Терморезистивный эффект¶

Терморезистивный эффект (терморезисторный эффект) — это физическое явление, заключающееся в изменении электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Данный эффект лежит в основе работы терморезисторов (термисторов) — полупроводниковых приборов, чувствительных к изменению температуры. В зависимости от знака изменения сопротивления различают терморезисторы с отрицательным (NTC) и положительным (PTC) температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Терморезистивный эффект широко используется в измерительной технике, системах автоматического управления, электронике и промышленности для измерения, контроля и компенсации температуры.

¶Физическая природа

Терморезистивный эффект обусловлен изменением концентрации и подвижности носителей заряда (электронов и дырок) в материале при изменении температуры. В полупроводниках, которые являются основным материалом для терморезисторов, с ростом температуры увеличивается количество свободных носителей заряда, что приводит к снижению удельного сопротивления (отрицательный ТКС). В металлах, напротив, с повышением температуры возрастает рассеяние носителей заряда на колебаниях кристаллической решётки (фононах), что увеличивает сопротивление (положительный ТКС). Однако в терморезисторах для достижения высокой чувствительности используются специальные полупроводниковые материалы, такие как оксиды переходных металлов (например, марганца, никеля, кобальта, меди), легированные керамики или монокристаллы.

¶Зависимость сопротивления от температуры

Для большинства терморезисторов с отрицательным ТКС зависимость сопротивления от температуры описывается экспоненциальным законом:

\[ R(T) = R_0 \cdot \exp\left( B \cdot \left( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} \right) \right) \]

где:

• \( R(T) \) — сопротивление при температуре \( T \) (в Кельвинах);
• \( R_0 \) — сопротивление при эталонной температуре \( T_0 \);
• \( B \) — коэффициент температурной чувствительности (константа материала, обычно от 2000 до 5000 К).

Для терморезисторов с положительным ТКС (например, на основе титаната бария) характерен резкий скачок сопротивления при достижении определённой температуры, называемой температурой Кюри. Это связано с фазовым переходом в кристаллической структуре материала.

¶Классификация терморезисторов

По типу температурной зависимости сопротивления терморезисторы делятся на два основных класса:

• NTC-терморезисторы (Negative Temperature Coefficient) — сопротивление уменьшается с ростом температуры. Это наиболее распространённый тип, используемый для измерения температуры и компенсации.
• PTC-терморезисторы (Positive Temperature Coefficient) — сопротивление увеличивается с ростом температуры. Часто применяются в качестве самовосстанавливающихся предохранителей и ограничителей тока.

По конструктивному исполнению терморезисторы бывают:

• Дисковые и стержневые — изготавливаются прессованием и спеканием оксидной керамики.
• Чип-терморезисторы — миниатюрные компоненты для поверхностного монтажа (SMD).
• Стеклянные или эпоксидные — герметизированные для защиты от внешней среды.
• Плёночные — тонкоплёночные структуры на подложке.

¶Материалы

Основными материалами для NTC-терморезисторов являются смеси оксидов переходных металлов: марганца (MnO₂), никеля (NiO), кобальта (Co₃O₄), меди (CuO), железа (Fe₂O₃). Для PTC-терморезисторов чаще всего используется титанат бария (BaTiO₃) с добавками редкоземельных элементов. В высокотемпературных терморезисторах (до 1000 °C) применяются оксиды циркония и иттрия.

¶Применение

Терморезистивный эффект нашёл широкое применение в различных областях техники и промышленности:

¶Измерение температуры

NTC-терморезисторы используются в качестве датчиков температуры в медицинских термометрах, автомобильных системах (измерение температуры охлаждающей жидкости, воздуха), бытовой технике (утюги, холодильники, духовки), промышленных контроллерах и метеостанциях. Их преимущество — высокая чувствительность (изменение сопротивления на несколько процентов на градус), компактность и низкая стоимость.

¶Компенсация температуры

В электронных схемах терморезисторы применяются для температурной стабилизации параметров транзисторов, диодов, кварцевых резонаторов и других компонентов. Например, в измерительных мостах или усилителях NTC-терморезистор включается в цепь обратной связи для компенсации дрейфа.

¶Ограничение пускового тока

PTC-терморезисторы используются в блоках питания, электродвигателях и лампах накаливания для ограничения бросков тока при включении. При холодном старте сопротивление низкое, а при нагреве от протекающего тока резко возрастает, что ограничивает ток до безопасного уровня.

¶Защита от перегрева

Терморезисторы применяются в системах защиты электроники от перегрева. При превышении пороговой температуры сопротивление PTC-терморезистора скачкообразно возрастает, что может использоваться для отключения нагрузки или сигнализации.

¶Автомобильная электроника

В автомобилях терморезисторы используются для измерения температуры воздуха на впуске, охлаждающей жидкости, масла, выхлопных газов, а также в системах климат-контроля и управления двигателем.

¶Медицина

Медицинские термометры (например, ушные или лобные) часто содержат NTC-терморезисторы, обеспечивающие быстрое и точное измерение температуры тела.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая чувствительность к изменению температуры (до 5–10 %/°C для NTC).
• Малые габариты и масса.
• Низкая стоимость.
• Широкий диапазон рабочих температур (от −60 до +300 °C для стандартных, до +1000 °C для специальных).
• Долговременная стабильность (при правильной эксплуатации).

¶Недостатки

• Нелинейная зависимость сопротивления от температуры, что требует линеаризации в измерительных цепях.
• Относительно низкая точность по сравнению с платиновыми термометрами сопротивления (RTD).
• Чувствительность к самонагреву (протекающий ток нагревает терморезистор, искажая измерения).
• Ограниченный срок службы при экстремальных температурах и агрессивных средах.

¶Историческая справка

Терморезистивный эффект в полупроводниках был впервые описан в 1833 году Майклом Фарадеем, который наблюдал уменьшение сопротивления сульфида серебра при нагреве. Однако практическое применение терморезисторов началось в 1930-х годах, когда были разработаны технологии изготовления керамических полупроводниковых материалов. В 1938 году компания Bell Labs (США) запатентовала первый NTC-терморезистор на основе оксидов марганца и никеля. В 1950-х годах появились PTC-терморезисторы на основе титаната бария. В СССР и России разработкой терморезисторов занимались в НИИ «Спектр» (Москва) и других предприятиях электронной промышленности.

¶Интересные факты

• Терморезисторы могут быть настолько миниатюрными, что их размеры составляют менее 0,5 мм (например, чип-терморезисторы для мобильных устройств).
• В некоторых моделях PTC-терморезисторов сопротивление может возрастать в 1000 раз при нагреве на 10–20 °C выше температуры Кюри.
• Терморезисторы используются в космической технике для измерения температуры в условиях вакуума и радиации.
• В бытовых электрочайниках и утюгах терморезисторы часто работают в паре с биметаллическими термостатами для более точного контроля.

¶Источники

• Справочник по полупроводниковым приборам / под ред. В. И. Галкина. — М.: Энергия, 1975.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. — М.: Высшая школа, 1987.
• ГОСТ 21342.1-87. Резисторы. Метод измерения температурного коэффициента сопротивления.
• Кессельман А. С. Терморезисторы. — М.: Энергия, 1970.
• Data sheets of NTC and PTC thermistors from Murata, TDK, Vishay (2010–2020).