Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Pod pojmem polovodičové snímače teploty si většina čtenářů představí snímače na bázi křemíku, germania nebo india. Pojem polovodičové snímače teploty však zahrnuje celkem tři skupiny snímačů. První skupinou jsou termistory – polovodičové senzory na bázi oxidů kovů jako např. Fe2O3, TiO2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO apod. Druhou skupinou jsou senzory využívající kladnou závislost elektrického odporu křemíkových diod nebo polovodičových přechodů P-N zapojených v propustném směru na teplotě. Třetí skupinou polovodičových snímačů teploty jsou integrované obvody, jejichž výstupem je standardizovaný analogový nebo digitální výstup se standardizovaným protokolem. Tento článek se bude věnovat první skupině: polovodičovým snímačům teploty – termistorům.
Termistory
Termistor je elektronická součástka, jejíž elektrický odpor je silně závislý na teplotě. Ve srovnání s kovovými snímači teploty (Pt, Ni, Cu) je teplotní koeficient odporu několikanásobně vyšší a závislost elektrického odporu na teplotě výrazně nelineární. Z hlediska průběhu závislosti elektrického odporu na teplotě jsou termistory děleny na termistory PTC a NTC.
Termistory PTC – označované často jako pozistory – se vyznačují velmi strmou (téměř skokovou) kladnou závislostí elektrického odporu na teplotě v určitém teplotním intervalu (který je jednou z charakteristik pozistoru), přičemž křivka závislosti v celém teplotním rozsahu může mít jeden až tři inflexní body. Vzhledem k těmto specifickým vlastnostem jsou pozistory využívány jako přímé teplotní spínače zamezující přetížení např. elektromotorů. Zde bývají sériově zapojeny
a rovnoměrně umístěny ve vinutí rotoru tři pozistory.
Termistory NTC – zřídka označované jako negastory (tento název se v české kotlině neuchytil) – se vyznačují zápornou závislostí elektrického odporu na teplotě a zejména vzhledem k příznivé ceně nacházejí uplatnění v mnoha jednoduchých zařízeních, kde není třeba měřit teplotu s přesností na desetiny či půl stupně.
Vzhledem k tomu, že využití termistorů NTC je oproti termistorům PTC neporovnatelně častější, bude se další text nadále věnovat pouze termistorovým prvkům NTC.
Výroba
Základním materiálem termistorů jsou oxidy kovů, které jsou po rozemletí na prášek doplněny různými příměsmi a pojivy a poté lisovány v přesných formách za vysokého tlaku do předepsaných tvarů a následně spékány při teplotě přesahující 1 zahrnující též procesy stárnutí a stabilizace elektrických parametrů. Tato technologie je velmi citlivá na přesné dodržení výrobních podmínek, složení hmot i na čistotu surovin. I při využití nejmodernějších výrobních postupů je při výrobě termistorů třeba počítat s poměrně značným rozptylem jejich elektrických parametrů, k nimž přispívají také vlastnosti polovodivých materiálů, z nichž jsou termistory vyráběny. Zúžení rozptylu elektrických parametrů se dociluje vyměřováním do předem stanovených typových skupin a podskupin.
Trocha teorie
Závislost odporu termistoru na teplotě je silně nelineární a lze ji vyjádřit přibližným vztahem: 000 °C. Následuje montáž vývodů a konečná úprava,
R = AeB/T (1)
kde
R (Ω) je odpor termistoru,
T (K) teplota,
B (K) tzv. teplotní konstanta,
A (Ω) konstanta závislá na geometrickém tvaru a materiálu senzoru.
Termistor bývá charakterizován odporem R0 při teplotě T0 (obvykle je uváděn odpor při teplotě 25 °C, na rozdíl od kovových odporových snímačů teploty, u kterých je základní hodnota odporu uváděna při teplotě 0 °C) a konstantou B (někdy označovanou β). Konstanta A není v katalozích uváděna. Vztah je proto vhodné přepsat do tvaru
R = R0eB(1/T – 1/T0) (2)
kde
R0 (Ω) je odpor při teplotě T0 (K),
R (Ω) odpor termistoru při teplotě T (K).
Konstantu B lze určit z katalogu nebo výpočtem z katalogových hodnot závislosti odporu na teplotě (bývají uvedeny v tabulkách) a nebo změřením odporu termistoru při dvou různých teplotách a dosazením do vztahu
B = (T1 · T2/T2 – T1) ln (R1/R2) (3)
kde
R1 (Ω) je odpor termistoru při teplotě T1 (K),
R2 (Ω) odpor při teplotě T2 (K).
Pozor: Konstanta B není skutečná konstanta, neboť je teplotně závislá, jak lze snadno zjistit dosazením různých hodnot Tn a jim odpovídajícím Rn. Proto se v současné době ustálila praxe uvádět koeficient B vypočtený z výše uvedeného vztahu dosazením hodnot odporů zjištěných při teplotách T1 = 298,15 K (25 °C) a T2 = 358,15 K (85 °C). Lze se rovněž setkat s koeficientem B vypočteným z hodnot odporů při teplotách T1 = 298,15 K (25 °C) a T2 = 373,15 K (100 °C).
Aby bylo na první pohled zřejmé, o který z koeficientů B jde, je koeficient B označován příslušným dolním indexem: B25/85, resp. B25/100. Autor článku se setkal i s koeficientem B25/50. V praxi však dosud nebylo uvádění parametrů standardizováno, a tak různí výrobci termistorů sice udávají jako hlavní parametr hodnotu odporu R25 (Ω) při 25 °C, ale u parametru B jsou uváděny hodnoty B25/85 a nebo B25/100. Z tohoto důvodu je třeba se mít stále na pozoru a vždy kontrolovat a srovnávat termistory NTC se stejnými indexy hlavních parametrů.
Vlastnosti a použití termistorů
Termistory mají tyto vlastnosti:
- obvyklý teplotní rozsah –50 až +150 °C,
- malá hmotnost a rozměry – malá časová konstanta,
- záporný teplotní součinitel odporu,
- značná nelinearita,
- vysoká hodnota odporu v konkrétním teplotním intervalu – vysoká citlivost,
- časová nestabilita,
- nízká cena.
V rozvoji výroby termistorů a jejich využívání byl zaznamenán zásadní pokrok v 60. letech minulého století zároveň s rozvojem automatizace. Tehdy bylo zapotřebí instalovat značné množství elektrických (odporových) senzorů teploty, na které nebyly kladeny velké nároky z hlediska teplotního rozsahu, přesnosti a dlouhodobé stability. Základním požadavkem byla nízká cena, za kterou nebylo v té době možné pořídit kovové odporové senzory teploty Pt100. Pokroky ve výrobě čistých materiálů a zavádění pokročilých výrobních postupů s využitím automatizace a měřicí techniky, to byly faktory, které vedly ke zlepšení úrovně výroby termistorů. Díky tomu se podařilo snížit cenu termistorového snímače teploty, takže v současnosti stojí řádově koruny. Naproti tomu byly vyvinuty technologie a výrobní metody, které dokázaly potlačit nebo odstranit negativní vlastnosti termistorů: rozšířit rozsah použití na –100 až +300 °C (podle některých pramenů až +400 °C) a snížit dlouhodobou nestabilitu. Tato zlepšení však byla vždy na úkor ceny, která u speciálních čidel vzrostla až o dva řády. Termistory NTC tak našly uplatnění v širokém spektru odvětví od potravinářství přes klimatizaci, medicínu, strojírenství až po automobilový průmysl.
Kovové odporové snímače teploty versus termistory NTC
Teprve použitím technologie vakuové depozice tenkých kovových vrstev ve výrobě kovových odporových snímačů (do té doby byly tyto prvky vyráběny vinutím tenkého platinového nebo niklového drátku na válcové keramické tělísko) jejich cena výrazně klesla. Kovové odporové snímače si oproti termistorům NTC zároveň zachovaly lepší technické vlastnosti – zejména lepší dlouhodobou stabilitu a větší teplotní rozsah –100 až +400 °C (v současnosti dokonce –200 až +50 °C a 0 až +800 °C). Díky technologii vakuové depozice tenkých kovových vrstev získaly kovové odporové snímače ty vlastnosti, které dosud byly doménou termistorů NTC: malou hmotnost a rozměry a s tím související nízkou časovou konstantu a vysoký elektrický odpor (Pt1000, Ni1000, Ni10000). Zároveň je jejich citlivost srovnatelná s citlivostí termistorů NTC, ale na rozdíl od nich v celém teplotním rozsahu.
Mohlo by se zdát, že v současné době, kdy se výrobní ceny kovových odporových snímačů na bázi platiny nebo niklu pohybují v hodnotách desítek korun, ztratilo užití termistorů se silně nelineární charakteristikou (byť v ceně jednotek korun) své opodstatnění. Ale není tomu tak. Masové zavedení mikropočítačů v řídicích jednotkách výrazně usnadnilo vyhodnocování teploty, a to zejména v okolí pokojové teploty s přesahem do záporných hodnot. Termistory nacházejí uplatnění také v případech, kde postačuje měření teploty s přesností na ±1 °C a kde nemá špatná dlouhodobá stabilita vzhledem k životnosti zařízení žádný negativní dopad. Samostatným segmentem je automobilový průmysl, kde se spojují specifické technické požadavky na měření teploty s požadavkem na co nejnižší cenu. A této kombinaci vyhovují zejména termistory NTC.
Použitá literatura:
[1] PTÁČEK, J. a kol.: Měření teploty v průmyslu. Dům techniky ČSVTS, Praha, 1991.
[2] Katalog TDK EPCOS 2013–2014.
[3] ŠPRINGL, V.: Měření teploty – polovodičové odporové senzory teploty. HW server, 2004. [on-line]. [cit. 7. ledna 2015]. Dostupné na:
Jan Janíček
Obr. 1. Porovnání závislosti elektrického odporu na teplotě kovových odporových snímačů teploty Pt, Ni a termistorů NTC