Тепловой резистор: Тепловой резистор

Резистор, для чего он нужен, где применяется в автомобилях

Сегодня мы поговорим про резистор, как основной элемент любой электрической цепи автомобиля. Для чего он нужен, какие бывают резисторы, принципы их работы, какие подходят для той или иной электрической цепи.

Эти знания могут пригодиться при ремонте автомобиля.

Три основные составляющие электрического тока

Электроэнергия достаточно плотно вошла в нашу жизнь. Используется она практически везде, и в автотранспорте в том числе.

Данный вид энергии имеет три основных составляющих – напряжение, сила тока и сопротивление.

Что касается последнего параметра, то благодаря возможности создания дополнительного сопротивления в любой точке электрической цепи можно влиять на первые два параметра.

Основным элементом для создания сопротивления является резистор. Данный элемент относится к самым востребованным, и ни одна электрическая цепь без него не обходится, и заменить его чем-либо другим не получится. А в любом автомобиле электрических цепей предостаточно.

Назначение

Основное назначение резистора – создание сопротивления для возможности контроля и регулировки силы тока и сопротивления. По сути, он является своеобразным фильтром, позволяющим на выходе из него получить электроэнергию с определенными параметрами.

Обеспечивает он все это за счет удержания тока, деления и уменьшения напряжения.

Основным параметром резистора является сопротивление, которое он создает в цепи, и измеряется оно в Омах.

Резисторы в электрической цепи автомобиля.

Именно благодаря своей функции этот элемент так часто используется в автомобилях. Ниже мы рассмотрим одни из основных составляющих авто, где используется резистор и какую конкретно функцию он там выполняет.

Система охлаждения

Итак, нагрузочный резистор используется в системе охлаждения автомобиля, а точнее, – в цепи питания вентилятора радиатора.

Стоит отметить, что раньше этот электрический элемент не использовался в данной цепи, и все работало очень просто – при достижении определенной температуры охлаждающей жидкости, температурный датчик замыкал контакты цепи питания вентилятора, и он включался в работу.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Использование же резистора позволило сделать работу электродвигателя вентилятора двух — и даже трехрежимной.

Процесс подачи питания на вентилятор при этом несколько изменился. В систему добавились также реле, а за включение вентилятора у современных авто уже отвечает электронный блок управления.

То есть, электронный блок анализирует температурные показатели датчика, и подает сигнал на реле.

В зависимости от температуры реле направляет электроэнергию по определенной цепи. Если температура охлаждающей жидкости превышена незначительно, но уже требуется ее снижение, и сигнал от ЭБУ поступил, реле направляет электроэнергию через нагрузочный резистор, который создает сопротивление, и вентилятор начинает вращаться с небольшой скоростью.

Если температура будет дальше повышаться и достигнет критической точки, реле перенаправит электроэнергию по другой цепи – в обход резистора, напрямую к вентилятору, что обеспечит его работу на полную мощность, с большой скоростью вращения.

Это схема двухрежимной работы вентилятора, которая обеспечивается наличием нагрузочного резистора в цепи. Причем она упрощенная, чтобы было более понятно.

В авто с трехрежимной работой вентилятора, принцип остается тот же, но у него уже используется два резистора – один отвечает за малые обороты вращения вентилятора, второй – за средние.

Третий же режим – аварийный, при котором вентилятор вращается с максимальной скоростью, обеспечивается за счет подачи питания на него напрямую.

Система зажигания

Второй элемент автомобиля, где можно встретить резистор – это свечи зажигания. Но далеко не все свечи оснащены им.

В конструкции данных элементов он начал появляться не так давно, и задача его заключается в подавлении радиопомех.

Кстати, сейчас ведется очень много споров, нужен ли он в свечах. Ведь резистор создает сопротивление, которое в конечном итоге влияет и на искру. А ведь чем сильнее последняя, тем лучше воспламеняется горючая смесь.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Но на самом деле на качестве искры наличие резистора сказывается незначительно, а вот на свечу – только положительно. Очень сильный искровой заряд приводит к разрушению электродов, а сопротивление снижает напряжение искры.

Но не в этом его главное назначение. Мощный искровой разряд создает достаточно сильные помехи в радиочастотном диапазоне, которые могут повлиять на работу аудиосистемы автомобиля, мобильного телефона и любого другого оборудования, чувствительного к помехам данного типа.

Интересно, что необязательно устанавливать на автомобиль свечи зажигания, оснащенные резисторами.

Дело в том, что во многих моделях шумоподавляющий элемент устанавливается в наконечники проводов высокого напряжения. Также некоторые виды самих проводов обладают достаточно неплохим сопротивлением, которого хватает для подавления радиопомех.

Резистор также может быть установлен и в бегунок трамблера, причем встречается он там на многих моделях. Его задача – та же, что и в свече зажигания или наконечнике.

Важно понимать, что во всех перечисленных элементах зажигания одновременно использоваться резисторы не могут.

При последовательном подключении этих элементов все сопротивление, которое они создают, суммируется.

То есть, если резистор будет установлен в бегунке трамблера, наконечнике, свече, то они будут создавать настолько сильное сопротивление, что значительно послабят искровой заряд, и он уже не сможет качественно воспламенять смесь. А это приведет к перебоям в работе двигателя, потере мощности, увеличению расхода топлива.

Поэтому принимать решение, стоит ли устанавливать на автомобиль свечи зажигания с резистором необходимо, тщательно ознакомившись с техдокументацией, идущей к авто.

Если изготовитель указывает, что необходимо использование таких свечей, то ими лучше пользоваться.

Читайте также:

Система обогрева салона

Еще один элемент в конструкции автомобиля, где используется резистор – система отопления салона, а точнее, – управление работой электродвигателя печки.Тепловой резистор: Тепловой резистор

В любом автомобиле используется переменный резистор для изменения скорости работы электромотора обогревателя.

В нем при помощи вращающегося элемента обеспечивается возможность изменения значения сопротивления.

При включении электродвигателя на 1-ю скорость вращения, резистор обеспечивает максимальное сопротивление, при переключении на 2-ю – оно уменьшается, а при переходе на 3-ю скорость — практически полностью убирается.

Осветительные приборы

В последнее время резисторы стали использоваться вместе со светодиодными лампами. Данный вид ламп все больше начал применяться на авто.

Но далеко не все машины пока идут с завода, укомплектованные светодиодными осветительными приборами, а вот отдельно их купить и установить вместо штатных ламп накаливания тех же поворотников или стоп-сигналов вполне можно и многие так делают.

Но здесь возникает проблема, которая обязывает использовать резисторы.

Дело в том, что потребление электроэнергии этими лампами очень малое, из-за чего электронный блок расценивает работу светодиодов как неисправность штатной лампы.

Чтобы исправить ситуацию, используются резисторы, создающие нагрузку на линии проводки, запитывающей те осветительные приборы, в которых установлены светодиодные лампы.

В результате ЭБУ воспринимает сопротивление элемента, как работу лампы накаливания, поэтому кода ошибки не возникает.

Интересно, что при использовании таких обманок основное достоинство светодиодных ламп – малое потребление энергии, сводится к нулю, и у них остается только одно преимущество перед обычными лампами накаливания – длительный срок эксплуатации.

Виды резисторов, их особенности

Из описанных выше резисторов, которые используются в конструкции автомобиля, можно отметить два типа – нагрузочные, они же постоянные и переменные. В целом – это и есть два основных вида, которые имеют достаточно широкое применение в разных сферах.

Конечно, есть еще целый ряд всевозможных резисторов, которые отличаются по своим конструктивным особенностям.Тепловой резистор: Тепловой резистор К примеру, терморезисторы, в которых сопротивление меняется от температуры, или фоторезисторы, меняющие свои параметры от освещенности. Но их мы пока касаться не будем, а рассмотрим лишь указанные два вида.

Постоянные резисторы называются так потому, что сопротивление, которое они создают – неизменное.

К примеру, если указано, что основной параметр данного элемента составляет 30 Ом, то сопротивление именно этого значения он обеспечивает и поменять его невозможно.

В переменных же резисторах сопротивление можно менять, притом вручную. Примером тому является уже упомянутое управление электродвигателем системы отопления.

К переменным резисторам относятся также подстроечные.

В таких резисторах тоже можно изменять параметр вручную, но регулировка его выполняется не в любой момент, как это делается в переменном, а лишь когда требуется перенастроить работу всей схемы, куда он включен, на длительный срок.

В автотранспорте подстроечные элементы не используются, хотя их часто можно встретить в бытовой технике.

Подбор резистора по сопротивлению

Большинство людей при выходе из строя какого-то электроприбора сдают его в ремонт или заменяют, хотя во многих случаях виноват именно резистор, тем более что он – один из самых распространенных элементов в любой схеме. Но находятся и такие, кто самостоятельно берется за ремонт.

И часто у любителей самостоятельного ремонта возникает вопрос, как правильно подобрать резистор для той или иной схемы.

Для этого возьмем простейшую схему, включающую источник питания и один потребитель.

Еще вначале было указано, что электроэнергия имеет три основные характеристики – напряжение, сила тока и сопротивление. Именно по этим параметрам и производятся все необходимые расчеты, используя для этого закон Ома.

Согласно этого закона, поскольку нам необходимо определение сопротивления, следует напряжение поделить на силу тока.

К примеру, наш источник питания обеспечивает цепь напряжением 12 В, с силой тока 0,02 А.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Чтобы определить сопротивление проводим математические расчеты – 12/0,02 и получаем сопротивление цепи 600 Ом.

Теперь непосредственно о том, как высчитать сопротивление резистора для использования в той или иной схеме. Для примера возьмем источник питания на 12 В и потребитель (лампу накаливания 3,5 В, 0,28 А).

Вначале рассчитывается сопротивление лампы – 3,5/0,28 = 12,5 Ом. Теперь узнаем, какая сила тока потечет через имеющуюся лампу – для этого берем напряжение источника питания и делим на сопротивление: 12/12,5 = 0,96 А, что в 3,5 раза превышает необходимую для работы потребителя силу тока, и если подключить потребитель, то нить лампы попросту перегорит.

Чтобы перегорания не произошло, необходимо сопротивление в цепи, равное 43,75 Ом (12,5 * 3,5). А поскольку лампа сама создает сопротивление, то в схему необходимо подключить добавочный резистор на 30 Ом. В ходе расчетов получаем – 12 В/ 42,5 Ом (сопротивление лампы и резистора) = 0,28 А.

То есть получили силу тока, необходимую для нормальной работы потребителя. В данном случае включенный в схему элемент выступил в качестве ограничителя силы тока.

Мощность рассеивания

Помимо сопротивления у резистора есть еще один немаловажный параметр – мощность рассеивания.

Любой резистор выступает своего рода ограничителем и благодаря своему сопротивлению проводит через себя только определенное напряжение и силу тока. При этом излишки, которые он не пропустил в себе не накапливает, а преобразует их в тепловую энергию и рассеивает.

Поэтому предусмотрены обозначения резисторов по мощности рассеивания.

Несоответствие данного элемента по мощности рассеивания приведет к его перегреву и разрушению. Мощность рассеивания измеряется в Ваттах.

Определить мощность рассеивания можно как по напряжению, проходящему через него, так и по силе тока.

Что касается напряжения, то формула для расчета выглядит так:

Где:

  1. Р – мощность;
  2. U – напряжение в цепи;
  3. R – сопротивление резистора.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Для расчета по силе тока формула имеет такой вид:

Где:

  1. P – мощность;
  2. I – сила тока, проходящая через резистор;
  3. R – сопротивление.

Важным условием при выборе резистора по данному параметру является то, что мощность рассеивания у него должна быть вдвое больше, чем полученная при расчетах.

К примеру, мы имеем силу тока в 0,1 А и сопротивление резистора в 100 Ом.

Исходя из формулы, получаем мощность рассеиваний в 1 Ватт (0,12 * 100 = 1), но для нормальной работы элемента выбираем резистор с мощностью рассеивания в 2 Ватт.

Отметим, что все изготавливаемые резисторы имеют строго определенное значение мощности рассеивания, что облегчает их выбор.

К тому же можно даже визуально определить, какая у резистора мощность рассеивания. Здесь все просто, чем больше по размерам элемент, тем выше значение.

Здесь мы рассмотрели резисторы – одни из самых распространенных элементов в любой электрической схеме автомобиля. Ведь они позволяют контролировать основные параметры электрической энергии благодаря воздействию всего лишь на одну из ее характеристик.

Напоследок отметим, что при расчетах необходимо следить за размерностью параметров. То есть, использовать только амперы, вольты и омы, и если указано, что сила тока составляет 20 мА, то следует перевести это значение в амперы, получив для расчетов значение в 0,02 А.

Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике

Кажущаяся простота и очевидность применения резисторов создает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое впечатление малого влияния резисторов, как крайне простых, с точки зрения схемотехники, приборов на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Однако это не так, и применение резисторов, как и любых других компонентов, требует тщательного подхода к выбору типов и обеспечению благоприятных условий работы.

Для лучшего понимания особенностей работы резисторов обратимся к базовым понятиям.Тепловой резистор: Тепловой резистор Резистор, как элемент электрической цепи, служит для создания сопротивления протеканию электрического тока. В идеальном случае работа резистора определяется фундаментальным законом, установленным немецким физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:

где R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, следующей из закона Ома:

или

Здесь P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов — как собственно резистивного элемента, так и его арматуры. Именно максимальная температура наиболее горячего участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.

В зависимости от условий, в которых находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает различный прирост температуры прибора, поэтому при выборе резистора важно не только определить выделяемую мощность, но и условия его работы. Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения предельно допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.

При эксплуатации резистора следует помнить, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения или от протекающего тока (рис.Тепловой резистор: Тепловой резистор 1).

Рис. 1. Зависимость выделяемой мощности от напряжения (тока) резистора

Это означает, что небольшой рост напряжения или тока в цепи вызовет существенный рост рассеиваемой мощности, которая может превзойти максимально допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Поэтому при выборе резистора важно не только знать номинальные ток и напряжение для него, но и учитывать возможные продолжительные отклонения, в частности из-за колебаний напряжения питающей сети.

Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некоторое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду посредством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет равновесная температура при одной и той же выделяемой мощности. Кроме того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи существенно зависит от конструкции резистора, применяемых материалов и условий охлаждения.

Приводимые в справочных материалах величины максимальной рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного охлаждения. На сегодняшний день существует ряд стандартов, регламентирующих метод определения максимально допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева наиболее горячего участка резистора. Ведущие производители мощных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности своих приборов обычно руководствуются рекомендациями National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таковым, максимально допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора заданных физических характеристик и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева наиболее горячего участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С.Тепловой резистор: Тепловой резистор Измерение производится при неподвижном воздухе в условиях свободной конвекции и удалении резистора от ближайшего объекта (в частности, стен, панелей, приборов) не менее чем на 35 см.

Несколько иные условия измерений определяет стандарт MIL-R-26, первоначально разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического применения, а затем распространенный и на приборы промышленного и коммерческого назначения. Согласно этому стандарту максимальная температура нагрева наиболее горячего участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С. Таким образом, соответствующая температура перегрева составляет 325 °С.

На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по различным стандартам в зависимости от относительной рассеиваемой мощности.

Рис. 2. Зависимость температуры перегрева резистора от относительной рассеиваемой мощности

В первом приближении температура резистора зависит от площади его поверхности, а также (в меньшей степени) от ряда других факторов, таких как теплопроводность основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, отношения длины резистора к его диаметру, теплопередача через выводы и средства монтажа.

Максимально допустимая температура резистора будет определяться свойствами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может потерять работоспособность. В общем случае на данную величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.

В нормальных условиях эксплуатации следует принимать во внимание не только и не столько физическое функционирование резистора, но и другие параметры, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (особенно для резисторов открытых типов), изменение характеристик при циклической нагрузке и т.Тепловой резистор: Тепловой резистор п.

Если температура окружающей среды отличается (в сторону увеличения) от 25 °С (или 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается максимально допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно рекомендациям NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA).

Рис. 3. Зависимость относительной мощности рассеяния резистора от температуры окружающего воздуха

При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не зависит от величины температуры окружающей среды. Однако это не совсем верно. Точный расчет должен учитывать повышение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый за счет этого при невысоких температурах (до 1000–1500 °С) весьма невелик, и его можно не учитывать в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.

Для некоторых типов резисторов в справочных данных указывается предельно допустимая тепловая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см2 (для резисторов большого размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см2 (для небольших резисторов с мощностью 10–20 Вт). Эту величину удобно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.

Следует обратить внимание на то, что в рекомендациях по определению максимальной мощности резисторов не указано расположение резистора относительно поверхности земли. Но имеется точное указание на то, что температура измеряется для наиболее горячего участка резистора. У горизонтально расположенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (в зависимости от способа крепления). При вертикальном расположении зона максимального нагрева смещается вверх на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний.Тепловой резистор: Тепловой резистор Это вызывает некоторое увеличение механических напряжений в конструкции прибора и может снизить его надежность. Поэтому при прочих равных условиях всегда следует предпочитать горизонтальное расположение резисторов, за исключением специально предназначенных для вертикального монтажа приборов, например в теплоотводящих корпусах из алюминиевого профиля. Для ряда особых случаев применения (например, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются специальные резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редкая в середине), у которых температура практически постоянна по всей длине прибора.

Рассмотрим подробнее основные факторы, определяющие температуру резистора, либо, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превышает заданной:

1. Температура окружающей среды

Повышение температуры окружающей среды вызывает соответствующее снижение допустимой температуры перегрева и соответствующей ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды приведен выше, на рис. 3. Если температура окружающей среды ниже той, для которой была определена максимальная мощность рассеяния (25 °С или 40 °С), то в ряде случаев можно допустить повышение максимальной мощности выше типовой величины, но при этом необходимо дополнительно уточнять возможности резистора по работе с токами, превышающими номинальный. Превышение тока резистора в данном случае может вызвать не увеличение его температуры выше предельно допустимой, а разрушение внешних и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.

2. Монтаж в закрытом корпусе

Монтаж резистора в корпусе ухудшает условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенками корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее пространство корпуса), а также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ холодного воздуха к резистору).Тепловой резистор: Тепловой резистор Существенное влияние на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стенок, их материал и наличие перфорации и окраски поверхности. Ухудшение условий работы резистора при помещении в корпус хорошо демонстрируют графики на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость температуры перегрева резистора от мощности при монтаже в свободном пространстве и в корпусах разного размера

3. Монтаж групп резисторов

Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются сильнее, чем одиночный резистор при такой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет взаимного нагрева резисторов излучением и увеличением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтобы температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, необходимо снижать мощность, приходящуюся на каждый из приборов по отношению к максимально допустимой для одного свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого снижения мощности рассеяния на каждом из резисторов в зависимости от количества резисторов в группе и расстояний между ними.

Рис. 5. Зависимость допустимой мощности рассеяния каждого резистора в группе от количества резисторов и расстояний между ними

4. Высота над уровнем моря

Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, зависит от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем меньшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха снижается, а это означает, что максимальная мощность рассеяния резисторов будет снижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже настолько мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-нибудь заметную роль в общем тепловом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции.Тепловой резистор: Тепловой резистор На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).

Рис. 6. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от высоты над уровнем моря

5. Работа в импульсных режимах

Если ток через резистор протекает не постоянно, а в течение определенных интервалов времени, а в остальные моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значительного промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных элементов и окружающего воздуха. В результате температура резистора не превышает максимально допустимую даже при импульсных мощностях, многократно превышающих максимальную мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводность конструкции), так и от длительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов различных типов, определенные согласно рекомендациям NEMA для пусковых и тормозных резисторов.

Рис. 7. Зависимость относительной импульсной допустимой мощности рассеяния резистора от скважности импульсов тока для стандартного пускового режима электродвигателя

Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а максимальной величиной рабочего тока резистора, при превышении которой возможны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.

Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов разных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, необходимого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры и импульсной мощности.

Рис. 8. Зависимость времени, требуемого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры от относительной импульсной рассеиваемой мощности

С помощью зависимостей, представленных на рис.Тепловой резистор: Тепловой резистор 9, можно определить соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до максимально допустимой температуры для различных абсолютных длительностей и различных относительных импульсных мощностей (в процентах от максимально допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).

Рис. 9. Зависимость времен импульса и паузы тока и их соотношений, требуемых для разогрева резистора до максимально допустимой температуры от импульсной мощности

Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях пуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значительных токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.

Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и менее) импульсные характеристики будут существенно отличаться от приведенных выше, поскольку в большей мере будут определяться теплофизическими свойствами резистивного элемента, нежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще меньших длительностях импульсов (менее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для применения на частотах более 1–3 кГц (длительности импульсов менее 1 мс) изготавливаются специальные резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей собственную индуктивность резистора, либо поверхностные и объемные резисторы на основе проводящих пленок.

6. Принудительное охлаждение

Принудительный обдув резисторов резко увеличивает количество охлаждающего воздуха по сравнению с естественным конвективным потоком и, тем самым, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень простой и крайне эффективный способ повышения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Рис. 10. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от скорости охлаждающего воздуха

Об эффективности этой простой меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, например, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору или его отводу. Такие схемы охлаждения тормозных резисторов применены на ряде магистральных электровозов отечественного и зарубежного производства.

7. Ограничение температуры резисторов

В ряде случаев, с целью повышения надежности и увеличения срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к максимально допустимой увеличивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри устройства, в котором резистор установлен, что также является крайне благоприятным фактором. К сожалению, снижение температуры тепловыделяющих элементов, при прочих равных условиях, всегда связано с увеличением их физических габаритов, поэтому данную меру можно рекомендовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.

Учитывая все вышесказанное, для первичного выбора резистора можно рекомендовать воспользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для различных условий окружающей среды и режима работы. Если известна (из расчета электрической схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и соответствующие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных условиях.Тепловой резистор: Тепловой резистор

Рис. 11. Таблица для определения требуемой номинальной мощности резистора

В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы пуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние между резисторами 5 см, предполагается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, охлаждение естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.

Определяем из таблицы соответствующие коэффициенты:

Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:

Таким образом, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять не менее 160 Вт.

Разумеется, расчет номинальной мощности с помощью данной таблицы является приблизительным, поскольку не учитывает многие дополнительные факторы, тем не менее, его погрешность достаточно невелика и позволяет быстро определить мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и конкретный тип применяемого прибора.

Несмотря на то, что резисторы, по сути, являются простейшими элементами электрических цепей, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные качества аппаратуры, а правильный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на этапе проектирования, во многом определит коммерческую судьбу аппаратуры.

При подготовке статьи были использованы информационные материалы компаний Danotherm (Дания), Arcol (Великобритания), Ohmite (США), S.I.R. (Италия).

Литература

  1. www.danotherm.com/
  2. www.ohmite.com/
  3. www.sirresistor.it/
  4. www.arcolresistors.com/
  5. Резисторы: Справочник / Под ред. И. И. Чертверткова.Тепловой резистор: Тепловой резистор М.: Энергоиздат. 1981.
  6. ГОСТ 24238-84 Резисторы постоянные. Общие технические условия.
  7. ГОСТ 28608-90 (МЭК 115-1-82) Резисторы постоянные для электронной аппаратуры.

Резистор тепловой в светодиодной матрице

Изменение номинальной мощности резистора может привести к тому, что он станет менее горячим, поскольку резисторы с более высокой мощностью лучше избавляются от тепла. Однако это никак не влияет на фактическое рассеивание.

Например, резистор 270 Ом с сопротивлением 100 мА будет рассеивать 2,7 Вт независимо от номинальной мощности резистора. Номинальная мощность говорит только о том, будет ли резистор поврежден в процессе. Если это резистор мощностью 2 Вт, он сильно нагреется и, возможно, начнет немного курить, но, вероятно, выживет, по крайней мере, некоторое время. Если это резистор 0805 1/8 Вт, он довольно быстро исчезнет в дыму. Если это резистор «5 Вт», он будет просто нагреваться, но в противном случае будет продолжать работать правильно до бесконечности, предполагая, что ничто вокруг не мешает ему отводить тепло.

Ваша настоящая проблема — несоответствие между напряжением источника питания и тем, что на самом деле хотят ваши светодиоды. Если вы покажете схему, можно будет дать конкретные рекомендации. В целом, это поможет последовательно соединить несколько светодиодов, так что их общее падение напряжения будет немного меньше, чем напряжение питания. Затем вы выбрали резистор, который уменьшает разницу при желаемом токе. Таким образом, напряжение на резисторе составляет небольшую долю от общего, что также означает, что потеря мощности в резисторе будет составлять небольшую долю от общей мощности.

Вы говорите, что ваши светодиоды падают примерно на 3,3 В при использовании на нужный вам ток. Это звучит правдоподобно. 24 В / 3,3 В = 7,3, поэтому вы можете подключить до 7 последовательных светодиодов, чтобы использовать большую часть, но не все, доступные 24 В. Однако это составит 3,3 В * 7 = 23,1 В, что не оставляет много для резистора для регулирования тока. В этом случае, вероятно, лучше поставить последовательно 6 светодиодов. Номинальное напряжение струны будет тогда 6 * 3,3 В = 19,8 В, что оставляет 4,2 В на резисторе. Допустим, вы хотите запустить светодиоды при 100 мА. Это также будет ток через резистор, поскольку светодиоды и резистор все последовательно. 4.2 В / 100 мА = 42 Ом, это значение резистора, вызывающего правильный ток через светодиодную цепочку, когда на все это подается 24 В. В этом случае резистор рассеивает 420 мВт, поэтому «1 Вт»

Если вы хотите 20 мА через светодиодную цепочку (как это обычно бывает со светодиодами T1 3/4), просто подключите другое число. 4,2 В / 20 мА = 210 Ом, который сейчас рассеивает только 84 мВт. Резистор 0805 может справиться с этим.

Добавлено:

Теперь вы показываете, что у вас есть 8 цепочек по 5 светодиодов каждая с резистором 270 Ом в цепочке. Так как ваши светодиоды падают по 3,3 В каждый, светодиоды имеют общее напряжение 16,5 В, оставляя 7,5 В на резисторе. Поскольку резисторы составляют 270 Ом, это означает, что ваш ток на строку составляет 28 мА. Это странная ценность. Вы действительно хотели 20 мА? Тогда рассеяние на резистор составит 210 мВт. Это слишком много для обычного 0805, но было бы хорошо для «1/2 Вт» или больше, или даже «1/4 Вт» в теории, хотя это не оставляет большого запаса.

Если для каждого светодиода требуется 20 мА, расположите их полосками 6 вместо 5 и используйте значения, которые я вычислил в своем последнем примере в предыдущем разделе.

Резистор | Страница 2 из 4 | Electronov.net

Основные параметры резисторов:

  • Номинальное сопротивление:

Это заводское значение сопротивления конкретного прибора, измеряется это значение в Омах (производные килоОм (кОм), мегаОм (МОм) и т.д.). Диапазон сопротивлений простирается от долей Ома (0,01 – 0,1 Ом) до сотен и тысяч килоОм (100 кОм – 10МОм). Для каждой электронной цепи необходимы свои номиналы сопротивлений, поэтому разброс значений номинальных сопротивлений столь велик.

Однако номиналы резисторов не произвольны, их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (для резисторов с допуском 20 %), E12 (для резисторов с допуском 10 %) или E24 (для резисторов с допуском 5 %), для более точных резисторов используются более точные ряды (например, E48).

Данные ряды были созданы для стандартизации номиналов резисторов и упрощения их взаимозаменяемости.

Посмотреть значения номинальных рядов и принципы их образования можно здесь.

  • Рассеиваемая мощность:

Если рассматривать данный параметр с обычной жизненной позиции, то можно привести довольно простое описание: при прохождении электрического тока через резистор, происходит нагрев данного резистора. Сразу становится очевидно, что если пропускать через резистор ток, превышающий заданное значение, то токопроводящее покрытие разогреется настолько, что резистор сгорит. Поэтому существует разделение резисторов по максимальной мощности.

Вычислить мощность, рассеиваемую на резисторе можно по формуле:

в соответствии с законом Ома: , можно преобразовать:

где:

P — мощность, рассеиваемая на резисторе,

I – ток, протекающий через резистор,

R – сопротивление резистора,

U – падение напряжения на резисторе.

Если же Вы желаете узнать, откуда взялась формула для вычисления тепловой мощности, рассеиваемой на резисторе, отчего греется резистор при прохождении через него электрического тока, и не боитесь формул, то полезно будет включить в работу свой мозг, вспомнить школьные знания по физике и … раскрыть спойлер . В противном случае можно перейти к следующему параметру.

Спойлер

Как известно, электрический ток – это направленный поток заряженных частиц, в частности – электронов. Проходя через проводник, электроны сталкиваются с атомами, находящимися в кристаллической решетке. В результате столкновений кинетическая энергия электронов превращается в тепловую. Для лучшего понимания процесса можно провести аналогию с механической силой трения: например, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротивление трения, и энергия, затраченная на это, превращается в тепло. Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и сопротивление трения.

Переход электрической энергии в тепловую называется тепловым действием тока, и описывается законом Джоуля — Ленца:

где:

— мощность выделения тепла в единице объема,

— плотность электрического тока,

— напряженность электрического поля,

— проводимость среды.

Для случая протекания токов в тонких (слово «тонких» здесь следует рассматривать в том смысле, что диаметр провода много меньше его длины) проводах в интегральной форме этот закон имеет вид:

где:

dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt,

I — сила тока,

R — сопротивление,

Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2.

В случае постоянных силы тока и сопротивления формула значительно упрощается:

где:

Q — количество теплоты, создаваемое током (Дж),

I — ток, протекающий по проводнику,

R — сопротивление проводника,

t — время, в течение которого ток протекал по проводнику.

Используя закон Ома: и , можно немного преобразовать выражение:

Пытливый читатель наверняка заметил, что помимо выделения тепла непосредственно при прохождении электрического тока, в случае постоянного тока в однородном неравномерно нагретом проводнике, будет также выделяться или поглощаться дополнительная теплота, которая называется теплотой Томсона, в зависимости от направления тока. Данный эффект называется – эффект Томсона. Однако, вследствие того, что градиент температур обычно невелик, а величина теплоты Томсона много меньше Джоулевской теплоты, при расчете тепловой мощности выделяемой на резисторах, данным эффектом пренебрегают.

  • Допуск (точность):

При изготовлении резисторов не удается добиться абсолютной точности номинального сопротивления. Например, если Вы купили резистор на 100 Ом, то реальное сопротивление резистора может быть от 95 Ом до 105 Ом. Эта погрешность и называется допуском, который задается в процентах от номинального сопротивления. Для рассмотренного резистора он равен ±5%. Реальное значение сопротивления резистора легко проверить, например, просто измерив его мультиметром.

Строгая точность номиналов сопротивлений в обычной аппаратуре не всегда важна. Так, например, в бытовой электронике допускаются резисторы с допуском ±20%. Это выручает в тех случаях, когда необходимо заменить неисправный резистор, а в точности требуемого номинала нет в наличии.

Существует аппаратура, где такой трюк не пройдет — это прецизионная аппаратура. К ней относится медицинское оборудование, измерительные приборы, электронные узлы высокоточных систем, например, военных. Иногда такие резисторы можно встретить и в бытовой электронике.

Дополнительные параметры:

  • Максимальное рабочее напряжение:

Максимальное напряжение, при котором может работать резистор в заданных условиях в течении срока службы с сохранением нормированных параметров.

Для резисторов общего назначения обычно 250 В.

  • Рабочая температура:

Температура, при которой резистор исправно выполняет свои функции. Обычно указывается как диапазон: -45° … +55°С.

  • Температурный коэффициент сопротивления (ТКС):

Отражает стабильность номинального сопротивления под действием температуры.

Особенности переменных резисторов:

Все вышеперечисленные параметры характерны для всех типов резисторов, однако для переменных резисторов существуют специфические параметры:

  • Функциональная характеристика:

Суть данного параметра — зависимость изменения сопротивления от угла поворота ручки или положения подвижного контакта (для ползунковых резисторов).

Виды функциональных характеристик:

Рисунок 1 — Виды функциональных характеристик.

Сопротивление переменного резистора меняется равномерно при повороте ручки на один и тот же угол или при перемещении ползунка на одно и то же расстояние.

Обозначается линейная характеристика кириллической буквой А или латинской буквой А.

Типичное применение таких резисторов — регулятор напряжения в аналоговых блоках питания. В таком случае изменение выходного напряжения при регулировке будет равномерным, а шкала для прибора будет более удобной.

    • Логарифмическая:

При повороте ручки резистора, сопротивление сначала меняется равномерно, но ближе к середине – резко, скачкообразно, а затем, к концу поворота ручки, опять равномерно, но более полого. Таким образом, изменение сопротивления резистора происходит нелинейно (неравномерно) и по логарифмическому закону.

Обозначается логарифмическая характеристика кириллической буквой Б или латинской буквой В.

    • Показательная (обратно-логарифмическая):

Данная функциональная характеристика обратна логарифмической.

Обозначается показательная характеристика кириллической буквой В или латинской буквой С.

Типичное применение резисторов с нелинейной функциональной характеристикой — регулятор громкости в аудиоаппаратуре.

Вы конечно спросите, почему же именно логарифмическая характеристика применяется для регулировки громкости? Причина этого описана ниже:

Спойлер

Дело все в том, что человеческое ухо с ростом громкости воспринимает звук тише (этот эффект описывается эмпирическим закон Вебера-Фехнера. Подробнее об этом можно прочесть здесь). В результате, если в качестве регулятора громкости поставить переменный резистор с линейной зависимостью, то шкала регулировки громкости у резистора будет нелинейной, и на средней и большой громкости нам придется выкручивать ручку регулятора на больший угол, чтобы ощутить значительное изменение уровня звука. Из-за этого возникает неудобство, т.к. шкала у регуляторов громкости получается неравномерной, да и на разном уровне громкости ручку приходится крутить по-разному. Поэтому в аудиоаппаратуре и применяются переменные резисторы с логарифмической или показательной функциональной характеристикой, в зависимости от схемотехнической реализации устройства.

    • Износоустойчивость:

Число циклов передвижения подвижной системы переменного резистора, при котором параметры резистора остаются в пределах нормы.

В этом параметре кроется отличие между подстроечными и регулировочными переменными резисторами. Для регулировочных резисторов количество циклов может достигать 50 000 – 100 000. Подстроечные резисторы в отличие от регулировочных, рассчитаны на гораздо меньшее число циклов перемещения подвижной системы (ползунка). Максимальное число для некоторых экземпляров вообще ограничено 100.

При превышении допустимого количества циклов перемещения подвижной системы надежная работа переменного резистора не гарантируется. Поэтому применять подстроечные резисторы взамен регулировочных настоятельно не рекомендуется – это сказывается на надежности устройства.

    • Разрешающая способность:

Минимальное значение приращения сопротивления при перемещении подвижной части переменного резистора, т.е. то, с какой точностью возможно изменять его сопротивление.

Для ползунковых и однооборотных переменных резисторов разрешающая способность обычно составляет 5% от номинального значения полного сопротивления, для прецизионных многооборотных – 1%.

PTC термистор термочувствительное защитное устройство — термистор

Термисторы PTC-типа

Термистор относится к термочувствительным защитным устройства встраиваемой тепловой защите электродвигателя. Располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от теплового перегруза).
Термистор — полупроводниковый резистор, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры.
Термисторы в основном делятся на два класса:
PTC-типа — полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления;
NTC-типа — полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Для защиты электродвигателей используются в основном PTC-термисторы (позисторы Positive Temperature Coefficient), обладающие свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута некоторая характеристическая температура (см рис. 1). Применительно к двигателю это максимально допустимая температура нагрева обмоток статора для данного класса изоляции. Три (для двухобмоточных двигателей — шесть) PTC-термистора соединены последовательно и подключены к входу электронного блока защиты. Блок настроен таким образом, что при превышении суммарного сопротивления цепочки срабатывает контакт выходного реле, управляющий расцепителем автомата или катушкой магнитного пускателя. Термисторная защита предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру двигателя. Это касается прежде всего двигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременным режимом) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения.

Рис.1 Зависимость сопротивления термистора PTC-типа от температуры PTC — полупроводниковый резистор

Недостатком данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются далеко не все типы двигателей. Это особенно касается двигателей отечественного производства. Датчики могут устанавливаться только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого двигателя. Они требуют наличия специального электронного блока: термисторного устройства защиты двигателей, теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также выходные электромагнитные реле, служащие для отключения катушки пускателя или электромагнитного расцепителя.

Характеристики термистора PTC-типа по DIN44081/44082

Внешний вид термисторов

Диаграмма РТС термисторов

Вариант применения РТС термисторов

Пример цветовой кодировки РТС термисторов в зависимости от температуры

Токочувствительные (current sensing) чип резисторы компании Panasonic

Введение

В современном мире электроники и автоматики люди не задумываются сколько процессов, связанных с их жизнью, происходят без участия человека. Будь то зарядка аккумуляторной батареи телефона или электрокара, переключение светофора или управление атомным реактором. Все эти процессы происходят без прямого участия человека, человек выполняет лишь функцию оператора, а управление осуществляется автоматически.

В настоящее время выпускается все больше и больше интеллектуальных устройств и очень часто, жизненно важно контролировать процессы, происходящие внутри электроники. Чтобы электроника работала без сбоев, не выходила из строя и служила максимально долго, крайне важно осуществлять контроль этих процессов.

Процесс контроля процессов, происходящих внутри электронных устройств, зачастую осуществляется методом контроль токов, протекающих в цепях. Существуют различные способы контроля токов, происходящих в электрических цепях электроники. Поэтому современные электронные устройства имеют в своем составе ряд сенсоров. Точность контроля зависит от точности выполняемых измерений, и точный контроль силы протекающего тока является одной из важнейших функций. Один из самых распространенных, простых, высокоточных и недорогих способов измерения токов, протекающих в электрических цепях с помощью резисторов.

Резистор и их типы

Резисторы являются самым используемыми компонентами в электронных схемах и занимают примерно 25% позиций в БоМе. В тоже время резистор считается самой простой деталью схемы, зачастую не требующей пристального внимания. Тем не менее незаметный, на фоне полупроводниковых микросхем и других компонентов, резистор выполняет очень важные функции и без резисторов не смогла бы работать практически ни одна электронная схема.

Резисторы — это пассивные элементы, выполняющие ряд второстепенных, но важных функций. Резистор, по определению – сопротивление (от латинского «resisto»), технологически же резистором можно считать любой материал, будь то кусок медного провода, вольфрамовая нить или полоска полупроводникового материала.

Казалось бы, что такого важного в резисторе, но сложно представить современные электронные схемы без тех функций, которые выполняют резисторы: преобразование силы тока в напряжение и наоборот, ограничение протекающего тока, создание делителей напряжения, подавление радиопомех и др.

Существует несколько различных типов резисторов, отличающихся своими параметрами, вариантами исполнения и функциональным назначением: SMD (чип) резисторы, выводные резисторы, проволочные резисторы, токочувствительные резисторы, термисторы, потенциометры и реостаты.

Особую роль играют резисторы в цепях прецизионных схем, где изменение параметров резистора ведет к негативным последствиям. Рассмотрим причины важности правильного выбора резисторов и варианты их применения на основе токочувствительных резисторов.

В качестве параметра, на основе которого можно проводить измерения, контроль и диагностику электронных схем является протекающий в них ток. Такой способ измерения является одним из самых распространенных, и недооценка важности корректного измерения силы тока приводит к дальнейшим проблема работы устройств и добавляет трудностей разработчикам и инженерам, обслуживающим электронику.

Измерение динамического тока всегда было важным параметром для управления производительностью системы и это стало еще более важным с распространением более интеллектуальных функций управления устройств и систем.

Основы измерения тока

Существуют различные способы измерения тока, но измерение тока, протекающего на участке цепи, путем измерения напряжения на резисторе, является самым простым, недорогим и достаточно точным способом. К тому же резисторы не восприимчивы к электромагнитным помехам и имеют компактные размеры.

Способ измерения тока с применением токочувствительного резистора основан на законе Ома (V=IxR), заключается он на измерении падения напряжения на встроенном последовательно с нагрузкой резистором с известным значением сопротивления, и последующим вычислением тока.

Несмотря на видимую простоту и эффективность, такой способ измерения тока имеет ряд конструктивных проблем и тонкостей, которые необходимо учитывать при конструировании устройства. Поскольку токочувствительный резистор включается в цепь последовательно нагрузке он не должен оказывать существенное влияние на ток в цепи, поэтому номинальные значения сопротивления таких резисторов составляют от единиц ом до долей миллимом. Однако, при выборе измерительного резистора с низким значением может сложится ситуация, что падение напряжения на резисторе может стать сопоставимым с входным напряжением смещения расположенной далее аналоговой цепи нормирования сигнала, что отрицательно скажется на точности измерения.

Если измеряемый ток содержит значимую высокочастотную составляющую, необходимо, что бы измерительный резистор обладал малой собственной индуктивностью, из-за возникшего реактивного напряжения на нем, которое может влиять на точность измерения.

Одним из ограничивающих факторов применения токоизмерительных резисторов является рассеиваемая на них мощность (Pрез. = I2xUрез.), и связанную с этим проблему теплоотведения, поэтому токочувствительные резисторы редко применяются в цепях с током более 100А.

Еще один важный вопрос, с которым приходится сталкиваться разработчикам электроники, это вопрос обеспечения электрической изоляции между силовой цепью и токоизмерительной схемой.

Существуют два основных способа измерения тока: со стороны нижнего плеча (low-side), когда измерительный резистор включается в цепь между нагрузкой и «землей» (Рис. 1) и со стороны верхнего плеча «high-side», когда резистор включается со стороны источника питания (между нагрузкой и источником питания). У каждого из этих методов измерения есть свои преимущества и недостатки.

Рисунок 1. Low-side принцип измерения тока (резистор между нагрузкой и «землей»).

Топологию измерения тока со стороны нижнего плеча (low-side), так же часто называют топологией с «общей» цепью, простая в исполнении и наиболее бюджетная, имеет низкое входное синфазное напряжение, но имеет свой недостаток, влияющий на точность измерений, она подвержена помехам от заземляющей цепи.

Так же такой способ измерения тока не дает возможности обнаружить протекание тока в «землю» через нагрузку при коротком замыкании.

Применение данной топологии измерения тока является целесообразным, когда требуется простота и дешевизна и не требуется контроль короткого замыкания, а помехи от заземляющей цепи допустимы.

Способ измерения тока со стороны верхнего плеча «high-side», когда резистор включается со стороны источника питания (между нагрузкой и источником питания) (Рис. 2), исключает попадание помех в токоизмерительную цепь, позволяет контролировать ток утечки в случае пробоя и возникновения короткого замыкания.

Рисунок 2. High-side принцип измерения тока (резистор между нагрузкой и источником).

Однако такая измерительная схема подвержена высоким динамическим изменениям синфазных входных напряжений, требует усложнения конструкции, повышает ее стоимость и требует компоненты с высоким рабочим напряжением.

Поскольку токочувствительный резистор не должен оказывать существенного влияния на протекающий в цепи ток, он имеет маленькое номинальное сопротивление, в результате чего падение напряжения на резисторе имеет малые величины и часто требует усиления перед преобразованием значений.

Таким образом конфигурация цепи для измерения тока основанная на токочувствительном резисторе включает в себя аналоговый усилитель (как правило операционный усилитель ОУ), АЦП для преобразования напряжения в цифровое представление и микроконтроллер.

Резистор, усилитель, АЦП и микроконтроллер могут быть как самостоятельными микросхемами, так и единым блоком системы на кристалле (SoC).

Важно при выборе токочувствительного резистора учитывать все его физические величины: номинальное сопротивление, точность, рассеиваемую мощность, тепловой коэффициент (TCR) и тепловую ЭДС, влияющие на точность измеряемых параметров. С учетом того, что на резисторе рассеивается мощность, вызывающая дополнительный нагрев микросхем, влияющий на конечную точность измерений, в системах с высоким током рекомендуется использовать внешние токочувствительные резисторы.

Выбор токоизмерительного резистора

При использовании токоизмерительного усилителя в разработке, весьма важен выбор параметров токочувствительного резистора. В первую очередь выбираются номинальное сопротивление и мощность этого резистора. Номинал резистора подбирают, исходя из желаемого максимального падения напряжения на нем при максимальном ожидаемом токе, или же исходя из планируемой потери мощности на этом резисторе.

После выбора величины и мощности токоизмерительного резистора определяется допустимое отклонение от номинального значения его сопротивления, так как это напрямую повлияет на точность воспринимаемого напряжения и измеряемый ток.

Тепловая ЭДС токочувствительного резистора является еще одной важной характеристикой. Токочувствительные резисторы должны работать в широком диапазоне токов. Когда ток низкий, тепловая ЭДС резистора добавляет измерительную ошибку к напряжению, создаваемому протекающим через резистор током. Это напряжение ошибки должно быть значительно меньше, чем наименьшее ожидаемое напряжение, создаваемое протекающим через токочувствительный резистор током, сводя к минимуму ошибку измерения.

Однако есть еще один параметр, на первый взгляд не вполне очевидный, о котором часто забывают – это температурный коэффициент резистора. Температурный коэффициент часто указывается в размерности миллионная доля на градус Цельсия (ppm/°C). Он важен, поскольку температура резистора будет расти за счет мощности, рассеиваемой при протекании большого тока через этот компонент. Часто в недорогих резисторах с классом точности менее 1% наблюдается изменение рабочих параметров под влиянием температуры.

Рекомендации по монтажу

Несмотря на их внешний вид, современные токочувствительные резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление токочувствительного резистора фактически состоит из трех частей (рис. 3). Во-первых, есть сопротивление самого резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к резистору. Сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами токочувствительные резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения чувствительные погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях резистора.

Рисунок 3. Токовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого резистора (Rsens), сопротивление двух выводов резистора (Rlead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока.

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному токочувствительному резистору (рис. 4).

При этом чрезвычайно большое значение для сохранения точности измерения имеет также правильная трассировка цепей между токоизмерительным резистором и усилителем тока на печатной плате. Чтобы достигнуть высокой точности измерения тока, необходимо использовать схему Кельвина, основанную на четырех точках подключения к токоизмерительному резистору. Первые два соединения нужны для контроля протекающего тока, а два других – для контроля падения напряжения на резисторе. На рисунке 4 показаны различные варианты подключений для контроля тока, протекающего через резистор.

Рисунок 4. Технология монтажа токоизмерительного резистора а), б), в), г

Одной из наиболее распространенных ошибок является подключение входов чувствительного по току усилителя к дорожкам печатной платы, показанное на рисунке 4а, вместо непосредственного подключения к резистору.

Другие допустимые варианты подключения к резистору для измерения тока представлены на рисунках 4б…г. Показанная на рисунке 4г компоновка использует независимое двухпроводное подключение для каждого вывода токоизмерительного резистора. Такой метод наиболее часто используется для резисторов с сопротивлением менее 0,5 мОм, когда паяное соединение способно серьезно изменить сопротивление цепи. Трудно сказать, какой метод компоновки точек подключения даст наилучшие результаты в окончательном варианте печатной платы, так как точность резистора во многом зависит от точки измерения, используемой при его производстве.

Если значение резистора было измерено с внутренней стороны контактных площадок, то наилучший результат измерения обеспечит компоновка, показанная на рисунке 4в. Если значение резистора было измерено на боковой стороне площадок – компоновка, показанная на рисунке 4б, даст наивысшую точность.

Резисторы Panasonic

Компания Panasonic – один из крупнейших мировых производителей электронных компонентов, предлагает более 35 серий токочувствительных резисторов с общим числом элементов более 13 000 наименований.

Все резисторы Panasonic выполнены по специальной технологии «мягкого контакта» (Soft Termination Technology) рис. 5, уменьшающей влияние разностного теплового расширения резистора и PCB, обеспечивающей высокую надежность резисторов и устройства в процессе эксплуатации.

Рисунок 5. Технология производства резисторов с использованием «мягкого контакта»

Разность теплового расширения материалов имеет коэффициент теплового расширения CTE (Coefficient of Thermal Expansion), в процессе пайки и эксплуатации резисторы подвергаются постоянному воздействию механических вибраций и температуры, в результате которых материалы резисторов и PCB сужаются и расширяются с разными значениями. На область припоя (галтели) рис.6 воздействует механическое напряжение, которое может привести к разрушению припоя и/или структуры резистора, увеличить контактное сопротивление, вызвать дополнительный нагрев, ухудшить параметры резистора и привести к выходу из строя как самого компонента, так и устройства в целом. Технология «мягкого контакта» в резисторах Panasonic нивелирует разницу TCE и обеспечивает целостность структуры в течение всего срока эксплуатации.

Рисунок 6. Результат разрушения галтели при разности CTE

Для большего уменьшения влияния сторонних факторов на резисторы, компания Panasonic предлагает резисторы с широкими контактными площадками серии ERJA1, ERJB1, ERJB2, ERJB3, ERJD1, ERJD2 или двойным резистивным слоем серии ERJ2LW, ERJ3LW, ERJ6LW, ERJ2BW, ERJ3BW, ERJ6BW, ERJ8BW, ERJ6CW, ERJ8CW обеспечивающие дополнительную надежность компонентов и схемы в целом.

Резисторы, изготовленные в корпусах с широкой контактной площадкой, обеспечивают рассеивание тепла по всей площади элемента, снижают вероятность разрушения резистора и точек пайки. Кроме того в резисторах с широкими контактами используется технология разделения резистивного слоя на отдельные сегменты и применение компенсационных прорезей в резистивном слое, обеспечивающие превосходные температурные характеристики резистора рис. 7. Материала резистивного слоя, на основе медно-никелевого сплава, примененный при производстве резисторов, обладает низким температурным коэффициентом и позволяет достигнуть максимального уровня рассеивания тепла и отменных температурных характеристик резисторов в процессе эксплуатации рис.8.

Рисунок 7. Структура резистора с широкой контактной площадкой

Рисунок 8. а) теплоотведение резистора с раздельными сегментами, б) обычный резистор

Применение в резисторах двухстороннего резистивного слоя позволяет уменьшить размеры требуемой площади на плате до 45%, увеличить мощность рассеяния резисторов, улучшить характеристики резистора, уменьшить номинальное сопротивление резистора, обеспечить надежность и увеличить срок службы рис.9.

Рисунок 9. Структура резистора с двусторонним резистивным слоем

Т.к. мощность рассеяния резисторов с двусторонним расположением резистивного слоя выше, а допустимые номиналы сопротивления резисторов ниже, чем у обычных резисторов, такие резисторы способны работать с более высокими токами, что позволяет сохранить площадь платы, и повысить надежность устройства.

Применение

Современные электронные устройства, это сложные устройства с множеством внутренних процессов. И контроль этих процессов является важной и неотъемлемой частью. Основным способом осуществления контроля, является измерение тока, протекающего в цепях электронного устройства. Применение токоизмерительных резисторов в электронике один из самых распространенных, недорогих и высокоточных способов измерения тока.

Гигантская популярность современных мобильных телефонов, гаджетов, мобильных вычислительных машин, автономных и переносных устройств, счетчиков ресурсов, систем умного дома и другой электроники требует громадное количество элементов питания, используемых в этих устройствах. И очень важно осуществлять контроль разряда и заряда этих элементов питания, позволяющего продлить срок службы, как элементов питания, так и самих устройств. Простым, надежным, точным и не дорогим способом контроля, является контроль протекающего тока на основе токоизмерительных резисторов.

Большинство современных блоков питания или драйверов для светотехники являются достаточно интеллектуальными приборами, контролирующими массу входных и выходных параметров, таких как наличие короткого замыкания, наличие/отсутствие нагрузки, коррекция мощности, контроль заряда аккумулятора, контроль выходного напряжения и тока. Контроль многих параметров источников питания осуществляется на основе токоизмерительных резисторов.

Робототехника и автоматика неотъемлемая часть современной жизни человека, поднимается лифт, перемалывается кофе в кофе машине, крутится вентилятор, катится электросамокат, работает вытяжка на кухне, работает шуруповерт, все эти устройства используют электромоторы. Многие из схем управления электромоторов этих устройств включают в себя токочувствительные элементы на основе резисторов позволяющие осуществлять контроль и функции защиты.

Современный автомобиль, это порой серьезный вычислительный центр, со множеством мультимедийных, коммуникационных и силовых электронных блоков, содержащий десятки электромоторов, силовых и сигнальных цепей, и высокой степенью контроля средств управления и безопасности автомобиля. Для обеспечения высокой надежности систем автомобиля, крайне важно контролировать электрические процессы и протекающие токи в цепях. Системы контроля токов на основе токоизмерительных резисторов Panasonic способны обеспечить высокую точность и надежность.

Заключение

Технология измерения тока посредством преобразования напряжения с помощью токочувствительных резисторов, в силу простоты схемного решения, стоимости, точности и надежности, является наиболее распространенной в современной электронике.

Уникальная технология производства резисторов, их высокое качество, подтвержденное наличием сертификатов, регламентированных для применения в автомобильной электронике, AEC-Q200, позволяет проектировать и создавать высоконадежные системы контроля и управления с применением токочувствительных резисторов Panasonic. Широкая номенклатура токочувствительных резисторов позволит подобрать требуемые элемент.

Описание

Серия резисторов

Типоразмер

Диапазон сопротивлений, Ом

Точность, %

T.C.R (ppm)

Мощность рассеяния, Вт

Диапазон рабочих температур, °C

Стандартные низкоомные толстопленочные резисторы

ERJ12RS

ERJ12ZS

ERJ14RS

ERJ1TRS

ERJ3RS

ERJ6RS

ERJ8RS

0402

0603

0805

1206

1210

1812

2010/ 2512

0.1…0.2

0.5 – D

1 – F

2 – G

5 — J

100

150

200

250

300

0.1

0.125

0.166

0.25

0.33

0.5

1

-55…+155

Стандартные низкоомные толстопленочные резисторы

ERJ12RQ

ERJ12ZQ

ERJ14RQ

ERJ1TRQ

ERJ3RQ

ERJ6RQ

ERJ8RQ

0402

0603

0805

1206

1210

1812

2010/ 2512

0.22…9.1

0.5 – D

1 – F

2 – G

5 — J

100

150

200

250

300

0.1

0.125

0.166

0.25

0.33

0.5

1

-55…+155

Низкоомные толстопленочные резисторы повышенной мощности

ERJ14BS

ERJ14BQ ERJ2BS

ERJ2BQ

ERJ3BS

ERJ3BQ

ERJ6BS

ERJ6DS

ERJ6BQ

ERJ6DQ

ERJ8BS

ERJ8BQ

0402

0603

0805

1206

1210

0.1…9.1

0.5 – D

1 – F

2 – G

5 — J

100

150

200

250

300

0.166

0.25

0.33

0.5

-55…+155

Низкоомные толстопленочные резисторы с низким TCR

ERJL12

ERJL14

ERJL1D

ERJL1W ERJL03

ERJL06

ERJL08

0603

0805

1206

1210

1812

2010

2512

0.02…0.1

1 – F

5 — J

100

200

300

0.2

0.25

0.33

0.5

1

-55…+125

Низкоомные толстопленочные резисторы с двухсторонним резистивным слоем, повышенной мощности

ERJ2BW

ERJ2LW

ERJ3BW

ERJ3LW

ERJ6BW

ERJ6CW

ERJ6LW

ERJ8BW

ERJ8CW

0402

0603

0805

1206

0.05…0.1

0.5 – D

1 – F

2 – G

5 — J

75

100

150

200

250

300

500

700

0.2

0.25

0.33

0.5

1

-55…+155

Низкоомные толстопленочные резисторы с широкими выводами, высокой мощности

ERJA1

ERJB1

ERJB2

ERJB3

1225

1020

0612

0508

0.05…1M

1 – F

2 – G

5 — J

100

150

200

300

0.33

0.75

1

1.33

-55…+155

Низкоомные толстопленочные резисторы с широкими выводами, низким TCR

ERJD1

ERJD2

ERJD3

1020

0612

0508

0.05…0.2

1 – F

5 — J

100

0.5

1

2

-55…+155

Доступность:

Резисторы Panasonic находятся в массовом производстве и доступны для заказа.

Ресурсы:

Прецизионный фольговый резистор — Журнал «Вестник электроники»

Точнее и надежнее не бывает

Как свидетельствуют материалы исследования Информационно-аналитического центра современной электроники [1], в общем объеме российского рынка электронных компонентов доля пассивных компонентов достигает 8%. По сравнению с 46% для полупроводниковых компонентов, вроде бы это не очень много. Но усредненная характеристика стоимостных показателей между первыми и вторыми такова, что в количественном соотношении доля пассивных элементов в радиоэлектронном средстве несравнимо больше, чем активных. Ведь пассивные элементы служат «обвязкой» последних. Инженер, разрабатывая радиоэлектронное средство, путем выбора типа и параметров пассивных элементов устанавливает требуемый электрический режим активных компонентов. И при этом решает главную задачу надежности: в результате такого выбора устройство с заданной вероятностью должно безотказно функционировать в самых жестких условиях эксплуатации. Учитывая, что бóльшая половина пассивных компонентов —
резисторы, становится очевидным их огромное влияние на успешное выполнение спроектированным устройством своего целевого предназначения. Как говорится, мал золотник, да дорог.

Казалось бы, поскольку в электронике и радиотехнике резистор — самый «древний» элемент, с его стороны не приходится ожидать каких-либо непредвиденных обстоятельств, препятствующих успешному проектированию электронных средств. Зачастую так и происходит, когда условия эксплуатации не сильно отличаются от привычных бытовых и промышленных. Тогда обнаруженное на производстве при входном контроле отклонение электрического сопротивления резистора от номинального значения в 5. и даже 10% вполне допустимо, и если внезапных внутренних обрывов в резисторах не происходит, а в процессе старения изменение номинала не превышает нескольких процентов, то спроектированное изделие годами работает исправно.

Совершенно другой подход требуется при проектировании метрологических приборов, когда требуется близкая к абсолютной точность результатов измерений, или в разработке радиоэлектронных средств, функционирующих в аномальных внешних условиях, будь то активная химическая среда, температура, измеряемая сотнями градусов жары или холода, сверхвысокое давление или почти абсолютный вакуум — как в космосе, где обычными оказываются также длительные многократные весовые перегрузки. В таких случаях конструктору никак не обойтись без особо стабильных и прецизионных фольговых резисторов, о которых пойдет речь в статье.

Изобретение, рожденное упорным трудом

Еще с 1816 г. в науке было известно явление фотоупругости (фотостресса), связанное с возникновением оптической анизотропии в прозрачных твердых телах под действием механических напряжений. Данное явление позволяло оценить силу механического воздействия путем измерения смещения оптического луча на выходе тестируемого оптически прозрачного твердого тела. В связи с развитием сверхзвуковой авиации и космических летательных аппаратов в 50–х годах прошлого столетия актуальной стала задача измерения перегрузок, или, другими словами, разработки тензодатчиков. Одним из первых свой научный интерес к данной проблеме проявил двадцатидвухлетний ученый Феликс Зандман (Felix Zandman), окончивший в 1949 г. университет Нанси (Франция) по специальности «физика и техника». Жажда к знаниям и успехи в обучении были столь значительными, что ему по окончании университета было присвоено почетное звание «Студент века».

Следующий жизненный этап даровитого ученого связан с докторантурой в знаменитом университете Сорбонны, где Ф. Зандман исследовал влияние механического давления на электрическое сопротивление проводника с током. Научное предположение о возможности оценки механического стресса, воздействующего на проводник с током, путем измерения его электрического сопротивления, после длительных и упорных экспериментов воплотилось в новый метод и уникальную технологию, составивших основу докторской диссертации. После ее успешной защиты последовали годы преподавания во французской Академии аэронавтики и научно-практической деятельности в авиационной промышленности Франции.

В 1956 г. д-р Зандман получил предложение от компании Budd переехать в США и занять должность директора департамента научных исследований и разработок. Развивая свою методику измерения деформаций, ученый пришел
к идее создания сверхпрецизионного тонкопленочного резистора, прототипа нынешнего фольгового резистора. Однако руководство компании отклонило предложенную бизнес–идею, посчитав ее бесперспективной. И тут надо отдать должное предвидению и уверенности изобретателя в полезности своего «детища» — в 1962 г. для производства фольговых резисторов Ф. Зандман создал собственную фирму, назвав ее Vishay (в соответствии с именем литовского городка, где родилась и жила бабушка, воспитавшая будущего ученого-изобретателя).

Можно только гадать, что именно — точный технический анализ, оригинальное сочетание старых и новых конструктивов в производстве изобретенного резистивного элемента или простое везение — помогло создать продукт, стремительно ворвавшийся на рынок резисторов, но дела у новоявленного бизнесмена с докторским званием пошли чрезвычайно успешно. В те годы привычные всем конструкторам резисторы оформлялись в цилиндрическом корпусе. Новая технология предполагала совмещение токопроводящего слоя с керамическим основанием — пластинкой квадратной или прямоугольной формы. Соответственно, потребовался корпус резистора, в качестве которого превосходно подошел аналогичный от малогабаритного слюдяного конденсатора, производимый в больших количествах на стандартном оборудовании. Причем рассеиваемая резистором мощность 0,33 Вт дополнила сложившийся к тому времени ряд стандартных значений 0,125, 0,25 и 0,5 Вт, что также возымело эффект новизны. Главное же достоинство фольговых резисторов, благодаря которому начали поступать миллионные заказы от военной промышленности, — это невиданные доселе прецизионность и стабильность резисторов даже в самых жестких условиях эксплуатации. Дела у новой фирмы пошли настолько успешно, что всего лишь через два года, в 1964 г., лицензию на производство запатентованных резисторов нового типа начали раскупать другие зарубежные производители, в том числе и в России (в 1973 г.).

Несмотря на безвременную кончину доктора Ф. Зандмана в июне 2011 г., фирма Vishay Intertechnology, Inc. продолжает оставаться безусловным лидером в производстве и реализации прецизионных резисторов, занимая примерно треть мирового рынка: в Азии и Европе по 37%, в Америке — 26%. Помимо резисторов в сферу интересов компании в настоящее время входят также конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы, элементы оптоэлектроники и другие компоненты, что стало возможным благодаря активно проводимой руководством политике поглощения смежных подразделений всемирно известных фирм — Temic (Telefunken), Infineon, General Semiconductor и др. Однако несомненно, что основным продуктом, продвигаемым на мировом рынке фирмой Vishay, останутся сверхпрецизионные фольговые резисторы, превосходящие по своим параметрам другие типы резисторов. Рассмотрим истоки и причины такого превосходства.

Все познается в сравнении

Последние десятилетия развития электронной промышленности убедительно свидетельствуют о неуклонном стремлении к миниатюризации производимых устройств и приборов различного назначения. В связи с этим постоянно повышаются требования как к параметрам используемых компонентов, так и к их надежности, определяющей работоспособность устройства в целом. Оправданной, с точки зрения автоматизации производства, оказалась «чипизация» элементов, и среди них в первую очередь — резисторов, являющихся основными «строительными блоками» для многих схем. Их положительным свойством является экономное расходование полезной площади на печатной плате проектируемого устройства и отличная приспособляемость к автоматизированному сборочному процессу. При возможности использования разнотипных резисторов следует учитывать, что общая надежность устройства будет определяться наиболее слабым звеном, следовательно, конструктору необходимо осознанно подходить к выбору элементов, анализируя их основные и вспомогательные параметры.

В таблице 1. представлена сравнительная характеристика наиболее распространенных прецизионных резисторов [2]. Очевидно, что проволочные резисторы, присутствующие в таблице, не могут быть исполнены в виде чипов, поскольку для их изготовления требуется намотка резистивного провода на керамическую (пластиковую) шпульку. Тем не менее такие прецизионные резисторы применяют на печатных платах с монтажом в отверстиях. Выбирая диаметр и материал провода, конструктор обеспечивает требуемое значение электрического сопротивления резистора и его первоначальные параметры. У этих резисторов, по сравнению с тонко- и толстопленочными, самый низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС), характеризующий относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1. °С. За рубежом в качестве единицы измерения данного параметра для прецизионных резисторов используют миллионные доли относительного изменения сопротивления резистора (ppm/°C), а в отечественной технической литературе — полный аналог такой единицы измерения ТКС: 10–6•1/°C.

На изменение сопротивления резистора влияет не только температура внешней среды, но и саморазогрев элемента при прохождении электрического тока. Причем внутренняя часть провода, прилегающая к основанию (шпульке), нагревается сильнее, чем внешняя, обтекаемая воздухом. Точно так же провод вблизи выводов вследствие дополнительного отвода тепла через выводы на печатную плату нагревается меньше, чем центральная часть резистора. В результате разогрева проволочного резистора при включении аппаратуры и охлаждения после отключения в проводе и шпульке происходит вначале упругая (обратимая) деформация, а по мере старения — необратимая. Постоянные механические деформации приводят к случайным изменениям электрических параметров провода и непредсказуемым результатам в конце жизненного цикла резистора. Неблагоприятную динамику изменения класса точности проволочного резистора отображают данные, приведенные в 4-й и 5-й колонках таблицы. Здесь видно, как по мере эксплуатации проволочный резистор теряет свое превосходство в точности и сравнивается с тонкопленочным резистором.

Как и пленочные, проволочный резистор обладает значительной тепловой инерцией. Ему требуется несколько минут, чтобы после включения тепловой режим стабилизировался и сопротивление достигло требуемой точности.
С другой стороны, толщина и масса проводящего материала в проволочном резисторе значительно больше, чем у пленочных, что позволяет ему без ущерба для работоспособности выдерживать электростатический разряд (ЭСР) с напряжением до 25 000 В. Также проволочный резистор превосходит пленочные по коэффициенту шума.

Однако у проволочного резистора отмечается существенный недостаток, ограничивающий его применение в цепях переменного (импульсного) тока на частотах выше 50 кГц. Плотное расположение на шпульке витков провода приводит к образованию заметной межвитковой емкости. А поскольку направление тока в соседних витках одинаковое, то и суммарная индуктивность такой обмотки с резистивным проводом наряду с распределенной эквивалентной емкостью могут быть весьма значительными.

В отличие от проволочных производство тонкопленочных резисторов автоматизировано в гораздо большей степени, и поэтому затраты на единицу продукции существенно меньше. Они более компактны по сравнению с проволочными, и их применение оправдано в приборах, где достаточен промежуточный уровень точности сопротивления резистора.

Процесс изготовления тонкопленочного резистора заключается в вакуумном напылении на керамическую подложку паров металла (хрома, тантала, нихрома и др.), при этом образуется пленка толщиной всего лишь 5–25 нм (1 нанометр = 10–9 м). В дальнейшем на металлическую пленку методом фотолитографии проецируют групповое изображение резисторов с заданной конфигурацией токопроводящей дорожки и подвергают химическому или ионному травлению токопроводящий слой под засвеченными в ультрафиолетовых лучах участками фоторезиста. На заключительном этапе осуществляют порезку на отдельные элементы групповой сборки резисторов на общей подложке и их герметизацию.

Очевидно, что точность сопротивления изготовленного тонкопленочного резистора определяется, в основном, технологическим соблюдением заданной толщины напыляемой металлической пленки, и в начале жизненного цикла точность весьма высока, лишь на порядок уступая точности прецизионного проволочного резистора. Примерно одинаковы для сравниваемых в данном случае резисторов ТКС,
а также точность в конце жизненного цикла и на заданном этапе функционирования (через 2. и 10 тыс. ч работы). Однако из-за незначительной толщины пленки такой резистор способен выдержать значительно меньший ЭСР, напряжением всего лишь 2500 В. И коэффициент теплового шума у него существенно выше, достигая –20 дБ.

По всем параметрам вышеназванным аналогам уступает толстопленочный резистор, в котором толщина проводящего слоя составляет 10–100 мкм. Тем не менее объемы производства и потребления таких элементов остаются значительными благодаря их относительной дешевизне. В то же время таким элементам свойственна высокая надежность, обусловленная прочным сцеплением токопроводящего слоя с керамической подложкой. При производстве токопроводящую пасту через сетчатый трафарет наносят на подложку, а затем подвергают сушке и вжиганию. В результате прочность сцепления подложки с толстой пленкой достигает 50 кгс/см2.

Толстые пленки на основе серебряно-палладиевой, оловянной, боридной, рутениевой и др. пасты представляют собой вкрапления токопроводящих гранул в стеклянной матрице [3], как это показано на рис. 1. Электрические контакты между гранулами создают дорожку для протекания тока в резисторе. Таких параллельных дорожек образуется великое множество, их интегрирование (объединение) во всем объеме материала задает требуемое электрическое сопротивление толстопленочного резистора. Тепловое линейное расширение токопроводящего слоя приводит к обрыву многих дорожек, но их настолько много, что выхода резистора из строя не наблюдается. Однако, как показано в таблице, термостабильность, изначальный класс точности и стабильность сопротивления в процессе функционирования у толстопленочного резистора значительно хуже, чем у аналогов. К тому же гранулированная структура проводящего материала и флюктуация токопроводящих путей приводят к образованию сгустков электронных зарядов
и их скачкообразному продвижению через резистор. В результате чем выше сопротивление резистора, тем меньше содержание гранул металла в его объеме и тем выше уровень шума и меньше стабильность. С другой стороны, стекловидный материал в составе толстопленочного резистора образует дополнительную герметизирующую пленку, поэтому его влагостойкость выше, чем у тонкопленочного резистора.

Все вышесказанное, а также приведенные в таблице данные убеждают нас в абсолютном превосходстве фольгового резистора, но его замечательные свойства заслуживают отдельного рассмотрения.

ТКС фольгового резистора

Как известно, в соответствии с классической электронной теорией сопротивление проводника, изготовленного как из чистого металла, так и из сплавов различных металлов, подвержено влиянию температуры. Ионы и атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают тепловые гармонические колебания относительно положения равновесия. Свободные электроны, создающие электрический ток, по мере продвижения вдоль проводника сталкиваются с узлами решетки, испытывая сопротивление своему движению. Чем выше температура металла (сплава), тем больше препятствий (столкновений), тем выше сопротивление. Разумеется, с ростом температуры у различных металлов (сплавов) относительное повышение сопротивления различно.

Еще в 50-х годах прошлого столетия Ф. Зандман задался целью создать такой сплав, чтобы его сопротивление не зависело от температуры. Однако он понимал, что тепловое движение узлов кристаллической решетки с ростом температуры устранить невозможно, его можно только каким-то образом скомпенсировать. И выход был найден.

Обратим внимание на структуру проводимости электрического тока в фольге, изготовленной из сплавов различных металлов [3], показанную на рис. 2. В качестве исходных материалов молодой ученый экспериментировал с хромом, никелем, молибденом и др. Если на рис. 1. «дорожка» для протекания тока образована соприкасающимися острыми краями токопроводящих гранул в изоляционном материале, то в охлажденном расплаве металлов на рис. 2. мы видим огромное множество таких «дорожек» между плотно расположенными «островками» проводимости (группами кристаллов) — ведь никаких изоляторов в расплав не вводилось. Теперь представим, что мы начали сжимать островки. Чем плотнее они будут прижиматься друг к другу, тем меньше окажется результирующее сопротивление проводника.

Осталось объединить эти два разнородных физических явления. Для этого изобретатель сцементировал слой фольги из металлического сплава с керамической подложкой. Механическое соединение фольги с подложкой оказалось очень прочным. Причем коэффициент линейного расширения сплава путем композиции различных металлов подбирался почти таким же, как у керамической подложки, чтобы не допустить механического разрыва фольги толщиной 0,002–0,1 мм, прочно соединенной с подложкой. В силу этого при нагревании фольга стремилась расшириться, но подложка тормозила это расширение, т. е. островки проводимости подвергались внешнему сжатию. В результате внутреннее увеличение электрического сопротивления металлического сплава вследствие нагревания компенсировалось дополнительным сжатием и улучшением контакта между островками, поэтому результирующее сопротивление такого проводника почти не изменялось.

Тысячи, если не миллионы, экспериментов были проведены неутомимым первооткрывателем Ф. Зандманом, прежде чем приблизиться к желаемому результату. И, как видно на рис. 3, первым удачным оказался сплав, обозначенный автором изобретения литерой С (C Alloy). Для данного сплава ТКС, имеющий параболическую зависимость от температуры, аппроксимируют прямой линией, показанной на рисунке синим цветом, и по абсолютному значению он составляет ±2 ppm/°C. Десятки лет упорного труда потребовались, чтобы создать сплав K Alloy с ТКС = ±1 ppm/°C. И прошло еще почти полвека, прежде чем в 2000 г. осуществилась мечта изобретателя, когда был получен сплав Z Alloy, у которого ТКС = ±0,2 ppm/°C. Несмотря на современный уровень развития науки и техники, никакими другими методами получить столь низкий ТКС у резисторов до настоящего времени не удается.

Когда шум шуму — рознь…

Вряд ли доктор Зандман при изобретении резистора с предельно низким ТКС задавался целью снизить уровень шума в усилителях слабых электрических сигналов. Усилитель может быть исполнен как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. В любом случае рабочий режим усилителя задают резисторы. А поскольку усиление требуется достаточно большое, будет усиливаться не только некоторый слабый полезный импульсный сигнал, осциллограмма которого показана на рис. 4a, но и соизмеримые с полезным сигналом шумы, создаваемые обычными резисторами во входных цепях усилителя [3], как это иллюстрирует рис. 4b. При использовании прецизионных фольговых резисторов уровень шумов в усиленном сигнале значительно снижается, его осциллограмму демонстрирует рис. 4c.

Природа возникновения шумов в резисторах рассмотрена ранее (рис. 1, 2). Если сравнивать показанный на рисунках путь прохождения тока в тонкопленочных и фольговых резисторах, бесспорным окажется преимущество последних за счет множественности «элементарных» путей, образующих суммарный ток в резисторе. В свою очередь, такая множественность образована более тесным соприкосновением островков проводимости, у которых все грани участвуют в проведении тока. Важное следствие такого механизма токообразования в фольговых резисторах — нейтрализация влияния повышения температуры на уровень шума, когда более плотное соединение островков способствует образованию дополнительных путей для прохождения электрического тока. Аналогично компенсируется повышение шумов при возрастании электрического напряжения в токопроводящей цепи в отличие от пленочных резисторов, где существенное влияние оказывает как минимальная толщина проводящей пленки, так и неустойчивое соединение токопроводящих гранул в матрице изоляционного материала.
К тому же фольговые резисторы в индивидуальных корпусах отличаются значительно лучшей герметизацией, чем проволочные и пленочные, поэтому в них повышение влажности окружающей среды не влияет на повышение уровня электрических шумов.

Существенный вклад в уровень электрического шума в резисторах вносит также переход от токопроводящего материала к выводам для подключения к внешней схеме, т. е. конструкция выводов. Наиболее оптимальной она оказалась именно в фольговых резисторах. Этому способствует относительно высокая проводимость используемого в таких резисторах материала, что позволяет контактные площадки для подключения выводов исполнять из той же фольги, что и токопроводящие проводники [3], как это показано на рис. 5. Но в особо ответственных вариантах применения фольговых резисторов технология их изготовления предусматривает возможность золочения выводов на керамической подложке, что способствует дополнительному снижению уровня электрического шума.

В итоге оказывается, стремился ли изобретатель Зандман к подобному результату или он получен благодаря удачному стечению технических обстоятельств, но никакие другие резисторы не могут сравниться с фольговыми по уровню создаваемых ими электрических шумов и другим показателям, о которых пойдет речь далее.

Чем достигается особая прецизионность фольгового резистора?

Если обратиться к таблице 1, можно видеть, что у фольговых резисторов в серийном производстве отклонение сопротивления от номинального значения не превышает 0,001%. Заметим, что это отнюдь не тот предел точности, который достижим на поточном оборудовании фирмы Vishay Intertechnology, Inc. По индивидуальному заказу фирма предоставляет специальный сервис PFS (Prototype Fastlane Service) [3], суть которого состоит в гарантированной возможности в течение 76 ч изготовления и отправки потребителю партии резисторов с произвольным заданным номинальным значением сопротивления, например 123,4567 Ом. Как же достигается подобная точность?

В технологической основе создания сверхпрецизионных резисторов лежит упомянутый выше процесс фотолитографии, используемый также при изготовлении тонкопленочных резисторов. Рассмотрим промежуточный результат (рис. 5), когда на керамической подложке с резистивным слоем фольги (закрашен белым цветом) уже сформирована требуемая топология токоведущих проводников. На левой части керамической подложки расположены контактные площадки для формирования выводов резистора. Вертикально расположенные линии — это проводники, образующие бесподстроечную часть резистора.

Правая часть рисунка отображает горизонтально расположенные проводники и соединенные с ними так называемые триммерные (подгоночные) площадки, в крупном масштабе показанные в центре изображения. Здесь проводники окрашены в черный цвет, а изоляционные промежутки — в белый.
Пунктиром показан путь электрического тока в двух абсолютно идентичных смежных участках резистора — А и В. На участке В триммерная площадка удалена с помощью лазера, поэтому в обход препятствия электрический ток вынужден преодолевать длинный меандрообразный путь со сравнительно большим сопротивлением. На участке А триммерная площадка осталась нетронутой, благодаря чему электрический ток «выбирает» кратчайший путь в обход меандро
образного участка. Очевидно, что электрическое сопротивление участка В существенно больше, чем участка А.

Лазерное удаление отдельных триммерных площадок позволяет в автоматизированном режиме осуществлять калибровку прецизионного резистора. Как показывает шкала в правой части рисунка, влияние отключаемого при калибровке резистора меандрообразного участка максимально вверху и позволяет грубо изменять номинальное значение сопротивления (с точностью до 19,6%), и минимально внизу (с точностью до 0,0005%).

Высокочастотное применение фольговых резисторов

В отличие от остальных прецизионных резисторов, меандрообразная топология токоведущего проводника в фольговых резисторах предоставляет конструктору еще одно неоспоримое преимущество — возможность их широкого применения в высокочастотных цепях. Для пояснения данного замечательного свойства рассмотрим эквивалентную схему прецизионного проволочного резистора [3], показанную на рис. 6. В этом резисторе витки провода намотаны на керамическую шпульку в одном направлении (если смотреть со стороны вывода — либо по часовой стрелке, либо против). И поскольку во всех витках направление электрического тока одинаково, то и отдельные межвитковые емкости, и индуктивные составляющие отдельных витков складываются, причем суммарная реактивная составляющая полного сопротивления прецизионного проволочного резистора оказывается настолько значительной, что его работа невозможна на частотах выше 50 кГц, как это указывалось выше. На рисунке активная составляющая полного сопротивления резистивного проводника обозначена R0, вывода 1. и вывода 2. — r1 и r2 соответственно, индуктивная — XL0, XL1, XL2, емкостная — XC. Здесь резистивные и индуктивные компоненты включены последовательно, поэтому общее активное сопротивление резистора R = R0+r1+r2, индуктивное — XL = XL0+XL1+XL2, емкостное — ХС. С учетом введенных обозначений модуль полного сопротивления резистора Z может быть выражен равенством:

Благодаря тому, что токоведущие проводники в фольговых резисторах имеют меандробразную структуру, как это показано на рис. 5, их реактивная составляющая в общем сопротивлении оказывается значительно ослабленной. Противоположное направление тока в соседних витках, изображенное на рисунке, приводит к взаимной компенсации индуктивного сопротивления резистора, а межвитковые емкости оказываются включенными последовательно, поэтому суммарная эквивалентная емкость фольгового резистора существенно меньше по сравнению с другими типами резисторов. Типовую частотную зависимость отношения полного сопротивления разнотипных фольговых резисторов к активной составляющей [3] отражает рис. 7. В соответствии с приведенным выше равенством, модуль полного сопротивления резистора (на рисунке — длина вектора Z) можно определить как длину гипотенузы в прямоугольном треугольнике, один из катетов которого — активная составляющая R, второй — разность емкостной и индуктивной составляющих. Как видно на графике, все представленные для исследования фольговые резисторы абсолютно свободны от реактивной составляющей сопротивления на частотах до 1. МГц. Затем для резисторов 10 и 100 кОм в общем сопротивлении начинает сказываться емкостная составляющая. У резисторов 1. кОм и 160 Ом такое влияние становится заметным на частотах свыше 50 и 100 МГц соответственно. В остальных резисторах преобладает индуктивная составляющая, а резистор 100 Ом практически свободен от реактивной составляющей сопротивления на частотах вплоть до 200 МГц, что позволяет его использовать во входных цепях анализаторов спектра радиосигналов, осциллографов и других прецизионных приборах.

Кроме частотной зависимости полного сопротивления, для оценки высокочастотных свойств резистора применяют и другой критерий — способность пропускать импульсный сигнал без искажений фронта. Для фольговых резисторов данный показатель соответствует импульсу с длительностью фронта всего лишь 1. нс, тонкопленочных — 10 нс, толстопленочных — 50 нс.

Из всего сказанного следует, что в случае необходимости схемотехнической обработки высокочастотных или импульсных сигналов с большой крутизной фронта при выборе элементной базы другой альтернативы для инженера-конструктора, помимо фольговых резисторов, просто не существует.

Области применения фольговых резисторов

Представленную выше сравнительную характеристику параметров разнотипных прецизионных резисторов можно продолжать и продолжать. Например, при анализе зависимости сопротивления от приложенного к нему напряжения окажется, что так называемый коэффициент напряжения в фольговых резисторах по сравнению с другими на несколько порядков ниже — менее 0,1 ppm/В. Аналогичное явление наблюдается при исследовании зависимости относительного изменения сопротивления фольгового резистора от рассеиваемой мощности. Так называемый мощностной коэффициент сопротивления в данном случае не превысит 5. ppm/Вт. То же и по всем другим параметрам. Вывод однозначен: на сегодня среди прецизионных резисторов только фольговые могут соответствовать самым жестким предъявляемым требованиям в ответственнейших случаях применения различных электронных устройств.

Многообразие метрологических и других задач, решаемых с помощью фольговых резисторов, порождает широкий спектр типоразмеров серийно производимых компанией Vishay резисторов, исчисляемых сотнями. Чтобы получить первичное представление о такой продукции, выборочно рассмотрим лишь некоторые из резисторов [3], включенные в таблицу 2.

Большинство из представленных в таблице образцов — двухвыводные прецизионные резисторы на основе сплава Z Alloy, исполненные как в виде чипов для поверхностного монтажа, так и с выводами, предназначенными для монтажа посредством пайки в отверстиях.

В таблице показаны также многовыводные резисторы, представляющие собой объединение нескольких резисторов на одной подложке, что позволяет использовать их прежде всего в цепях обратной связи для операционных усилителей. Такое применение дает неоспоримое схемотехническое преимущество по сравнению с другими резисторами по двум причинам. Во-первых, фольговый резистор, как пояснялось, способствует резкому снижению электрических шумов, и, во-вторых, равновеликое воздействие температуры внешней среды на все резисторы с низким ТКС в общей цепи делителя напряжения, образующего обратную связь, как никакого другого способствует почти абсолютной термостабильности электрического режима усилителя. Аналогичный результат не удастся получить в случае применения дискретных фольговых резисторов.

В операционном усилителе используют, как правило, один канал усиления по инвертирующему либо неинвертирующему входу. Но в ряде случаев требуется усиление сразу по двум каналам, т. е. дифференциальное усиление. В таких усилителях число резисторов, задающих требуемый электрический режим, кратно возрастает. И только фольговые резисторы на общей подложке обеспечивают высокие параметры дифференциального усилителя.

Весьма оправдано применение объединенных на одной подложке фольговых резисторов и в мостовых схемах. Как известно, мостовые схемы применяют в устройствах как для измерения различных электрических параметров устройств и компонентов (сопротивления, частоты, тока, напряжения и пр.), так и в различных следящих системах для датчиков движения и управления двигательными установками. Следовательно, без фольговых резисторов, соединенных на общей подложке по мостовой схеме, невозможно обойтись во всех сферах, где применяются электромеханические устройства, — в автомобилестроении, электронных системах вооружения и военной техники, авиации, современной космической технике и др.

Незаменимыми оказываются датчики тока на основе фольговых резисторов при разработке импульсных источников питания, особенно оперирующих большими токами. В таких преобразователях наряду с большой рассеиваемой на датчиках тока мощностью требуется высокая степень достоверности получаемого сигнала мгновенного значения тока, который может быть значительно искажен заметной эквивалентной емкостью и индуктивностью резистора и способен нарушить нормальную работу замкнутых контуров в цепях усиления сигнала ошибки и автоматического регулирования выходного напряжения (тока).

Высокая степень герметизации фольговых резисторов обеспечивает их независимость от влияния внешней среды с высокой влажностью и агрессивными компонентами в ее составе, что особенно важно в химическом производстве, медицине, судовых механизмах военного/гражданского морфлота и многих других областях.

Еще одна обширная область применения фольговых резисторов — техника высококачественного звуковоспроизведения. В таких системах можно инструментально измерить уровень искажений и привносимых в звуковой сигнал электрических шумов. Однако верность высококачественного звуковоспроизведения теми или иными устройствами в основном оценивается по совокупности субъективных отзывов аудиоэкспертов и меломанов. И подавляющее большинство таких отзывов свидетельствует о полноценном воспроизведении звука только аудиоаппаратурой, базирующейся на фольговых резисторах [3].

С полной номенклатурой производимых компанией Vishay фольговых резисторов можно ознакомиться на сайте производителя. Для заказа продукции, а также уточнения отдельных параметров резисторов, не нашедших отражения
в размещенной на сайте информации, можно обратиться к сотрудникам фирмы PT Electronics, являющейся официальным дистрибьютором Vishay Intertechnology, Inc.

Литература:

  1. Российский рынок электромеханики. По материалам исследования Информационно-аналитического центра современной электроники // Вестник электроники. 2012. № 2.
  2. Introduction to High-Precision Resistors Vishay Foil Resistors. http://www.vishaypg.com/docs/49787/intro.pdf.
  3. Bulk Metal® Foil Resistors. Complete Resource Guide. http://www.vishaypg.com/docs/49789/vfrguide.pdf.

Термистор | Типы резисторов | Руководство по резистору

Что такое термистор?

Термистор — это термочувствительный резистор, их часто используют в качестве датчика температуры. Термин термистор является сокращением слов «термический» и «резистор». Все резисторы имеют некоторую зависимость от температуры, которая описывается их температурным коэффициентом. В большинстве случаев для резисторов (фиксированных или переменных) температурный коэффициент минимизирован, но в случае термисторов достигается высокий коэффициент.В отличие от большинства других резисторов, термисторы обычно имеют отрицательный температурный коэффициент (NTC), что означает, что сопротивление уменьшается при повышении температуры. Эти типы называются термисторами NTC. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом называются термисторами с положительным температурным коэффициентом (PTC).

Определение термистора

Резистор, сопротивление которого значительно изменяется при изменении температуры.

Виды и применение

Термисторы — это керамические полупроводники.В большинстве случаев они состоят из оксидов металлов, которые сушат и спекают для получения желаемого форм-фактора. Типы оксидов и добавок определяют их характерное поведение. Для NTC обычными оксидами являются кобальт, никель, железо, медь или марганец. Для производства PTC обычно используются титанаты бария, стронция или свинца.

Термистор NTC

Тип NTC используется, когда требуется изменение сопротивления в широком диапазоне температур. Они часто используются в качестве датчиков температуры в диапазоне от -55 ° C до 200 ° C, хотя могут быть произведены для измерения гораздо более низких или более высоких температур.Их популярность объясняется быстрым откликом, надежностью, прочностью и низкой ценой.

Термистор PTC

Тип PTC, используемый, когда требуется резкое изменение сопротивления при определенной температуре. Они демонстрируют внезапное увеличение сопротивления выше определенной температуры, называемое переключением, переходом температуры «Кюри». Наиболее распространенные температуры переключения находятся в диапазоне от 60 ° C до 120 ° C. Они часто используются для саморегулирующихся нагревательных элементов и самовосстанавливающейся защиты от перегрузки по току.

NTC PTC
Температурный коэффициент Отрицательный Положительно
Оксиды металлов кобальт, никель, железо, марганец, титан титанат бария, свинца, стронция
Общий диапазон температур от -55 ° C до 200 ° C от 60 ° C до 120 ° C (температура переключения)
Приложения Измерение и регулирование температуры, ограничение пускового тока, измерение расхода защита от перегрузки по току, саморегулирующийся нагреватель, выдержка времени, определение уровня жидкости

Пакеты термисторов

Доступно несколько типов корпусов и размеров, наиболее распространен тип корпуса с радиальными выводами, который в основном изготовлен из эпоксидной смолы.Для применения в суровых условиях больше подходят герметичные стеклянные упаковки. Также доступны интегрированные пакеты, такие как корпуса с резьбой, наконечники или датчики для облегчения монтажа. В следующей таблице показаны некоторые примеры доступных типов пакетов.

Обозначения термисторов

Следующие символы используются в соответствии со стандартом IEC.

Обозначение термистора NTC Стандарт IEC Обозначение термистора PTC Стандарт IEC

Резисторы — удельное сопротивление, термическое сопротивление и температурный коэффициент — Блог о пассивных компонентах

R1.1 СОПРОТИВЛЕНИЕ (ρ)

Удельное сопротивление, ρ, — постоянная материала. Чем выше удельное сопротивление материала резистора, тем выше его сопротивление. Подключение можно обозначить как

………………………… [R1-1]

Здесь
R = сопротивление
l = длина проводника
A = площадь проводника.

В зависимости от того, в каких единицах выражаются l и A, мы получаем разные единицы r. Обычный способ — выразить l в м (eter) и A в мм 2 r, а затем получить единицу W´mm 2 / м.Если вместо этого мы выберем l в м и A в м 2 , единицей измерения r будет W´mm 2 / м, которая обычно преобразуется в Wm. Этот блок часто используется для неметаллических материалов. Если нам известно значение r, выраженное в Вт´мм 2 / м, это значение необходимо умножить на коэффициент 10 -6 , чтобы получить значение в Вт · м. Таким образом, 10 -6 x Ш × мм 2 / м = 1 Вт · м.

R1.2 СОПРОТИВЛЕНИЕ ЛИСТА (Ом / квадрат)

Рисунок R1-1.Удельное поверхностное сопротивление r (кв.) [Ом / квадрат].

Удельное сопротивление листа — это мера сопротивления на единицу поверхности резистивных пленок. Элемент с квадратной поверхностью, показанный на рисунке R1-1, получает в соответствии с формулой [R1-1] сопротивление:

.

………………… [С1-2]

Таким образом, сопротивление на единицу площади, r (sq) , не зависит от размера поверхности. Именно толщина пленки и ее собственное удельное сопротивление определяют r (sq) (выраженное в Ом / квадрат).

R1.3 ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ И ГОРЯЧЕЕ ЗОНО

Рисунок R1-2. Повышение температуры в зависимости от нагрузки. Ta = температура окружающей среды.

Повышение температуры поверхности корпуса резистора зависит от нагрузки, как в принципе показано на Рисунке R1-2. При повышении температуры увеличивается проводимость, излучение и конвекция (охлаждение воздуха) от корпуса резистора, что приводит к выравниванию температурной кривой.

На рисунке R1-3 показано распределение температуры по корпусу резистора.Рассеяние тепла на выводах или выводах SMD снижает температуру на концах. В середине тела мы регистрируем температурный максимум, так называемую температуру Hot Spot . Эта температура определяет как стабильность резистора, так и срок его службы.

Важно, чтобы спиральная или проволочная обмотка была равномерно распределена по всей свободной длине резистора. В противном случае мы получим усиленный эффект горячих точек, угрожающий жизни и стабильности.

Горячие точки имеют жизненно важное значение не только для самого резистора.Тепловое излучение может повлиять на соседние компоненты и печатные платы. Таким образом, убедитесь, что корпус резистора находится на достаточном расстоянии от термочувствительных соседних компонентов.

Рисунок R1-3. Температуры:
Thsp = Температура горячей точки.
Ta = температура окружающей среды.

R1.4 ТЕПЛОВАЯ ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЯ, τ Вт

Рисунок R1-4. Тепловая постоянная времени, τw.

Тепловая постоянная времени, τw , определяется как время прогрева поверхности резистора до достижения 63% или теоретически (1-1 / е) конечной температуры после ступенчатого увеличения приложенной нагрузки, обычно P R (Рисунок R1-4).Конечно, постоянная времени сильно зависит от размера корпуса резистора. Маленькое тело быстрее нагреется, чем большое. В таблице R1-1 указаны стандартные значения для некоторых размеров, классифицированных по DIN.

Таблица R1- 1 . Примеры тепловых постоянных времени и тепловых сопротивлений.

Размер DIN [1] 0204 0207 0414
Тепловая постоянная времени, τw (с) 2 5 20
Тепловое сопротивление, R th (K / W) 400 250 170

[1] Цилиндрические детали с выводами.

R1.5 ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, R th

Тепловое сопротивление R th выражается в К / Вт. Он описывает повышение температуры тела резистора под приложенной нагрузкой. Поскольку излучение вызывает поворот температурной кривой вниз при увеличении нагрузки, данные о R th относятся к нормализованному монтажу и нагрузке P R . (См. DIN 44 050). Как показано на Рисунке R3-5, перегрузка по мощности снижает R th .

Рисунок R1-5.Тепловое сопротивление при перегрузке P с и при номинальной мощности P R .

В уравнении R1-3 описана связь между R th и текущими температурами. R th выражается в K / W, но из-за того, что уравнение имеет дело с разницей между двумя температурами, не имеет значения, используем ли мы ° C или K для обоих значений. Различия будут одинаково большими. K 2 -K 1 = [(° C 2 +273) — (° C 1 +273)] = ° C 2 — ° C 1 .

………… [С1-3]

T hsp = Темп. в К или ° C
T a = темп. в К или ° C.
P = приложенная нагрузка, Вт.

В таблице R1-1 приведены некоторые примеры термического сопротивления для стандартных размеров DIN.

R1.6 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ, TCR

Температурный коэффициент сопротивления TCR выражается в ppm / ° C.

……….[R1-4]

Для пояснения TC часто обозначают TCR, то есть температурный коэффициент сопротивления.

Пределы спецификаций и фактические изменения могут выглядеть так, как показано на следующем рисунке, где показано семейство компонентов.

Рисунок R1-6. Пример указанных лимитов TC и фактических записей.


ABC CLR: Глава R Резисторы

Удельное сопротивление, термическое сопротивление и температурный коэффициент

Контент, лицензируемый EPCI:

[1] EPCI Эксперты Европейского института пассивных компонентов оригинальные статьи
[2] Справочник по пассивным компонентам CLR от P-O.Фагерхольт *

* используется под авторским правом EPCI от CTI Corporation, США

Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

Термисторы / Измерение температуры с помощью термисторов NTC

Филип Кейн

Термисторы (терморезисторы) — это переменные резисторы, зависящие от температуры.Существует два типа термисторов: положительный температурный коэффициент (PTC) и отрицательный температурный коэффициент (NTC). При повышении температуры сопротивление термистора PTC увеличивается, а сопротивление термистора NTC уменьшается. Они показывают противоположную реакцию при понижении температуры.

Оба типа термисторов используются в различных областях применения. Однако здесь основное внимание будет уделено использованию термисторов NTC для измерения температуры в приложениях на базе микроконтроллеров.

Технические характеристики термистора
Следующие параметры термистора NTC можно найти в паспорте производителя.

  • Сопротивление
    Это сопротивление термистора при температуре, указанной производителем, часто 25 ° C.
  • Допуск
    Указывает, насколько сопротивление может отличаться от заданного значения. Обычно выражается в процентах (например, 1%, 10% и т. Д.). Например, если указанное сопротивление при 25 ° C для термистора с допуском 10% составляет 10000 Ом, то измеренное сопротивление при этой температуре может находиться в диапазоне от 9000 Ом до 11000 Ом.
  • Константа B (или бета)
    Значение, представляющее взаимосвязь между сопротивлением и температурой в заданном диапазоне температур. Например, «3380 25/50» означает постоянную бета 3380 в диапазоне температур от 25 ° C до 50 ° C.
  • Допуск на бета-константу
    Допуск на бета-константу в процентах.
  • Диапазон рабочих температур
    Минимальная и максимальная рабочая температура термистора.
  • Температурная постоянная времени
    Когда температура изменяется, время, необходимое для достижения 63% разницы между старой и новой температурами.
  • Константа теплового рассеяния
    Термисторы подвержены самонагреву при прохождении тока. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры термистора на 1 ° C. Он указывается в милливаттах на градус Цельсия (мВт / ° C). Обычно рассеиваемая мощность должна быть низкой, чтобы предотвратить самонагрев.
  • Максимально допустимая мощность
    Максимальная рассеиваемая мощность. Он указывается в ваттах (Вт). Превышение этой спецификации приведет к повреждению термистора.
  • Таблица температур сопротивления
    Таблица значений сопротивления и соответствующих температур в диапазоне рабочих температур термистора. Термисторы работают в относительно ограниченном диапазоне температур, обычно от -50 до 300 ° C в зависимости от типа конструкции и покрытия.

Реакция термистора на температуру

Как и в случае с любым резистором, вы можете использовать настройку омметра на мультиметре для измерения сопротивления термистора. Значение сопротивления, отображаемое на вашем мультиметре, должно соответствовать температуре окружающей среды рядом с термистором.Сопротивление изменится в ответ на изменение температуры.

Список деталей Полный комплект с Arduino

Список деталей

без Arduino

Рис. 1. Сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры.

На рис. 2 показан отклик термистора NTC в диапазоне от -40 ° C до 60 ° C. Из рисунка видно, что термисторы обладают высокой чувствительностью. Небольшое изменение температуры вызывает большое изменение сопротивления. Также обратите внимание, что реакция этого термистора не линейна.То есть изменение сопротивления при заданном изменении температуры не является постоянным в диапазоне температур термистора.

Рисунок 2: Кривая температурного сопротивления термистора от -40 ° C до 60 ° C

Паспорт производителя включает список значений сопротивления термистора и соответствующих температур во всем диапазоне. Одно из решений, позволяющих справиться с этой нелинейной реакцией, — это включить в код справочную таблицу, содержащую эти данные о термостойкости. После вычисления сопротивления (будет описано позже) ваш код ищет в таблице соответствующую температуру.

Линеаризация отклика термистора

На аппаратной стороне вы можете линеаризовать отклик термистора, подключив к нему фиксированный резистор параллельно или последовательно. Это улучшение будет происходить за счет некоторой точности. Сопротивление резистора должно быть равно сопротивлению термистора в середине интересующего температурного диапазона.

Термистор — комбинация параллельных резисторов

На Рисунке 3 показана S-образная кривая температурного сопротивления, полученная путем размещения резистора 10 кОм параллельно с термистором, сопротивление которого составляет 10 кОм при 25 ° C.Это делает область кривой между 0 ° C и 50 ° C довольно линейной. Обратите внимание, что максимальная линейность составляет около средней точки, которая находится при 25 ° C.

Рис. 3. Кривая температурного сопротивления комбинации термистора и параллельного резистора.

Термистор — комбинация последовательных резисторов (делитель напряжения)

Обычно микроконтроллеры собирают аналоговые данные через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вы не можете напрямую прочитать сопротивление термистора с помощью АЦП.Последовательная комбинация термистора и резистора, показанная на рисунке 4, представляет собой простое решение в виде делителя напряжения.

Рисунок 4: Термисторный делитель напряжения.

Для расчета выходного напряжения делителя напряжения используется следующая формула:

Vo = Vs * (R0 / (Rt + R0))

Линеаризованная кривая температура-напряжение на рисунке 5 показывает изменение выходного напряжения Vo делителя напряжения в ответ на изменение температуры. Напряжение источника Vs составляет 5 вольт, сопротивление термистора Rt составляет 10 кОм при 25 ° C, а сопротивление последовательного резистора R0 составляет 10 кОм.Подобно указанной выше комбинации параллельного резистора и термистора, эта комбинация имеет максимальную линейность около средней точки кривой, которая находится при 25 ° C.

Рисунок 5: График зависимости температуры от напряжения.

Обратите внимание, что, поскольку Vs и R0 постоянны, выходное напряжение определяется Rt. Другими словами, делитель напряжения преобразует сопротивление термистора (и, следовательно, температуру) в напряжение. Идеально подходит для ввода в АЦП микроконтроллера.

Преобразование данных АЦП в температуру путем определения сначала сопротивления термистора.

Чтобы преобразовать данные АЦП в температуру, сначала найдите сопротивление термистора, а затем используйте его для определения температуры.

Вы можете изменить приведенное выше уравнение делителя напряжения, чтобы найти сопротивление термистора Rt:

Rt = R0 * ((Vs / Vo) — 1)

Если опорный АЦП напряжения (Vref) и источник напряжения делитель напряжения (Vs) являются одинаковыми, то справедливо следующее:

adcMax / adcVal = Vs / Vo

То есть отношение входного напряжения делителя напряжения к выходному напряжению такое же, как отношение значения полного диапазона АЦП (adcMax) к значению, возвращаемому АЦП (adcVal).Если вы используете 10-битный АЦП, тогда adcMax равно 1023.

Рисунок 6: Схема делителя напряжения и АЦП с общим опорным напряжением.

Теперь вы можете заменить соотношение напряжений соотношением значений АЦП в уравнении, которое необходимо решить для Rt:

Rt = R0 * ((adcMax / adcVal) — 1)

Например, предположим, что термистор с сопротивлением 10 кОм при 25 ° C, 10-битный АЦП и adcVal = 366.

Rt = 10,000 * ((1023/366) — 1)
= 10,000 * (2,03)
= 17,951 Ом

После вычисления значения Rt вы можете использовать справочную таблицу, содержащую данные температурного сопротивления для вашего термистора, чтобы найти соответствующую температуру.Расчетное сопротивление термистора в приведенном выше примере соответствует температуре приблизительно 10 ° C.

9 18,670
10 17,926
11 17,214

Лист технических данных производителя может не включать все значения температурного сопротивления для термистора, или у вас может не хватить памяти для включения всех значений в справочную таблицу. В любом случае вам нужно будет включить код для интерполяции между перечисленными значениями.

Прямое вычисление температуры

В качестве альтернативы для расчета температуры можно использовать уравнение, которое аппроксимирует кривую температурной характеристики термистора.3

Производитель может или не может предоставить значения для коэффициентов A, B и C. В противном случае они могут быть получены с использованием данных измерения температурной устойчивости. Однако это выходит за рамки данной статьи. Вместо этого мы будем использовать более простое уравнение параметра Beta (или B), показанное ниже. Хотя оно не так точно, как уравнение Стейнхарта-Харта, оно все же дает хорошие результаты в более узком температурном диапазоне.

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln (R / R0)

Переменная T — это температура окружающей среды в Кельвинах, T0 — обычно комнатная температура, также в Кельвинах (25 ° C = 298.15K), B — бета-постоянная, R — сопротивление термистора при температуре окружающей среды (такое же, как Rt выше), а R0 — сопротивление термистора при температуре T0. Значения T0, B и R0 можно найти в паспорте производителя. Вы можете рассчитать значение R, как описано ранее для Rt.

Если напряжение источника делителя напряжения и Vref одинаковы, вам не нужно знать R0 или находить R для расчета температуры. Помните, что вы можете записать уравнение для сопротивления термистора через отношение значений АЦП:

R = R0 * ((adcMax / adcVal) — 1)

, тогда:

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln (R0 * ((adcMax / adcVal) — 1) / R0)

R0 отменяет, что оставляет:

1 / T = 1 / T0 + 1 / B * ln ((adcMax / adcVal) — 1)

Возьмите результат, обратный результату, чтобы получить температуру в Кельвинах.

Например, предположим, что схема термисторного делителя напряжения подключена к 10-битному АЦП. Константа бета для термистора составляет 3380, сопротивление термистора (R0) при 25 ° C составляет 10 кОм, а АЦП возвращает значение 366.

1 / T = 1 / 298,15 + 1/3380 * ln ((1023/366) — 1)
1 / T = 0,003527
T = 283,52K — 273,15K = 10,37 ° C

Пример: простой регистратор температуры на базе Arduino

На рисунке 7 показан простой регистратор температуры, состоящий из Arduino Uno SBC и термисторного делителя напряжения (справа).Выход делителя напряжения подключен к внутреннему 10-битному АЦП Arduino через один из аналоговых выводов. Arduino получает значение АЦП, вычисляет температуру и отправляет ее на последовательный монитор для отображения.

Рисунок 7: Схема регистратора температуры Arduino.

В следующем эскизе Arduino используется уравнение параметра B для расчета температуры. Функция getTemp выполняет большую часть работы. Он считывает аналоговый вывод несколько раз и усредняет значения АЦП. Затем он вычисляет температуру в градусах Кельвина, преобразует ее в градусы Цельсия и Фаренгейта и возвращает все три значения в основной цикл.Основной цикл многократно вызывает getTemp с двухсекундной задержкой между вызовами. Он отправляет значения температуры, возвращаемые getTemp, на последовательный монитор.

Рисунок 8: Снимок экрана с выходными данными регистратора температуры.

Загрузите пример кода здесь.

недействительным getTemp (float * t)
{

    // Преобразует входной сигнал термисторного делителя напряжения в значение температуры.
    // Делитель напряжения состоит из термистора Rt и последовательного резистора R0.
    // Значение R0 равно сопротивлению термистора при T0.// Вы должны установить следующие константы:
    // adcMax (значение полного диапазона АЦП)
    // analogPin (аналоговый входной контакт Arduino)
    // invBeta (инверсия значения бета термистора, предоставленного производителем).
    // Используйте эталонное напряжение Arduino по умолчанию (5 В или 3,3 В) с этим модулем.
    //

  const int analogPin = 0; // заменяем 0 аналоговым выводом
  const float invBeta = 1.00 / 3380.00; // заменяем "Beta" на beta термистора

  const float adcMax = 1023.00;
  const float invT0 = 1,00 / 298,15; // комнатная температура в Кельвинах

  int adcVal, i, numSamples = 5;
  поплавок K, C, F;

  adcVal = 0;
  для (i = 0; i
  Ошибка измерения и разрешение АЦП  

Существует ряд факторов, которые могут способствовать ошибке измерения. Например, термистор и последовательные резисторы могут отличаться от своих номинальных значений (в указанных пределах допуска), или может быть ошибка из-за самонагрева термистора, или шумная электрическая среда может привести к колебаниям на входе АЦП [6].

Ниже приведены несколько предложений по уменьшению погрешности измерения. Предполагается, что вы используете уравнение для параметра B.

Разрешение АЦП

В лучшем случае температура в приведенном выше примере является точной с точностью до 0,1 ° C. Это связано с ограничением из-за разрешения АЦП.

АЦП не чувствителен к изменениям напряжения между шагами. Для 10-битного АЦП наименьшее изменение напряжения, которое можно измерить, составляет Vref / 1023. Это разрешение АЦП по напряжению.Если Vref составляет 5 В, разрешение по напряжению составляет 4,89 мВ. Предполагая, что T0 составляет 25 ° C, наименьшее изменение температуры, которое может быть обнаружено при 25 ° C, составляет ± 0,1 ° C. Это температурное разрешение при 25 ° C. Это означает, что изменение младшего разряда вызовет скачок отображаемой температуры на 0,1 ° C. Этот скачок связан с разрешением АЦП, а не с ошибкой измерения.

АЦП Выход Температура
511
512
513
0111111111
1000000000
1000000001
24.95 ° C
25,05 ° C
25,15 ° C

Если вам нужно лучшее разрешение, существуют методы (например, передискретизация [1]), которые вы можете использовать для увеличения эффективного разрешения АЦП вашего микроконтроллера или вы можете использовать внешний АЦП. с более высоким разрешением.

Ссылки

  1. AVR121: Повышение разрешения АЦП за счет передискретизации
    http://www.atmel.com/Images/doc8003.pdf
  2. Как найти выражение для бета-версии
    http://www.zen22142.zen.co.uk / ronj / tyf.html
  3. Измерение температуры с помощью термистора и Arduino
    http://web.cecs.pdx.edu/~eas199/B/howto/thermistorArduino/thermistorArduino.pdf
  4. Термистор
    https://en.wikipedia.org/wiki/Термистор
  5. Учебное пособие по термистору
    http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/thermistor/thermistor.php
  6. Понимание и минимизация ошибок преобразования АЦП
    http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/9d/56/66/74/4e/97/48/93/CD00004444.pdf / files / CD00004444.pdf / jcr: content / translations / en.CD00004444.pdf

Если у вас есть история об электронике, которой вы хотите поделиться, отправьте ее по адресу [адрес электронной почты защищен].


Почти два десятилетия Фил Кейн был техническим писателем в индустрии программного обеспечения и иногда писал статьи для журналов для любителей электроники. Он имеет степень бакалавра электронных технологий и информатику. Фил всю жизнь интересовался наукой, электроникой и исследованием космоса.Ему нравится конструировать и конструировать электронные устройства, и он очень хотел бы однажды увидеть хотя бы одно из этих устройств на пути к Луне или Марсу.

Что такое термистор и как он работает?

Опубликовано 28 августа 2018 г.

Термисторы — это тип полупроводников, что означает, что они имеют большее сопротивление, чем проводящие материалы, но меньшее сопротивление, чем изоляционные материалы. Взаимосвязь между температурой термистора и его сопротивлением во многом зависит от материалов, из которых он изготовлен.Производитель обычно определяет это свойство с высокой степенью точности, поскольку это основная характеристика, представляющая интерес для покупателей термисторов.

Термисторы состоят из оксидов металлов, связующих и стабилизаторов, спрессованы в пластины, а затем нарезаны по размеру чипа, оставлены в форме диска или сделаны в другую форму. Точное соотношение композитных материалов определяет их «кривую» сопротивления / температуры. Производители обычно регулируют это соотношение с большой точностью, поскольку оно определяет, как термистор будет работать.

Подробнее о Термисторах

Что означает «термистор»?

Термисторы, производные от термина термочувствительные резисторы, представляют собой очень точный и экономичный датчик для измерения температуры. Доступный в 2 типах, NTC (отрицательный температурный коэффициент) и PTC (положительный температурный коэффициент), это термистор NTC, который обычно используется для измерения температуры.
Термисторы

бывают двух типов: с отрицательным температурным коэффициентом (термисторы NTC) и с положительным температурным коэффициентом (термисторы PTC).Сопротивление термисторов NTC уменьшается с увеличением их температуры, в то время как сопротивление термисторов PTC увеличивается с увеличением их температуры. Для измерения температуры обычно используются только термисторы NTC.

Термисторы состоят из материалов с известным сопротивлением. По мере увеличения температуры сопротивление термистора NTC будет увеличиваться нелинейным образом, следуя определенной «кривой». Форма этой кривой зависимости сопротивления от температуры определяется свойствами материалов, из которых изготовлен термистор.

Термисторы доступны с различными базовыми сопротивлениями и кривыми зависимости сопротивления от температуры. В низкотемпературных приложениях (от -55 до прибл. 70 ° C) обычно используются термисторы с более низким сопротивлением от 2252 до 10 000 Ом). В приложениях с более высокими температурами обычно используются термисторы с более высоким сопротивлением (более 10 000 Ом). Некоторые материалы обеспечивают лучшую стабильность, чем другие. Сопротивление обычно указывается при 25 ° C (77 ° F). Термисторы имеют точность приблизительно ± 0,2 ° C в пределах указанного диапазона температур.Обычно они прочные, долговечные и недорогие.

Термисторы часто выбирают для применений, где важны прочность, надежность и стабильность. Они хорошо подходят для использования в экстремальных условиях или там, где присутствует электронный шум. Они доступны в различных формах: идеальная форма для конкретного применения зависит от того, будет ли термистор установлен на поверхности или встроен в систему, а также от типа измеряемого материала.

Термисторы с эпоксидным покрытием доступны для использования при более низких температурах [обычно от -50 до 150 ° C (от -58 до 316 ° F)]; термисторы также доступны со стеклянным покрытием для использования при более высоких температурах [обычно от -50 до 300 ° C (от -58 до 572 ° F)].Эти покрытия защищают термистор и его соединительные провода от влаги, коррозии и механических воздействий.

Доступные конфигурации термистора

Термисторы доступны в нескольких распространенных конфигурациях. Три наиболее часто используемых — это герметичный гибкий термистор (серия HSTH), тип с болтовым креплением / шайбой и самоклеящийся тип поверхностного монтажа.
Термисторы

HSTH полностью закрыты оболочками из PFA (пластикового полимера) для защиты чувствительного элемента от влаги и коррозии.Их можно использовать для измерения температуры множества жидкостей, от масел и промышленных химикатов до пищевых продуктов.

Термисторы с датчиками на болтах или шайбах можно устанавливать в резьбовые отверстия или отверстия стандартного размера. Их небольшая тепловая масса позволяет им быстро реагировать на изменения температуры. Они используются во многих областях, включая бытовые приборы, резервуары для воды, трубы и кожухи оборудования.

Термисторы для поверхностного монтажа имеют клейкую внешнюю поверхность, которая может легко закрепиться на плоских или изогнутых поверхностях.Их можно снимать и наносить повторно, и они имеют несколько коммерческих и промышленных применений.

Диапазон температур, точность и стабильность

Термисторы обладают высокой точностью (от ± 0,05 ° C до ± 1,5 ° C), но только в ограниченном диапазоне температур, который находится в пределах примерно 50 ° C от базовой температуры. Диапазон рабочих температур для большинства термисторов составляет от 0 ° C до 100 ° C. Термисторы класса A обеспечивают высочайшую точность, в то время как термисторы класса B могут использоваться в сценариях, где нет необходимости в точных измерениях.После завершения производственного процесса термисторы становятся химически стабильными, и их точность с возрастом существенно не меняется.

Общие приложения для термисторов

Термисторы используются в широком спектре коммерческих и промышленных приложений для измерения температуры поверхностей, жидкостей и окружающих газов. Когда они заключены в защитные зонды, которые можно надежно дезинфицировать, они используются в производстве продуктов питания и напитков, в научных лабораториях и в исследованиях и разработках.Термисторы для тяжелых условий эксплуатации подходят для погружения в агрессивные жидкости и могут использоваться в промышленных процессах, в то время как крепления термисторов с виниловыми наконечниками используются на открытом воздухе или в биологических приложениях. Термисторы также доступны с металлическими или пластиковыми кожухами для элементов в виде клетки для измерения температуры воздуха.

Как подключить термистор?

Термисторы очень просто подключить. Большинство из них имеют двухпроводные разъемы. Те же два провода, которые соединяют термистор с его источником возбуждения, можно использовать для измерения напряжения на термисторе.

Техническое обучение

Информация о продукте

Просмотреть эту страницу на другом языке или в другом регионе

10шт Термисторный резистор NTC 5D-20 5D20 Термический резистор: Amazon.com: Industrial & Scientific


В настоящее время недоступен.
Мы не знаем, когда и появится ли этот товар в наличии.

]]>

Характеристики
Фирменное наименование

БСНОВТ

Номер детали

BSNV007944

Код КПСС ООН

32121600

Что такое термистор NTC

Термисторы — это чувствительные к температуре элементы, изготовленные из спеченного полупроводникового материала для отображения значительных изменений сопротивления пропорционально небольшим изменениям температуры.

Это сопротивление можно измерить с помощью небольшого измеренного постоянного тока, или постоянного тока, пропущенного через термистор, чтобы измерить возникающее падение напряжения.

Эти твердотельные датчики температуры фактически действуют как электрические резисторы, чувствительные к температуре. Отсюда и название, представляющее собой четкое сочетание слов термический и резисторный. Ametherm специализируется на термисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

Термисторы — невероятно точная категория датчиков температуры

Как правило, термисторы состоят из спеченной керамики, состоящей из высокочувствительного материала со стабильно воспроизводимыми характеристиками сопротивления в зависимости от температуры.

«Спрос на термисторы также увеличился в автомобильной промышленности, особенно в таких приложениях, как трансмиссия, безопасность и управление, а также транспортные средства, работающие на альтернативном топливе, из-за изменения государственных стандартов и моделей спроса со стороны конечных пользователей. Всего в автомобиле используется 30 термисторов, включая 20 датчиков с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и 5 ​​датчиков с положительным температурным коэффициентом (PTC). Термисторы в настоящее время являются постоянно растущим рынком, и ожидается, что эта тенденция сохранится и в ближайшие годы.”Датчики Онлайн

Термисторы

NTC — это нелинейные резисторы, характеристики сопротивления которых меняются в зависимости от температуры. Сопротивление NTC будет уменьшаться при повышении температуры. Способ уменьшения сопротивления зависит от константы, известной в электронной промышленности как бета или ß. Бета измеряется в ° K.

Термисторные зонды NTC

Типичные области применения включают:

  • Измерение температуры
  • Температурная компенсация
  • Контроль температуры

Вы можете легко рассчитать сопротивление термисторов NTC при заданной температуре, используя бета-коэффициент, но есть еще более точный способ сделать это, используя уравнение Стейнхарта и Харта.Термисторы NTC также являются отличной альтернативой полупроводниковым схемам для решения проблем, связанных с температурой. Их легко использовать для расчета температурного коэффициента. Мы предоставим вам рекомендации по использованию термисторов NTC для достижения максимально точных измерений.

Спросите у инженера

«Термисторы — недорогие, легко доступные датчики температуры. Они просты в использовании и легко адаптируются. Цепи с термисторами могут иметь разумное выходное напряжение, а не милливольтные выходы термопар.Благодаря этим качествам термисторы широко используются для простых измерений температуры. Они не используются при высоких температурах, но широко используются в тех диапазонах температур, в которых они работают ». Бакнеллский университет

Некоторые основные термины могут быть полезны для понимания термисторов и их потенциального использования. Во-первых, стандартная эталонная температура обычно составляет 25 ° C или температура корпуса термистора при предполагаемом сопротивлении нулевой мощности. Это сопротивление нулевой мощности представляет собой значение сопротивления термистора постоянному току при измерении при определенной температуре с достаточно низким рассеиванием мощности термистором для любого дальнейшего снижения мощности, приводящего к не более чем 1/10 определенного допуска измерения или изменение сопротивления на ноль целых один процент.

Коэффициент сопротивления — это характеристика, которая определяет отношение сопротивления при нулевой мощности термистора при 125 ° к сопротивлению при 25 ° C. Максимальная рабочая температура — это самая высокая температура тела, при которой термистор будет работать с приемлемой стабильностью в течение длительного периода времени.

Эта температура не должна превышать максимальное указанное значение. Аналогичным образом, максимальная номинальная мощность термисторов — это максимальная мощность, при которой термистор будет работать в течение определенного периода времени, сохраняя стабильность.

Термисторы NTC Ametherm:

  • Доступен во множестве дизайнов, чтобы соответствовать практически любому желаемому применению
  • Создано с использованием материалов высочайшей чистоты для получения надежных результатов, на которые можно положиться
  • Настраиваемый, чтобы полностью удовлетворить ваши потребности

датчиков температуры. Термисторы и термопары

Датчики температуры важны для повседневной жизни, от работы на промышленных предприятиях до предотвращения пожаров.Термисторы и термопары — два таких датчика температуры.

Термистор — это термочувствительный резистор, который демонстрирует непрерывное небольшое постепенное изменение сопротивления, связанное с изменениями температуры. Термопары отражают пропорциональные изменения температуры через изменяющееся напряжение, создаваемое между двумя разнородными металлами, электрически связанными вместе. Оба являются хорошими вариантами для измерения и контроля температуры. Выбор оптимального варианта зависит от типа и характеристик приложения.

При сравнении любого датчика температуры необходимо учитывать четыре фактора:

  • Диапазон температур
  • Стабильность
  • Точность
  • Приложение

Четыре фактора, которые следует учитывать при выборе между термистором и термопарой в качестве датчика температуры

Диапазон температур:

Термисторы и термопары

NTC работают в широком диапазоне температур, что делает их идеальными для широкого спектра применений.Термисторы NTC хорошо работают в рабочем диапазоне от -50 до 250 ° C, в то время как термопары работают в самом широком диапазоне температур от -200 ° C до 1750 ° C.

Стабильность:

Приложениям с долгосрочной целью работы требуется стабильность. Датчики температуры могут со временем дрейфовать в зависимости от их материалов, конструкции и упаковки. Например, термисторы NTC с эпоксидным покрытием могут испытывать дрейф около 0,2 ° C в год; в то время как герметичные термисторы NTC испытывают гораздо меньший дрейф около 0.02 ° C в год. С другой стороны, термопары испытывают дрейф примерно на 1-2 ° C в год, в основном из-за химических изменений в датчике, таких как химическое окисление.

Точность:

Термисторы

NTC обладают высокой точностью благодаря постепенным изменениям в пределах их рабочего диапазона. Небольшие изменения температуры точно отражаются благодаря большим изменениям сопротивления на ° C. Термопары имеют более низкую точность и требуют преобразования милливольт в температуру при использовании для контроля и компенсации температуры.

Заявка:

И термисторы NTC, и термопары могут работать в широком диапазоне приложений; тем не менее, термисторы NTC обычно используются в системах обеспечения безопасности жизни, таких как пожарные извещатели и термометры, поскольку они точны и стабильны. Термопары чаще используются в промышленных условиях из-за их долговечности и более низкой стоимости производства.

NTC (отрицательный температурный коэффициент) Термисторы

Термистор NTC — это датчик температуры, сделанный из спеченного полупроводникового материала, который содержит смесь нескольких оксидов металлов.Эти материалы обладают носителями заряда, которые позволяют току течь через термистор, демонстрируя постепенные изменения сопротивления, пропорциональные изменениям температуры.

Термисторы

NTC обеспечивают более высокое сопротивление при более низких температурах. С повышением температуры сопротивление термистора уменьшается. Поскольку термисторы испытывают такое сильное изменение сопротивления на ° C, малейшее изменение температуры быстро выражается как предсказуемое изменение сопротивления.

Чтобы выбрать подходящий термистор для применения, необходимо рассчитать зависимость сопротивления от температуры по формуле бета (β) термистора.В этом методе используется двухточечная калибровка для расчета сопротивления в зависимости от температурной кривой, а также калибровка сопротивления в обеих температурных точках.

Выход термистора NTC нелинейен из-за его экспоненциальной природы, но может быть линеаризован в зависимости от приложения.

Применение термистора NTC

Термисторные датчики температуры

NTC доступны в различных размерах и стилях, например, в настраиваемых узлах датчиков, в стеклянной оболочке, на поверхности, а также в дисках и микросхемах.Эти атрибуты позволяют адаптировать их для успешной работы во многих отраслях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, медицина и HVAC.

Хотя во многих приложениях, в которых используются термисторы NTC, основное внимание уделяется характеристикам сопротивления в зависимости от температуры, термисторы также удовлетворяют потребность в других электрических приложениях, таких как характеристики тока-времени и напряжения-тока.

Текущее время может включать:

  • Время задержки
  • Подавитель перенапряжения
  • Последовательное переключение

Напряжение-ток может включать:

  • Скорость жидкости
  • Контроль уровня жидкости
  • Регулировка напряжения
  • Цепи контроля температуры

Если требуется более высокая точность, можно использовать термисторы NTC в сочетании с мостом Уитстона.Эта схема действует как компаратор, в котором можно точно отразить небольшие изменения температуры.

Термопары

Термопара состоит из двух проводов из разнородных проводящих металлов, электрически соединенных в двух точках. Вместе они образуют два электрических соединения; измерительный (горячий) спай и опорный (холодный) спай. Когда эти соединения выражают разные температуры, они производят миллиамперное постоянное напряжение или термоэлектрическое напряжение. Затем термоэлектрическое напряжение преобразуется в температуру в приборе для измерения температуры.

В этой статье упоминается тип «K». Эта термопара работает в широком диапазоне температур от -200 ° C до 1250 ° C. Кроме того, из-за используемых металлов это одна из самых дешевых термопар; однако термопары имеют пониженную точность и подвержены дрейфу калибровки с течением времени.

Рисунок 1: Пример стандартной конфигурации термопары типа K

Применение термопар

Термопары

в основном используются в промышленных условиях, поскольку они лучше всего работают при экстремальных температурах.Сталелитейная и металлургическая промышленность используют термопары для измерения и контроля температуры в печах, обжиговых печах и котлах.

Срок службы термопары трудно предсказать. Один из методов прогнозирования их стабильности — установка термопары и оценка ее характеристик для определения предполагаемого срока службы.

Термопары

хорошо работают в широком диапазоне сред, но окисление может вызвать явление «зеленой гнили». Хромовый сплав в термопаре станет зеленым после воздействия восстановительного газа, такого как водород, во время контакта с металлической проволокой.Это окисление снижает напряжение и приводит к тому, что термопара дает более низкие показания.

ТЕРМИСТОР И ТЕРМОПАР: СРАВНЕНИЕ ГАЙКОВ И БОЛТОВ

Для измерения температуры и контроля температуры

ТЕРМИСТОР NTC ТЕРМОПАРА
Устойчивость с эпоксидным покрытием: 0,2 ° C / год

Герметично закрытый: 0,02 ° C / год

> 1 ° C / год
Влияние сопротивления выводов на точность Очень низкий Нет
Диапазон температур от -50 до 250 ° C (в зависимости от типа) от -200 до 1250 ° C, в зависимости от типа
Линейность Нелинейный выход требует линеаризации Нелинейный — требуется преобразование
Время отклика 0.