Termistor

Typická teplotná charakteristika NTC termistoru

Typická teplotná charakteristika PTC termistoru

Zničený NTC termistor, ktorý plnil funkciu obmedzovača štartovacieho prúdu v spínanom zdroji. Najpravdepodobnejší dôvod zlyhania (prehriatia) bolo preťaženie spôsobené konštrukčnou chybou (súčiastka bola poddimenzovaná voči očakávanému výkonu zdroja).

Termistor je pasívna elektronická súčiastka (špecializovaný typ rezistoru), ktorej elektrický odpor je závislý od teploty. Názov pochádza z angl. thermistor, ktorý má pôvod v kombinácii slov thermal a resistor

Podľa povahy teplotnej závislosti sa termistory delia na dva druhy:

PTC termistor (z angl. Positive Temperature Coefficient – pozitívny teplotný koeficient) alebo pozistor, ktorého odpor pri zahrievaní rastie
NTC termistor (z angl. Negative Temperature Coefficient – negatívny teplotný koeficient) alebo negastor, ktorého odpor pri zahrievaní klesá.

Termistory sa konštrukčne líšia od odporových snímačov teploty (skr. RTD z angl. Resistance Temperature Detector), typickým reprezentantom ktorých je napr. platinový senzor PT100. Zatiaľ čo odporové snímače sú z čistého kovu, termistory sú vyrobené z keramických alebo polymérových materiálov na báze polovodičov. Sú použiteľné v užšom rozsahu teplôt než odporové snímače, v tomto rozsahu sa však vyznačujú rádovo vyššou citlivosťou na zmenu teploty, čo umožňuje ich využitie v špecifických typoch obvodov, kde nemajú priamu náhradu (pozri nižšie).

Vlastnosti

Výhody (v porovnaní s inými typmi teplotných snímačov):

vysoká citlivosť (pri 25° až 400 Ω/°C, odporový snímač len 0,4 Ω/°C, termočlánok 40 µV/°C ^[1])
rýchla odozva na zmenu teploty
vďaka vysokému odporu a citlivosti stačí dvojvodičové meranie (odporový snímač vyžaduje pre presné meranie 4-vodičové pripojenie, aby bolo meranie napäťového úbytku na snímači nezávislé od prívodu meracieho prúdu. Vylúči sa tak vplyv odporu prívodných vodičov.)

Nevýhody:

výrazne nelineárna charakteristika
obmedzený teplotný rozsah (−80 °C až 150 °C podľa typu^[1])
zahrievanie vplyvom priechodu meracieho prúdu

Využitie

meranie teploty. Po vhodnej linearizácii teplotnej charakteristiky termistoru je možné jeho teplotnú závislosť využiť na relatívne presné meranie teploty pri konštrukcii teplomerov, termostatov, indikátorov určitej prahovej teploty a pod.
stabilizácia alebo obmedzenie prúdu, tečúceho obvodom (nadprúdová ochrana). Využíva sa negatívna spätná väzba, pôsobiaca pri vlastnom ohreve PTC termistoru v dôsledku prechádzajúceho prúdu. Prúd, tečúci obvodom ohrieva termistor, ktorého odpor následne stúpa, čo pôsobí proti ďalšiemu nárastu prúdu.
zabezpečenie plynulého nárastu prúdu obvodom po zapnutí (tzv. plynulý štart alebo plynulý nábeh, angl. soft start). Využíva sa pozitívna spätná väzba, pôsobiaca pri vlastnom ohreve NTC termistoru v dôsledku prechádzajúceho prúdu. Prúd, tečúci obvodom postupne ohrieva termistor, ktorého odpor následne klesá, čo podporuje nárast prúdu. Toto zapojenie sa v minulosti používalo napr. v žeraviacom obvode elektrónkových spotrebičov.
priamy ohrev malého uzavretého priestoru PTC termistorom. Využíva sa negatívna spätná väzba, pôsobiaca pri vlastnom ohreve PTC termistoru v dôsledku prechádzajúceho prúdu. Pri náraste teploty termistoru vzrastie jeho odpor. Pri napájaní zo zdroja konštantného napätia to spôsobí pokles výkonu, zmareného na termistore, čo pôsobí proti ďalšiemu rastu teploty. Výsledkom je jednoduché vyhrievanie so stabilizáciou teploty vyhrievaného priestoru. Toto riešenie sa využíva na stabilizáciu pracovnej teploty obvodov (napr. kryštálové oscilátory s vyššími nárokmi na stabilitu frekvencie a pod.)

Matematický model teplotnej charakteristiky

Steinhart-Hartova rovnica

Steinhart-Hartova rovnica je aproximáciou teplotnej charakteristiky termistoru polynómom 3. rádu:

{\frac {1}{T}}=a+b\,\ln(R)+c\,\ln ^{3}(R)

kde T je teplota v kelvinoch, R je odpor v ohmoch, a, b, c sú Steinhart-Hartove parametre – konštanty, špecifické pre konkrétny termistor (príklad výpočtu konštánt z troch nameraných hodnôt teplota-odpor, pozri ^[1]).

Po vyjadrení odporu ako funkcie teploty dostaneme:

R=e^{{\left(\beta -{\alpha  \over 2}\right)}^{1 \over 3}-{\left(\beta +{\alpha  \over 2}\right)}^{1 \over 3}}

kde

\alpha ={{a-{1 \over T}} \over c}

and

\beta ={\sqrt {{{\left({b \over {3c}}\right)}^{3}}+{{\alpha ^{2}} \over 4}}}

Chyba aproximácie Steinhart-Hartovou rovnicou môže byť menej ako 0,02 °C pri meraní teploty v pracovnom rozsahu termistoru a po dôkladnej kalibrácii konštánt. ^{[chýba zdroj]}

Príklad typických hodnôt konštánt pre NTC termistor s odporom 3 000 Ω pri izbovej teplote (25 °C = 298,15 K):

a=1.40\times 10^{-3}

b=2.37\times 10^{-4}

c=9.90\times 10^{-8}

Integrované senzory teploty

Na pohodlné, spoľahlivé a presné elektronické meranie teploty v širokom rozsahu dnes už existujú špecializované senzory vo forme integrovaných obvodov. Na meranie teploty sú často oveľa vhodnejšie než klasické diskrétne senzory (termistor, odporový snímač, termočlánok), nakoľko nevyžadujú kalibráciu ani linearizáciu charakteristiky, sú odolné, netrpia starnutím a zapojenie s nimi je v konečnom dôsledku jednoduchšie, opakovateľnejšie a často aj lacnejšie.

analógové integrované senzory s výstupom, priamo úmerným teplote (napr. LM35 – prevodník teplota/napätie, SMT160 – prevodník teplota/strieda)
digitálne integrované senzory, zvlášť vhodné pre priame meranie teploty počítačom alebo mikrokontrolérom (napr. DS18B20 – 12-bitový teplotný senzor s jedinečným sériovým číslom pre paralelné pripojenie na 1-vodičovú zbernicu)

Pozri aj

Referencie

↑ ^a ^b ^c Measurement Specialties thermistor technical data sheet: Temperature

Chudý, V., Palenčár, R., Kureková, E., Halaj, M.: Meranie technických veličín. Bratislava, Vydavateľstvo STU 1999, ISBN 80-227-1275-2

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Termistor

[meas-1] Measurement Specialties thermistor technical data sheet: Temperature

[1]