Но если термистор используется для ограничения коротких бросков тока (например, при первоначальном включении блока питания и зарядке конденсатора фильтра), то импульсный ток может быть больше. Тогда выбор термистора ограничен его максимальной импульсной мощностью.

Энергия заряженного конденсатора определяется формулой:

E = (C*Vpeak²)/2

где E – энергия в джоулях, C – емкость конденсатора фильтра, Vpeak – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор фильтра (для наших сетей можно взять значение 250В*√2 = 353В).

Если в документации указана максимальная импульсная мощность, то исходя из этого параметра можно подобрать термистор. Но, как правило, этот параметр не указан. Тогда максимальную емкость, которую безопасно можно зарядить термистором, можно прикинуть по уже рассчитанным таблицам для термисторов стандартных серий.

Я взял таблицу с параметрами термисторов NTC фирмы Joyin. В таблице указаны:

Rном – номинальное сопротивление термистора при температуре 25°С

Iмакс – максимальный ток через термистор (максимальный установившийся ток)

Смакс – максимальная емкость в тестовой схеме, которую разряжают на термистор без его повреждения (тестовое напряжение 350v)

Как проводится тестовое испытание, можно посмотреть тут на седьмой странице.

Несколько слов о параметре Смакс – в документации показано, что в тестовой схеме конденсатор разряжается через термистор и ограничительный резистор, на котором выделяется дополнительная энергия. Поэтому максимальная безопасная емкость, которую сможет зарядить термистор без такого сопротивления, будет меньше. Я поискал информацию в зарубежных тематических форумах и посмотрел типовые схемы с ограничителями в виде термисторов, на которые приведены данные. Исходя из этой информации, можно взять коэффициент для Смакс в реальной схеме 0.65, на который умножить данные из таблицы.

О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания

Качественные блоки питания обеспечивают долговременную надежную и безаварийную работу вычислительного оборудования и другой техники.

Так как при майнинге используются мощные импульсные источники питания, питающие дорогостоящее оборудование, то их выход из строя влечет за собой весьма неприятные последствия.

В связи с этим стоит разобраться с некоторыми особенностями их работы, которые помогут избежать поломок, вызванных непониманием процессов, происходящих внутри импульсных источников питания.

Переходные процессы в радиоэлектронной аппаратуре и вычислительной технике

При эксплуатации любых электрических приборов в момент переключения возникают нелинейные переходные процессы, которые в некоторых случаях незаметны, а иногда приводят к выходу устройства из расчетного режима работы, что сопровождается повышенной нагрузкой на его элементы и может привести их к выходу из строя.

Переходные процессы всегда возникают в момент коммутации цепей с нагрузкой, имеющей индуктивный и/или емкостной характер. В большинстве случаев они являются вредными для работы устройства, поэтому конструкторы аппаратуры обычно предпринимают меры для их сведения до минимума.

Так как любой участок цепи имеет в той или иной мере LC-параметры, то нелинейные процессы всегда происходят в любой электронике. В мощных блоках питания, использующихся для майнинга, установлены конденсаторы и катушки большой емкости/индуктивности, поэтому переходные процессы в них могут быть очень значительными.

Кратковременный всплеск переменного напряжения, значительно превышающий нормальное значение:

Во время включения в работу блока питания большой мощности в его контурах протекают импульсы тока огромной величины. Всплески напряжения, вызванные переходными процессами, могут многократно превышать номинальное напряжение, протекающее в сети.

Всплески напряжения (voltage spikes), возникающие на графике синусоидального переменного напряжения, вследствие переходных процессов (transients):

Для борьбы со всплесками напряжения в момент включения блоков питания в них устанавливаются специальные защитные элементы. Они обычно справляются со своей ролью, но иногда, при нештатных ситуациях, не справляются со своими задачами. Чтобы не допускать их возникновения (или хотя бы свести до минимума), нужно знать принципы работы, назначение и состав защитных элементов на входе импульсного блока питания.

Зачем нужны защитные цепи на входе импульсных блоков питания

В качественных импульсных блоках питания обычно устанавливаются входные цепи, которые решают ряд проблем, среди которых:

Для защиты входных цепей блока питания от всплесков напряжения и тока используются варисторы (varistors) и термисторы, а также предохранители, варисторы, а также разрядники (surge arresters).

MOV-варистор и термисторы с позитивным и негативным коэффициентом сопротивления:

Как обеспечивается защита от всплесков напряжения и тока на входе блока питания?

За защиту от всплесков напряжения на входе импульсного БП в рабочем режиме обычно отвечают варисторы и разрядники. Для защиты от бросков тока на входе применяют предохранители, а также термисторы.

Простейшая схема включения защитного варистора в блоке питания:

Схема включения защитных элементов на входе импульсного источника тока с применением варисторов и разрядников:

Как работает варистор?

Варистор — это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. В нормальных условиях оно очень большое (мегаОмы) и не оказывает особого влияния на работу электрической цепи при параллельном включении.

Вольт-амперная характеристика варистора:

При значительном повышении напряжения на варисторе сопротивление падает, это приводит к поглощению энергии всплеска и выделении ее в виде тепла.

Варисторы нужны для защиты радиоэлектронных устройств от бросков высокого напряжения за счет того, что их сопротивление резко падает с увеличением поданного на них напряжения:

Это спасает другие компоненты от выхода из строя, хотя иногда приводит к выгоранию самого варистора, спасающего своим героическим поведением более дорогие электронные элементы. Варисторы устанавливаются на входе БП перед диодным выпрямителем, так как они дополнительно выполняют фильтрующую функцию — гашение помех, возникающих при выключении диодного моста.

Варистор TVR 14471 на входе блока питания Be Quiet Dark Power Pro мощностью 1200 ватт с платиновым сертификатом:

Для чего в блоке питания применяются термисторы?

Термистор — это резистор, изменяющий свое сопротивление из-за температуры.

В блоках питания обычно используют термисторы с негативным температурным коэффицентом (NTC, Negative Temperature Coefficient), включенные последовательно с нагрузкой. В холодном состоянии они имеют сопротивление 6-12 Ом, поэтому при включении блока питания происходит их разогрев. Из-за нагрева сопротивление NTC-термисторов падает до 0.5-1 Ома и они уже не оказывают существенного влияния на работу устройства.

В дорогих блоках питания после успешного старта блока питания термисторы отключаются, ток начинает проходить через проводник с нулевым сопротивлением, что обеспечивает холодное состояние термистора (постоянную готовность к повторному включению БП), а также экономит электроэнергию, которая попусту рассеивается во время работы источника питания в штатном режиме.

Благодаря тому, что термистор принимает на себя «часть удара» в момент включения, остальные компоненты не страдают.

Простейшая схема включения защитного термистора на входе блока питания:

Варисторы обеспечивают защиту высоковольтной части блока питания от всплесков напряжения, а термисторы — от большого тока.

Варистор VZ1 и термистор TR101 на схеме блока питания Chieftec APS-550S мощностью 550W:

К чему может привести экономия на варисторах и термисторах в блоке питания?

В бюджетных блоках питания производители экономят на элементной базе и не устанавливают варисторов. Для защиты таких БП стоит использовать сетевые фильтры или UPS, имеющие в своем составе варисторы. Стоимость такой защиты оправдана значительным снижением возможного ущерба, который может появится в случае сгорания источника питания, питающего дорогостоящий компьютер.

В некоторых случаях защита от всплесков напряжения/тока, обеспечивающаяся варисторами и термисторами, не срабатывает. Это может происходит в случае неисправности варистора/термистора, а также если такой элемент нагрет и производится его включение расчете на его состояние при обычной температуре. Ситуация с медленным остыванием защитных варисторов (термисторов) может возникнуть в случае слишком быстрого повторного включения работавшего блока питания.

Если термистор не успевает остыть после выключения БП, то в момент повторной подачи высокого напряжения защита, обеспечиваемая гашением энергии на его высоком сопротивлении, не обеспечивается. Это может привести к плачевным последствиям.

Нагретый варистор не поглощает энергию импульса, появляющегося в момент включения из-за заряда емкостей электролитических конденсаторов и накопления энергии в индуктивностях, что обычно приводит к пробою транзисторов в высоковольтной части БП.

Благодаря этому, импульс высокого напряжения, поступающий на защищаемое устройство, гасится на варисторе. При сильном нагреве варистора в нем могут произойти необратимые изменения, приводящие к пробою или обрыву.

Пример платы дешевого блока питания Green Vision GV-PS S400:

Как определить исправность варисторов и термисторов?

На схемах блоков питания варисторы и термисторы имеют похожие обозначения в виде резистора с корпусом, перечеркнутым «клюшкой». Варисторы обычно стоят параллельно источнику тока и маркируются обозначением VR:

Термисторы обозначаются похоже:

Термисторы обычно включаются последовательно с нагрузкой, их сопротивление значительно меньше варисторов.

Проверка исправности варистора/термистора состоит в проведении двух действий:

  • визуальный осмотр на наличие повреждений, следов прогара, взудтий и прочих безобразий;
  • проверка сопротивления омметром — исправный варистор должен иметь большое сопротивление (несколько мегаОм) в обоих направлениях при комнатной температуре, терморезистор на входе блока питания — несколько Ом. При прозвонке варистора следует обращать внимание на место его установки. Если параллельно ему включены другие электронные элементы, то проверять сопротивление нужно после выпаивания варистора с платы.

Что делать майнерам для сведения к минимуму проблем из-за переходных процессов в блоках питания?

При наладке компьютеров, в том числе использующихся для майнинга, иногда возникают ситуации, когда из-за зависания системы приходится часто принудительно выключать-включать блок питания. В этом случае стоит делать перерыв на несколько минут перед повторным включением блока питания, чтобы он успел остыть. Это одинаково важно и для дорогих блоков питания, в которых установлен полный набор защитных элементов, включая варисторы и терморезисторы. Это связано с тем, что они не успевают восстановиться в случае очень быстрого повторного включения устройства с горячими внутренними компонентами.

При выборе блоков питания следует обращать внимание на наличие в них цепей защиты. Наличие варистора на входе источника питания обычно свидетельствует о стремлении его изготовителей обеспечить высокое качество и надежность изделия.

Если в использующемся на компьютере блоке питания не установлены входные защитные цепи, содержащие варисторы, блокировочные конденсаторы и термисторы, то стоит дополнительно установить качественный сетевой фильтр-удлинитель, содержащий хотя бы минимальный набор элементов, включающий варистор.

Фотография платы качественного сетевого фильтра с варисторами:

Варистор синего цвета на входе сетевого фильтра среднего качества:

Дешевый, якобы сетевой фильтр, на самом деле являющийся простым удлинителем/разветвителем с выключателем (не содержит варисторов и других защитных элементов):

При покупке входного фильтра следует учитывать, что большинство устройств, продаваемых в торговых сетях под таким названием на самом деле являются простыми удлинителями/разветвителями розеток, в лучшем случае содержащими узел защиты от короткого замыкания. Элементы защиты от бросков напряжения содержатся только в единицах из них.

В случае перебоев в работе компьютеров (не только тех, которые используются для майнинга), стоит дать время на остывание устройства перед его очередным включением. В противном случае еще не успевшие остыть защитные элементы не смогут выполнить свою функцию, что с большой степенью вероятности приведет к поломке.

Что такое термистор и позистор и где они применяются

Терморезистором называется полупроводниковый компонент с температурозависимым электрическим сопротивлением. Изобретенный в далеком 1930 году ученым Самюэлем Рубеном, по сей день данный компонент находит самое широкое применение в технике.

Изготавливают терморезисторы из различных материалов, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых достаточно высок, – значительно превосходит металлические сплавы и чистые металлы, то есть именно из особых, специфичных полупроводников.

Непосредственно основной резистивный элемент получают посредством порошковой металлургии, обрабатывая халькогениды, галогениды и оксиды определенных металлов, придавая им различные формы, например форму дисков или стержней различных размеров, больших шайб, средних трубок, тонких пластинок, маленьких бусинок, размерами от единиц микрон до десятков миллиметров.

По характеру корреляции сопротивления элемента и его температуры, разделяют терморезисторы на две большие группы – на позисторы и термисторы . Позисторы обладают положительным ТКС (по этой причине позисторы еще называют PTC-термисторами), а термисторы — отрицательным (их называют поэтому NTC-термисторами).

Термистор – температурно-зависимый резистор, изготавливается из полупроводникового материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность, позистор – температурно-зависимый резистор, имеющий положительный коэффициент. Так, с возрастанием температуры корпуса позистора растет и его сопротивление, а с ростом температуры термистора — его сопротивление соответственно уменьшается.

Материалами для терморезисторов сегодня служат: смеси поликристаллических оксидов переходных металлов, таких как кобальт, марганец, медь и никель, соединений AIIIBV-типа, а также легированных, стеклообразных полупроводников, таких как кремний и германий, и некоторых других веществ. Примечательны позисторы из твердых растворов на базе титаната бария.

Терморезисторы в целом можно классифицировать на:

Низкотемпературного класса (рабочая температура ниже 170 К);

Среднетемпературного класса (рабочая температура от 170 К до 510 К);

Высокотемпературного класса (рабочая температура от 570 К и выше);

Отдельный класс высокотемпературных (рабочая температура от 900 К до 1300 К).

Все эти элементы, как термисторы, так и позисторы, могут работать при разнообразных климатических внешних условиях и при существенных физических внешних и токовых нагрузках. Однако в жестких термоцикличных режимах, со временем меняются их исходные термоэлектрические характеристики, как то номинальное сопротивление при комнатной температуре и температурный коэффициент сопротивления.

Встречаются и комбинированные компоненты, например терморезисторы с косвенным нагревом . В корпусах таких приборов размещены сам и терморезистор и гальванически изолированный нагревательный элемент, задающий исходную температуру терморезистора, и, соответствующим образом, его начальное электрическое сопротивление.

Данные приборы применяются в качестве переменных резисторов, управляемых напряжением, приложенным к нагревательному элементу терморезистора.

В зависимости от того, как выбрана рабочая точка на ВАХ конкретного компонента, определяется и режим работы терморезистора в схеме. А сама ВАХ связана с конструктивными особенностями и с приложенной к корпусу компонента температурой.

Для контроля за вариациями температур и с целью компенсации динамически меняющихся параметров, таких как протекающий ток и приложенное напряжение в электрических цепях, изменяющихся вслед за изменениями температурных условий, применяют терморезисторы с выставлением рабочей точки на линейном участке ВАХ.

Но рабочая точка выставляется традиционно на спадающем участке ВАХ (NTC-термисторы), если термистор применяется, например, в качестве пускового устройства, реле времени, в системе отслеживания и измерения интенсивности СВЧ-излучения, в системах пожарной сигнализации, термического контроля, в установках управления расходом сыпучих веществ и жидкостей.

Наиболее популярны сегодня среднетемпературные термисторы и позисторы с ТКС от -2,4 до -8,4 % на 1 К . Они работают в широком диапазоне сопротивлений от единиц Ом до единиц мегаом.

Встречаются позисторы с относительно малым ТКС от 0,5% до 0,7% на 1 К, изготовленные на базе кремния. Их сопротивление изменяется практически линейно. Подобные позисторы широко применяются в системах температурной стабилизации и в системах активного охлаждения силовых полупроводниковых ключей в разнообразных современных электронных приборах, особенно — в мощных. Эти компоненты легко вписываются в схемы и не занимают много места на платах.

Типичный позистор имеет форму керамического диска, иногда в одном корпусе устанавливаются последовательно несколько элементов, но чаще – в одиночном исполнении в защитном покрытии из эмали. Позисторы часто применяют в качестве предохранителей для защиты электрических схем от перегрузок по напряжению и току, а также в качестве термодатчиков и автостабилизирующих элементов, в силу их неприхотливости и физической устойчивости.

Термисторы широко применяются в многочисленных областях электроники, особенно там, где важен точный контроль за температурным процессом. Это актуально для аппаратуры передачи данных, компьютерной техники, высокопроизводительных ЦПУ и промышленного оборудования высокой точности.

Один из простейших и весьма популярных примеров применения термистора – эффективное ограничение пускового тока. В момент подачи напряжения к блоку питания от сети, происходит чрезвычайно резкий заряд конденсатора значительной емкости, и в первичной цепи протекает большой зарядный ток, способный сжечь диодный мост.

Этот ток здесь и ограничивается термистором, то есть данный компонент схемы изменяет свое сопротивление в зависимости от проходящего по нему тока, поскольку в соответствии с законом Ома происходит его нагрев. Термистор после этого восстанавливает свое исходное сопротивление, через несколько минут, как только остынет до комнатной температуры.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое терморезисторы, их конструкция, виды, технические параметры

Соблюдение теплового режима в современных электронных устройствах не менее важно, чем обеспечение параметров электрического тока. Перегрев для полупроводниковых приборов так же губителен, как и резкое увеличение напряжения. Поэтому для контроля температуры термочувствительных электронных приборов применяются электрические схемы с использованием температурных датчиков, таких как терморезистор. Другие названия: термистор, термосопротивление.

Что такое терморезистор?

Обычный резистор обладает относительно стабильным сопротивлением. Разумеется, электрическое сопротивление обычного резистора может меняться при значительном его нагревании (в пределах допусков). Но в штатном режиме показания этих устройств стабильны, чего, собственно, добиваются разработчики.

При изготовлении терморезисторов умышленно подбирают такие материалы, сопротивление которых зависит от температуры. То есть, терморезистор – это полупроводниковый прибор, обладающий зависимостью его сопротивления от температуры. Можно сказать, что путем нагревания или охлаждения таких полупроводниковых устройств можно управлять их сопротивлениями.

Рис. 1. Терморезистор и его изображение на схемах

Температурные зависимости полупроводниковых резисторов широко применяются на практике, о чем речь пойдёт ниже. Заметим только, что термисторы являются, по сути, переменными резисторами, сопротивление которых изменяется не механическим способом, а зависит от степени нагрева и температурных характеристик применяемых полупроводниковых материалов. Причем не важно, прямым или косвенным нагревом произошло изменение температурных показателей.

Конструкция

Самый простой термистор состоит из термочувствительного элемента, платиновых электродов и никелевых выводов. Вся эта конструкция заключена в герметичный корпус (Схема строения показана на рисунке 2).

В качестве термочувствительного материала используют оксиды металлов. Для защиты конструкции используют стеклянный, пластиковый или металлический корпус.

Рис. 2. Конструкция простого термистора

В некоторых случаях в качестве резистивного материала используют медь или платину. Эти материалы обладают высокими показателями ТКС металлов в рабочем диапазоне температур. Однако их применение ограничено по причине дороговизны платины и ее нелинейности преобразования.

Использование медных терморезисторов ограничивается низкой коррозионной сопротивляемостью меди. Благодаря высокой теплопроводности этого металла резистивные элементы на основе меди встречаются в моделях с косвенным нагревом. Применяются для температур не выше 180 ºC.

Еще одним недостатком металлических термосопротивлений является их инерционность, достигающая нескольких минут. Такие конструкции мало пригодны для поддержания теплового режима электроприборов, но они идеально подходят в качестве датчиков для измерения температуры.

С целью уменьшения тепловой инерционности терморезисторы изготавливают из микропроводов, которые заключают в стеклянную колбочку (см. рис. 3). Такие датчики хорошо герметизированы, отличаются стабильностью, а их инерционность не превышает долей секунд.

Рисунок 3. Конструкция термистора в стеклянной колбе

Широкое распространение получили типы датчиков на базе полупроводниковых материалов. При нагревании полупроводников происходит насыщение этих материалов электронами и дырками, что приводит к уменьшению сопротивления.

Существуют конструкции плоских терморезисторов (рис. 4), а также полупроводниковые термисторы со сложной структурой резистивного элемента.

Рис. 4. Конструкция плоского терморезистора

Сегодня все чаще можно встретить платы, на которых применен способ SMT монтажа. Для этих целей промышленность выпускает SMD-терморезисторы разных номиналов (см. рис. 5).

Рис. 5. Терморезисторы для микроэлектроники

В большинстве конструкций терморезистивный элемент изготовляют методом порошковой металлургии. В этих целях используют материалы:

  • халькогениды;
  • оксиды металлов;
  • галогениды и другие.

Очертание резистивных элементов может иметь форму бусинок, стержней, трубочек, пластинок и т. п.

Какую конструкцию вы бы не выбрали, принцип работы остается неизменным – зависимость сопротивления от температуры. Отличаются изделия только параметрами.

Режим работы терморезисторов

В зависимости от конструкторских замыслов, термисторы могут работать в системах с разными температурными режимами. Однако для каждой модели существует своя номинальная шкала температур.

По этому признаку их можно классифицировать следующим образом:

  • терморезисторы низкотемпературного класса (до 170 К);
  • изделия среднетемпературного класса (применяются в диапазоне температур 170 – 510 К);
  • модели высокотемпературного класса (в пределах от 570 К и выше).

В отдельный класс выделены терморезисторы, способные работать при нагревах от 900 до 1300 К. Эти модели используют в качестве датчиков температуры различных нагревательных элементов.

Все термисторы выдерживают существенные токовые нагрузки. Правда, при работе в жестких термоцикличных режимах, их термоэлектрические характеристики, могут изменяться. Со временем изменения коснутся номинального сопротивления и коэффициента сопротивления.

Разновидности

Все терморезисторы классифицируют по типу нагрева: прямой и косвенный. Для прямого подогрева используется ток цепи, в которую включен терморезистор. Косвенный подогрев создают сторонние участки схемы или тепловые элементы.

Пример терморезистора прямого подогрева показан на рис. 6.

Рис. 6. Терморезисторы прямого подогрева

Также, в зависимости от того – повышается или понижается сопротивление при нагревании резистивного элемента, различают термисторы двух видов:с отрицательным ТКС и терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления.

NTC.

Полупроводниковые модели (термисторы) обладают отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. Это значит, что они уменьшают номинальное сопротивление (показания при 25 ºC), в результате нагрева. Температурный коэффициент показывает, на сколько процентов уменьшается сопротивление резистивного элемента при повышении температуры нагрева на 1 ºC.

Термисторы NTC с отрицательным коэффициентом обычно применяются в диапазоне рабочих температур от 25 ºC до 200 ºC. Для температур свыше 600 ºC применяют термопары.

PTC.

Терморезисторы типа PTC обладают положительными температурными коэффициентами. Эти PTC-термисторы часто именуют позисторами, чтобы подчеркнуть положительность температурного коэффициента. Под этим термином мы понимаем терморезистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры.

Технические параметры

Большое разнообразие моделей термосопротивлений продиктовано потребностями современной электронной промышленности. Технические параметры изделий полупроводникового типа позволяют полностью удовлетворить спрос производителей радиоэлектронных и электротехнических устройств.

К основным параметрам относятся:

  • номинальное сопротивление терморезистора, измеренное при температуре 25 ºC;
  • мощность рассеяния (то есть максимальный ток, при котором обеспечиваются стабильность параметров терморезистора);
  • диапазон рабочих температур, для которых предназначен терморезистор;
  • ТКС.

Полупроводниковые термисторы обладают высокой чувствительностью в сочетании с отрицательными значениями ТКС. Они просты в изготовлении, имеют крохотные размеры, легко встраиваются в микросхемы. Все эти свойства делают термисторы незаменимыми в микроэлектронике.

Полупроводниковые термисторы подключаются через мостовую схему. Такое подключение позволяет в автоматическом режиме регулировать требуемые параметры электрических цепей. Иногда для этих целей приходится применять довольно сложные схемы автоматики.

Параметры металлических терморезисторов больше подходят для электротехнических устройств, в частности, они используются в качестве датчиков температуры. Их можно увидеть в водонагревательных установках, или в термометрах сопротивления. Такие типы датчиков (рис. 7) очень надежны в работе, имеют довольно широкий диапазон измерения.

Рис. 7. Датчик температуры

Датчики этого типа подключаются по простой схеме. Если требуется провести калибровку или выставить температуру, это обычно делается вручную, с помощью потенциометра. Простая схема подключения датчика температуры показана на рис. 8. Изменяя потенциометром напряжение можно влиять на величину ТКС. Визуально контролировать температуру можно с помощью амперметра, шкала которого проградуирована в градусах.

Рис. 8. Простая схема подключения терморезистора

Обозначение на схемах

На принципиальной схеме значки терморезисторов почти такие же, как и символы обычных резисторов, но с косой линией, перечеркивающей прямоугольник. (см. рис. 9). Для различения типа терморезистора внизу этой косой линии проставляют букву t со значком градуса и знаком «+» или «–», в зависимости от типа изделия. Например, +tº или –tº.

Рис. 9. Обозначение на схемах

Иногда проставляется номинал терморезистора и его температурный диапазон.

Маркировка

Существует два способа маркировки – буквенно-цифровая и цветовая, в виде колец и полосок. Единых требований для буквенной маркировки не существует – разные производители применяют свои варианты обозначений. Например, на дисковом термисторе могут стоять символы «15D-30», что расшифровывается так: номинальное сопротивление 15 Ом, диаметр изделия 30 мм. Здесь значение диаметра прямо связано с рассеиваемой мощностью – чем больше диаметр, тем больше рассеиваемая мощность термистора.

Заметим, что у другого производителя эти же параметры могут маркироваться совсем другим способом. Поэтому лучше пользоваться технической документацией изготовителя изделия.

Применение

В основном терморезисторы используют для защиты оборудования и различных устройств от перегрева и от возможных перегрузок. Реже зависимостью сопротивления стабилизируют работу нагревательного элемента.

Примеры использования:

  • защита электромоторов от перегрева;
  • тепловая защита обмоток трансформаторов;
  • в системах размагничивания кинескопов и старых моделей мониторов;
  • в электронных схемах современных автомобилей.

В большинстве схем используется способность термисторов преобразовывать внутреннюю энергию в электрический сигнал, который считывается автоматикой.

В нагревательных приборах терморезистор довольно часто используется в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Его сопротивление возрастает при достижении критической температуры и в результате этого электрическая цепь размыкается.

После остывания прибор восстанавливает работоспособность.
Сферы применения можно перечислять очень долго, но и эти примеры показывают, насколько востребованными оказались термисторы и термисторы.

Видео по теме

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий