З.д.Мэнш
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
ББК 32.844 л
М15 16. &2S*
УДК 621.39&-69*
Мэклин Э. Д.
М.15 Терморезисторы: Пер. с англ./Под общей редакцией
К. И. Мартюшова. — М.: Радио и связь, 1983. — 208 с.,
ил.
95 к.
Рассмотрены основные свойства полупроводниковых материалов с от-
рицательным и положительным температурными коэффициентами сопротив-
ления. Описана технология изготовления терморезнсторов на основе этих
материалов. Приведены варианты конструкций терморезисторов и их ха-
рактеристики, а также схемные решения устройств с терморезисторами.
Предложены методики расчета и выбора различных типов терморезисто-
ров в схемах.
Для инженерно-технических работников, специализирующихся в об-
ласти автоматики, радиоэлектроники и электронной техники.
2302020000-199	ББК 32.844
М---------------29-83
046(01)-83	6Ф2.13
Редакция литературы по конструированию и технологии
производства радиоэлектронной аппаратуры
THERMISTORS
by Е. D. MACKLEN
ELECTROCHEMICAL PUBLICATIONS
LIMITED, 1979.
© Electrochemical Publications Ltd, 1979
© Перевод на русский язык, предисловие,
издательство «Радио и связь», 1983
Предисловие к русскому изданию
Терморезисторы — один из видов изделий электронной техни-
ки, особенностью которых является экстремально большая и об-
ратимая зависимость сопротивления от температуры. На основе
терморезисторов разработаны и действуют многочисленные систе-
мы дистанционного и централизованного измерения и регулиро-
вания температуры, теплового контроля машин и механизмов,,
схемы температурной компенсации, измерения мощности ВЧ из-
лучения, стабилизаторов, реле времени и т. п.
В последние годы (особенно за рубежом) широкое применение
терморезисторы находят в аппаратуре промышленной электрони-
ки и бытовой аппаратуре: в рефрижераторах, автомобилях, элек-
тронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального
отопления, уровнемерах, в аппаратуре телефонной связи и т. п.
Поэтому необходимость более широкого ознакомления читателей
с принципами действия, возможностями и характеристиками тер-
морезисторов не вызывает сомнения.
Рассматриваемая книга Мэклина посвящена этим проблемам.
В ней рассказывается о всех существующих классах терморези-
сторов, кратко описаны физические основы действия приборов,
процессы синтеза исходных материалов, технология производства,
основные электрофизические и эксплуатационные характеристики
и примеры практического применения в различных отраслях про-
мышленности и научного приборостроения.
Книга содержит 13 глав. По существу эти главы можно услов-
но представить (сгруппировать) в виде четырех самостоятельных
разделов.
I.	Главы с 1-й по 8-ю содержат полные сведения о терморезяг-
сторах с отрицательным температурным коэффициентом. Этот
класс приборов базируется на использовании сложных компози-
ционных поликристаллических материалов из оксидов металлов
переменной валентности (на основе «З-б-оксидов»).
В первых главах автор в доступной форме излагает современ-
ные представления о механизме электропроводности и структуре
материалов, на основе которых возможно изготовление терморе-
зисторов с необходимыми параметрами. Система параметров и
технических характеристик совпадает с отечественной номенкла-
турой изделий. Некоторое несоответствие можно отметить лишь в
названии терморезисторов с очень большим отрицательным ТКС„
3
изготовляемых на основе оксидов ванадия. В зарубежной практике
эти резисторы — терморезисторы с критической температурой —
получили .наименование «критезисторов» (critesistor). В этом раз-
деле особого внимания заслуживают схемы и описания много-
численных областей применения, в том числе при использовании
терморезисторов с косвенным подогревом.
II.	Глава 9 полностью посвящена терморезисторам, изготов-
ленным из элементарных монокристаллических полупроводников
(Ge и Si).
III.	Главы 10—12 содержат необходимые сведения о термо-
резисторах с положительным ТК.С («позисторах»). Методика из-
ложения материала соответствует разделу 1.
В доступной (но не упрощенной) форме изложены проблемы
физики механизма электропроводности материалов на основе
твердых растворов титаната бария в области сегнетопараэлектри-
ческого фазового перехода.
Приводятся основные электрофизические свойства терморези-
сторов с положительным ТК.С, схема технологического процесса
производства, конструкция и параметры изделий. Глава 12 пол-
ностью посвящена примерам практического использования термо-
резисторов. В ней приводятся описания схем теплового контроля,
тепловой защиты, температурной компенсации, контроля уровня
и скорости движения потоков жидкости.
IV.	Несомненный интерес представляет заключительная глава
о выборе типов терморезисторов для решения практических схе-
мотехнических задач. В отечественной литературе подобный ма-
териал не освещался. Нельзя не согласиться с автором о необхо-
димости тесного сотрудничества и доверительных отношений меж-
ду потребителем и разработчиком любого типа терморезжтора.
Для изделий этого класса характерным является очень «тонкая»
взаимосвязь между отдельными электрофизическими параметра-
ми, которую следует учитывать при решении разнообразных схе
мотехнических задач.
Изложение материала выполнено на достаточно высоком про-
фессиональном уровне. Наиболее удачно и полно изложен мате-
риал книги по применению терморезисторов. На многочисленных
примерах можно убедиться в необоснованности причисления их к
классу «пассивных» изделий электронной техники. К сожалению,
подобная классификация на «активные» и «пассивные» элементы
электронных схем получила распространение даже в научной ли-
тературе. Не избежал этой ошибки и автор книги.
Предлагаемый вниманию читателей перевод книги Мэдлина, не-
сомненно, будет стимулировать развитие интереса к очень перс-
пективному классу изделий. Возможности применения уже суще-
ствующих терморезисторов далеко не исчерпаны, а дальнейшее
развитие научных исследований в области материаловедения поз-
волит создать новые изделия, отличающиеся новыми свойствами,
меньшим разбросом электрических параметров, большей стабиль-
ностью и работающие в более широком диапазоне температур.
4
Следует отметить некоторые неточности и недостатки моно-
графии. Например, утверждение автора о том, что в современной
литературе по исследованию основных свойств и областей приме-
нения терморезисторов нет единой обобщающей книги, не соот-
ветствует действительности. В 1973 г. в издательстве «Наука»
вышла монография И. Т. Шефтеля «Термореэисторы», которая
содержит полезные сведения о физических и физико-химических,;
основах технологии изготовления терморезисторов. В ней обобщен
опыт отечественной школы ученых (Б. Т. Коломиец и И. Т. Шеф-
тель) по исследованию свойств и структуры переходных метал-
лов, дан обзор основных отечественных и зарубежных иссле-
дований в области технологии изготовления терморезисторов, а
также рассмотрены основные параметры приборов и некоторые
примеры их 'Практического использования. Следует отметить, что
технические параметры отечественных терморезисторов практичес-
ки не уступали параметрам изделий, выпускаемых английской
промышленностью в 1979 г.
В монографии И. Т. Шефтеля на более высоком научном уров-
не развиты модельные представления о механизме электропровод-
ности З-б-оксидов, учитывающие кристаллографические и физиче-
ские свойства соединений типа шпинелей, рассмотрены способы
получения оксидных многокомпозиционных полупроводниковых ма-
териалов с заданным удельным сопротивлением, механизм «прыж-
ковой» проводимости, фазовые равновесия в системе оксидов
Мп, Со, Ni, Си, выявлены роль поликристалличности и влия-
ние повторной термообработки как способа регулирования элек-
тропроводности материалов. Более подробно излагается механизм
электропроводности твердых растворов на основе титаната бария
в области сегнетопараэлектрическогО' фазового перехода.
Несправедливо также утверждение Мэклина, что «литератур-
ные данные не позволяют сделать вывод о том, что детальные
исследования тепловых потоков в терморезисторах не проводи-
лись». Советскими учеными эта проблема решена. Достаточно
сослаться на книгу Г. Н. Дульнева «Теплообмен в радиоэлектрон-
ных устройствах» (М.: Госэнергоиздат, 1963).
В данной книге технологические разделы слишком схематичны
и многие существенные тонкости технологических процессов опу-
щены.
Книга снабжена ссылками на оригинальные работы, в основ-
ном зарубежных авторов, опубликованные до 1977 г. В связи с
этим список литературы дополнен изданиями советских авторов
за последние годы.
К. И. Мартюшов
Издательство выражает признательность Ю. В. Кузнецову и В. Я. Кауфману
за замечания, сделанные при просмотре чернового варианта рукописи.
5
Предисловие
Термин терморезистор образован от слов термочувствительный
резистор и сначала относился к твердотельному элементу с боль-
шим отрицательным температурным коэффициентом сопротивле-
ния (ТКС), созданному одновременно в США и Голландии в пе-
риод Второй мировой войны Позднее этот термин был распро-
странен и на элементы с большим положительным ТКС Совре-
менные терморезисторы представляют собой приборы из полупро-
водникового материала, проводимость которого чрезвычайно чув-
ствительна к изменению температуры
Самыми первыми устройствами, где нашли применение термо-
резисторы с отрицательным и положительным ТКС, были датчики,
в которых эти приборы использовались для измерения или регу-
лирования температуры Для этой цели и в настоящее время про-
мышленностью выпускаются миллионы разнообразных терморези-
сторов, которые встречаются в самом различном оборудовании,
установках и аппаратах, начиная от систем управления космичес-
кими кораблями, автомобильными двигателями, воздушными кон-
диционерами и датчиками обледенения и кончая устройствами за-
щиты от перегрева для простых электродвигателей Терморези-
сторные датчики применяются в медицине для измерения локаль-
ной и общей температуры тела, в метеорологии для прогнозирова-
ния погоды, при изготовлении синтетических волокон и в других
отраслях химической промышленности Приборы, содержащие тер-
морезисторы в качестве регулирующих элементов, используются
также в рефрижераторах, морозильных камерах, стиральных ма-
шинах, кофеварках, электрических чайниках, электроплитах и си-
стемах центрального отопления Весь этот перечень говорит о мно
гограпности свойств терморезисторов, а разнообразное применение
в качестве элементов свидетельствует об их универсальности
Большинство черно-белых телевизоров содержит, по крайней
мере, один терморезистор для температурной компенсации откло
няющих катушек пли схем развертки, а во всех цветных телеви-
зорах терморезисторы с положительным ТКС слхжат для размаг-
ничивания кинескопов В системах телефонной связи многих стран
терморезисторы применяются для регулирования уровня речевого
сигнала, выравнивания частотной характеристики телефонных ли
ний, устранения позваниваний в телефонных аппаратах линий
коллективного пользования, регулирования зуммерного сигнала,
синхронизации набора номера на телефонной станции, управления
усилением ретрансляционных усилителей наземных и подводных
линий, защиты цепей центрального телефонного узла от перегру-
зок Во многих областях электротехнической и электронной про-
6
мышленности терморезисторы с положительным ТК.С используют
в качестве предохранителей многократного действия для защиты
от токовых перегрузок электродвигателей малой мощности, элек-
тробритв и сетевых розеток, стартеров люминесцентных ламп, для
надежной защиты сложных транзисторных устройств или уст-
ройств на интегральных микросхемах Терморезисторы с положи-
тельным ТКС можно также применять в качестве саморегулируе-
мых нагревательных элементов, и как таковые они используются
в термостатах для кварцевых стабилизаторов частоты, паяльниках,
щипцах для завивки волос, фенах, подогревателях пищевых Про-
дуктов и электрогрелках
Можно сказать, что ни один электрический прибор не обладает
таким разнообразием форм, и размеров, как терморезистор, при-
чем каждый конструктивный вариант этого прибора может иметь
до двадцати различных электрических параметров Чтобы удов-
летворить растущие потребности различных отраслей промышлен-
ности, изготовители пытаются найти новые сочетания электричес-
ких свойств и габаритов терморезисторов И все же, несмотря на
столь высокую активность в этой области, терморезисторы оста-
ются на правах «падчерицы» в электронной промышленности Во
многом это объясняется большими успехами в области создания
и рекламы транзисторов, интегральных микросхем и микропро-
цессоров За последние годы было опубликовано сравнительно (ма-
ло научно-технических работ по терморезисторам, причем большин-
ство из них носило общий характер До сих пор по терморезисто-
рам не написано ни одной содержательной книги, а в (академиче-
ских программах университетов и технических вузов им уделяется
очень мало внимания
Эта книга написана с целью дать разностороннюю информа-
цию об истории создания и разработки всех типов терморезисто-
ров, технологии изготовления и областях применения, чтобы про-
иллюстрировать универсальность этих приборов и, что не менее
важно, облегчить выбор прибора как для изготовителя, так и для
потребителя Надеюсь, что книга послужит основой для создания
вводных курсов по изучению терморезисторов в вузах и явится
источником информации, полезной для специалистов электротех-
нической и электронной промышленности
Выражаю благодарность всем изготовителям терморезисторов,
перечисленным в последней главе книги, за любезное предостав-
ление информации и образцов изделий, часть которых была ис-
пользована как иллюстративный материал Мне также хочется
выразить признательность многим моим коллегам из отделения
терморезисторов фирмы ITT, которые сделали ряд ценных допол-
нений и полезных замечаний, что позволило улучшить эту книгу.
Столь же искренне я благодарен Пэт Бишоп, Джейнет Фаулер и
моей жене за помощь и терпеливое отношение к работе над моей
рукописью
Э Д Мэклин,
Таунтон, 1979
Введение
Терморезистор представляет собой резистивный прибор, обла-
дающий высоким температурным коэффициентом сопротивления
(ТКС) в широком диапазоне температур. В зависимости от знака
ТКС различают два типа терморезисторов: с отрицательным ТКС,
сопротивление которых падает с увеличением температуры, и с
положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с по-
вышением температуры. Терморезисторы обоих типов изготовляют
из полупроводниковых материалов; диапазон изменения их ТКС
составляет —6,5 +- +70 %/°C.
В терморезисторах с отрицательным ТКС полупроводниковым
материалом обычно служит спеченная керамика, которой придают
различные форму и размеры. Ее изготовляют из смеси оксидов
таких металлов, как Мп, Ni, Со, Си и Fe. Изменяя состав мате-
риала и размеры терморезисторов, можно получить сопротивления
от 1 до Ю6 Ом при комнатной температуре и ТКС от —2 до
-6,5 %/°C.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют самых раз-
личных конфигураций: от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и
шайб диаметром 3—25 мм до стержней диаметром 12 и длиной
до 40 мм. Конструкции терморезисторов столь же разнообразны, как
и электрические свойства. Бусинковые терморезисторы можно за-
ливать стеклом, помещать в стеклянные или пластмассовые обо-
лочки или в транзисторные корпуса, и все эти приборы можно, в
свою очередь, устанавливать в металлические и пластмассовые
корпуса в зависимости от конкретного применения. Дисковые тер-
морезисторы часто защищают изоляционными пленками из лака
или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и
герметизируют в металлических или пластмассовых корпусах.
Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на
две принципиально отличные группы в зависимости от типа и
свойств применяемого полупроводникового материала. К первой
группе относятся терморезисторы из простого полупроводника
(обычно кремния) в форме небольшой пластины с двумя выво-
дами на противоположных сторонах. Применение этих приборов
основано на том, что легированные кристаллы кремния как и-,
так и p-типа имеют положительный ТКС при температурах от
Криогенных до 150°С и выше, причем ТКС при комнатной темпе-
ратуре приближенно равен 0,8 % ГС. Ко второй группе относятся
8
терморезисторы с большим положительным ТКС (до 70 %/°С), но
в более ограниченном диапазоне температур. Материалом для
этих приборов служит поликристаллический полупроводниковый
титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120°С,
соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материа-
ла. Добавляя другие вещества, например титанат свинца или
стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах
оТ __ЮО до +250°С. Можно также изменить наклон кривой со-
противления таким образом, что большое изменение ТКС будет
происходить в более узком интервале температур, например
0— 100°С.
Сравнение температурных характеристик сопротивления раз-
личных типов терморезисторов и платинового термометра сопро-
тивления, приведенных на рис. 1, показывает, что терморезисторы
обладают очень большими преимуществами перед своими анало-
гами, используемыми в качестве датчиков температуры. Первые
терморезисторов имели определенные недостатки и в пер
образцы
вую очередь низкую стабиль-
ность и узкий диапазон рабо-
чих температур. К настоящему
времени стабильность термо-
резисторов доведена до такого
уровня, что по этому парамет-
ру они превзошли термопары
и лишь незначительно усту-
пают платиновым термомет-
рам сопротивления в рекомен-
дованных для них диапазонах
температур. Рабочий диапазон
температур современных тер-
морезисторов расширен до
75—1275 К, что позволяет им
успешно конкурировать с дру-
гими датчиками температуры.
Разнообразие форм терморези-
сторов (от бусинок с размера-
ми менее булавочной головки,
дисков, стержней, пленок до
зондов в металлических и
пластмассовых оболочках и
Рис. 1. Сравнительные температурные
характеристики сопротивлений терморе-
зисторов и платинового термометра:
/ — терморезистор с отрицательным ТКС; 2 —
терморезистор с положительным ТКС; 3 —
кремниевый терморезистор с положительным
ТКС; 4 — платиновый термометр сопротивления
корпусах) также сильно расширяет возможности терморезисторов
как датчиков температуры. Ежегодные выпуск и потребление тер-
морезисторов, доведенные до 50 млн. шт., как нельзя лучше сви-
детельствуют о том, что промышленность в полной мере оценила
все их достоинства.
Терморезисторы широко используются в различных устройствах
не только в качестве датчиков температуры. Эти приборы после
соответствующей модификации можно применять в электронных
Устройствах задержки с достаточно широким интервалом времен
9
задержек, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в
низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения
в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве
ограничителей тока или напряжения, для измерения давления газа
или теплопроводности, в уровнемерах и газовых и жидкостных
расходомерах Такое разнообразие областей применения терморе-
зисторов позволяет рассматривать их как один из наиболее уни-
версальных электронных приборов в современной технике
Выше уже отмечалось, что, несмотря на многочисленные пуб-
ликации, касающиеся свойств и применения терморезисторов, мы
не располагаем обобщающим научным трудом, охватывающим все
аспекты этой темы В настоящей книге уже известная информа-
ция сочетается с личным опытом автора, который стремился дать
всеобъемлющую картину, описывающую историю развития, тех-
нологию производства, свойства и применение терморезисторов с
положительным и отрицательным ТКС с теоретической и практи-
ческой точек зрения Эта книга поможет потребителям терморе-
зисторов глубже разобраться в приборах, с которыми они имеют
дело Кроме того, и у непосвященного читателя также может
появиться интерес к исследованию и применению этих заслужи-
вающих внимание универсальных приборов
Глава 1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС И ИХ ОСНОВНЫЕ
СВОЙСТВА
1.1.	Историческая справка
История терморезисторов началась в 1833 г, когда Фарадей
обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра Однако прак-
тическое значение этого открытия было невелико, так как отсут-
ствие сведений о явлениях в контактах металл—полупроводник
препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми ха-
рактеристиками Первый шаг в этом направлении был сделан в
начале 30 х годов после обнаружения у некоторых оксидов, таких
как РезС>4 [1] и UO2 [2], высокого отрицательного ТКС В конце
30-х и начале 40-х годов ряд материалов с отрицательным ТКС
пополнился сначала N1O и СоО [3], а затем и системой N1O—
—СО2О3—Мп2О3 [4] Интервал удельных сопротивлений материа-
лов с отрицательным ТКС также расширился благодаря добавле-
нию оксида меди в Мп3О4 и в систему N1O—МП2О3 [5]
Основные препятствия изготовлению приборов в эти годы опре-
делялись трудностями регулирования удельного сопротивления
исходных материалов, составы которых чувствительны к измене-
ниям атмосферы и температуры во время опекания и последующей
обработки Именно трудность воспроизведения выходных парамет-
ров заставила ряд изготовителей терморезисторов в Европе и США
остановить свой выбор на оксидной системе никель—марга-
нец—медь, так как было обнаружено, что спекание и последую-
щая обработка этих материалов на открытом воздухе обеспечи-
вают приемлемую воспроизводимость параметров Материалы с
отрицательным ТКС, изготовленные на основе других оксидных
систем, и в частности содержащих оксиды железа и кобальта, не
оставались такими устойчивыми при нагревании на открытом
воздухе и требовали введения стабилизирующих добавок или более
жесткого контроля состава атмосферы и температуры на различ-
ных этапах термообработки
Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно
изготовляют из следующих оксидных систем никель—марга-
нец—медь, никель—марганец—кобальт—медь, кобальт—марга-
нец-медь, железо—титан, никель—литий, кобальт—литий или
медь—марганец Кроме того, практикуется добавление таких эле-
ментов, как железо, алюминий, цинк и магний, которые позволяют
модифицировать свойства перечисленных систем
И
Важной вехой в истории терморезисторов с отрицательным
ткс явилась работа [6], выполненная в лаборатории фирмы
Philips в Голландии в конце 40-х годов, которая привела к объяс
нению механизма управления удельным сопротивлением полупро-
водниковых оксидных материалов Необходимость ее появления
связана не только с технологическими трудностями, но и со зна-
чительным изменением сопротивления и ТКС приборов во время
их эксплуатации Было обнаружено, что после введения Fe3O4 в
другие оксидные соединения, имеющие аналогичные кристалличе-
ские структуры, смешанные кристаллы обладают более высокими
воспроизводимостью и стабильностью Диэлектрики со структурой
шпинели, такие как MgCrO4, ZnCrO4 или Zn2TiO4, образуют твер-
дые растворы с Fe3O4, которые имеют значения удельного сопро-
тивления и ТКС, |Промежуточные по отношению к обоим исходным
соединениям При объяснении свойств этого нового класса смешан-
ных кристаллов авторы работы [6] принимали во внимание зави-
симость между валентностью ионов металла и их местоположе-
нием в кристаллической решетке и возможностью управления ва-
лентностью ионов металла (Fe2+) исходя из их положения в крис-
таллической решетке Этот метод регулирования удельного сопро-
тивления привел к созданию более универсального метода, о ко-
тором специалисты фирмы Philips сообщили несколько лет спустя
[7] При этом методе не добавлялся оксид со структурой шпинели
к Fe3O4, а части железа в диэлектрике Fe2O3 заменялись другим
металлом с отличной валентностью (Ti4+, Sn4+ или W6+)
Было показано, что замещающие ионы вступают в электричес-
кое взаимодействие с ионами Fe34 и вызывают появление ионов
Fe2+, приводя к возникновению электропроводности Стало также
понятно, что этот общий принцип можно использовать в других
оксидных системах с высоким удельным сопротивлением, таких
как N1O и СоО, заменяя ионы основного металла на ионы Li+.
Полупроводники, удельным сопротивлением и температурным ко-
эффициентом которых можно управлять таким образом, получили
название полупроводники с управляемой валентностью В настоя-
щее время принципы, разработанные фирмой Philips, широко ис-
пользуются для направленного формирования свойств терморези-
сторов с отрицательным ТКС, удовлетворяющих разнообразным
требованиям потребителей этих приборов
Тенденции развития технологии современных материалов с от-
рицательным ТКС выявили три основных направления в произ-
водстве терморезисторов Главное направление — получение более
стабильных терморезисторов, в результате чего во многих стра-
нах, особенно в США, появились взаимозаменяемые высокоста-
бильные приборы с отрицательным ТКС Это было достигнуто за
счет использования более чистых исходных материалов, подбора
соответствующих композиций и тщательного контроля на всех
стадиях технологии изготовления терморезисторов
Второе направление в совершенствовании терморезисторов с
отрицательным ТКС заключается в расширении верхней границы
12
рабочих температур В течение многих лет температура 300°С ос-
тавалась верхним практическим пределом, но за последнее десяти-
летие было создано несколько типов промышленных терморези-
сторов, верхний температурный предел которых приблизился к
Ю0О°С, это достигнуто за счет применения других высокотемпера-
турных материалов Третье направление сводится к созданию
переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС Они име-
ют очень большое изменение сопротивления в узком интервале
температур и известны под названиями терморезисторы с критиче-
ской температурой и терморезисторы на основе металлооксидных
соединений, в которых используется резкое изменение проводимо-
сти от полупроводниковой к металлической, например VO2 с темпе-
ратурой перехода 68° С Такие терморезисторы еще не нашли
достаточно широкого применения из за трудности изменения тем-
пературы перехода в сторону практически приемлемых значений.
История развития терморезисторов с отрицательным ТКС яв-
ляется примером постоянного совершенствования их промышлен-
ного производства в течение последних 35 лет Хотя важных науч-
ных открытий и технологических катаклизмов здесь не отмечалось^
тем не менее успехи, достигнутые в области повышения качества
материалов, сделали терморезисторы одними из самых универ-
сальных пассивных элементов
1.2.	Химические свойства и кристаллическая структура
Все материалы для терморезисторов с отрицательным ТКС
изготовляют нагреванием смеси оксидов металлов до температу-
ры примерно 1100—1200°С, так что в результате оксиды образуют
химические соединения или смеси соединений, обладающие полу-
проводниковыми свойствами За исключением оксидных систем
литий—'никель и литий—кобальт, все эти соединения или смеси
соединений имеют одинаковую кристаллическую структуру, кото-
рая нооит название шпинель вследствие сходства со структурой
этого минерала, т е MgAl2O4
Структуру шпинели можно представить общей химической фор-
мулой А2+В23+О4, где А—один или несколько двухвалентных ме-
таллов, которые образуют оксиды типа АО (NiO, СоО, CuO, FeO
Нт д); В — один или несколько трехвалентных металлов, обра-
зующих оксиды типа В2О3 (Mn2O3, Fe2O3 и т д ) Следовательно^
материалы, имеющие структуру шпинели, могут быть описаны
Другой химической формулой, соответствующей соединению двух
молекул указанных оксидов, т е АО-В2О3 Взяв в качестве при-
мера оксиды марганца и железа (так как каждый из этих метал-
лов способен образовывать оба типа оксидов), можно получить
четыре возможные простые комбинации этих оксидов, имеющие
структуру шпинели-
FeO-Fe2O3 = Fe3O4 — магнетит,
МпО-Мп2О3 = Мп3О4 — гаусманит;
13
FeO-Mn2O3 = FeMn2O4 — ферроманганит;
MnO-Fe2O3 = MnFe2O4 — феррит марганца.
Каждый из этих материалов образует специфическое химичес-
кое соединение с характерными только для него- химическими и
другими свойствами. Помимо этих соединений можно образовать
твердые растворы из любой пары с широким диапазоном измене-
ния состава. Указанные растворы также имеют структуру шпинели
и обладают промежуточными химическими свойствами по отно-
шению к каждому из двух
составляющих его соединений. Напри-
мер, твердый раствор Fe3O4 и
MnFe2O4 можно выразить формулой
Мпж2+Ре2+1_жРе23+О4, т. е. как смесь
ферритов марганца и ферромагнетитов
переменного состава (х может менять-
ся от 0 до 1).
Рис 1 1 Расположение катионов в ре-
шетке шпинели (показаны только два ок-
танта структуры). Большими кружками
обозначены ноны кислорода, а меньшими
белыми и черными кружками — соответ-
ственно катионы в тетраэдрах и октаэд-
рах
В структуре шпинели, кристаллическая решетка которой по-
казана на рис. 1.1, каждая элементарная ячейка содержит 32 иона
кислорода, образующих плотно упакованную кубическую струк-
туру с 64 тетраэдрами и 32 октаэдрами в междоузлиях, из них
узлы 8-ми тетраэдров и 16-ти октаэдров заполнены ионами метал-
ла. Такое расположение металлов называется А- и В-положзниями
соответственно. Согласно общей формуле структуры шпинели
А(В2)О4 каждая элементарная ячейка содержит восемь молеку-
лярных единиц. При этом A-положение представляет собой ка-
тион, окруженный четырьмя анионами кислорода, расположенны-
ми в вершинах тетраэдра, а В-положение — катион, окруженный
шестью анионами кислорода, расположенными в вершинах окта-
эдра. Из сказанного следует, что более простые структуры шпи-
нели содержат один двух- и два трехвалентных катиона в каждой
молекулярной единице; при этом двухвалентные катионы занимают
тетраэдрические, или A-положения, а трехвалентные — октаэдри-
ческие, или Вшоложения. Такие структуры шпинели называются
нормальными; их примерами являются MgAl2O4 и ZnFe2O4, кото-
рые обычно записываются в виде Mg(Al2)O4 и Zn(Fe2)O4, чтобы
показать положения катионов в решетке
В других структурах шпинели двухвалентные катионы зани-
мают В-положения, например в NiFe2O4; это соединение можно за-
писать как Fe(NiFe)O4. Такая структура шпинели с полностью
измененным расположением катионов называется обращенной.
Существуют также структуры шпинели, промежуточные между
14
нормальной и обращенной, например MnFe2O4 и MgFe2O4. Распре-
деления катионов в этих соединениях записывают как
Mn20+8F^+ (Mn2+Fe3+) о4 и Mg2+ Fe3+9 (Mg2+Fe3+) O4
соответственно. Нетрудно заметить, что в соединении MnFe2O4 8/10
всех атомов Мп2+\относятся к нормальным, а 2/10 — к обращен-
ным. В таких случаях говорят, что промежуточная форма обла-
дает степенью инверсии 0,2, или 20%-ной инверсностью.
Именно изучение распределения катионов в структурах шпи-
нели (особенно в ферритах и манганитах) позволило уточнить ме-
ханизм электропроводности материалов терморезисторов и обна-
ружить решающее влияние определенных элементов на электри-
ческие свойства этих материалов.
1.3.	Механизм электропроводности
Хорошо известно, что полупроводниковые свойства ферритов и
манганитов, которые кристаллизуются со структурой шпинели,,
удовлетворительно описываются с помощью теории «прыжковой
проводимости», согласно (которой носитель заряда переносится от
одного иона к другому скачком, в отличие от зонной теории, опи-
сывающей свойства таких простых полупроводниковых материалов,
как кремний, или интерметаллических полупроводников, как арсе-
нид галлия и др Механизм прыжковой проводимости детально
изучен для феррита кобальта [8] и никеля [9], но мало исследо-
ван для манганитов, в том числе и для тех, которые применяют
для изготовления терморезисторов.
Эмпирически установлено, что электропроводность возникает
тогда, когда в эквивалентных положениях в кристаллической ре-
шетке находятся ионы одного и того же металла, но различной
валентности. Более того, эти ионы должны отличаться по валент-
ности только на единицу, например Fe2+ и Fe3+ или Мп3+ и Мп4+,
но не Мп2+ и Мп4+. В шпинели проводимость возникает только в
том случае, когда эти различные по валентности ионы находятся
в В-положениях, ближе расположенных друг к другу. Проводи-
мость не возникает, если ионы различной валентности расположе-
ны в А-положениях, так как расстояние между ними в решетке
Шпинели слишком велико для того, чтобы мог иметь место меха-
низм прыжковой проводимости.
Описанный механизм можно проиллюстрировать классическим
примером оксида Fe3O4, о котором давно известно, что он обла-
гает гораздо большей электропроводностью, чем ожидалось, по
-равнению с другими аналогичными оксидами, такими как Мп3О4
и Со3О4. Он имеет обращенную структуру шпинели, которую мож-
ю изобразить следующим образом:
Fe3+	Fe2+ Fe3+	Ol~
А-положения В-положения
Оба иона Fe2+ и Fe3+ находятся в В-положениях, и, таким об-
15
разом, имеются условия для перескока электрона с Fe2+ на Fe3+
В результате такого перескока электрона ион Fe2+ становится ио-
ном Fe3+, а исходный ион Fe^ отдает электрон ирну Fe2+. При
повторении этого процесса вдоль всей структурной7 цепочки элек-',
троны могут перемещаться в материале под действием внешнего1
электрического поля без нарушения его электрической нейтраль-
ности. Проводимость материала будет определяться числом ионов,
способных отдавать или принимать электроны/во время их пере-
мещения.
Чтобы электрон мог преодолеть воздействие положитель-
ного заряда, окружающего ион, например Fe3+, он должен
обладать определенной минимальной энергией Общее число элек-
тронов, участвующих в проводимости, будет зависеть от числа
имеющихся электронов, энергия которых превышает некоторую
минимальную энергию переноса. Так как энергия электронов преж-
де всего определяется температурой материала, то энергия, а так-
же число свободных электронов 'возрастают с ростом темпера-
туры. Эта минимальная энергия переноса называется энергией ак-
тивации процесса прыжковой проводимости, и электропроводность
о находится из уравнения
G==G°exp ТТГ ’
где Оо — проводимость при Т-э-оо, которая определяется полным
числом электронов, способных участвовать в процессе проводи-
мости.
Если введение другого элемента в материал приводит к изме-
нению распределения валентности в В-положениях кристалличес-
кой решетки, то это может в принципе изменить число переноси-
мых электронов. Например, стехиометрический гаусманит МП3О4
можно представить структурой
Мп2+	Мп3+Мп3+ О4
A-положения В-положения
Очевидно, что это — нормальная структура диэлектрика. Ес-
ли же ввести никель в Мп3О4, то часть никеля Nix попадет в
В-положения и заменит марганец на катионы NF+. Для сохране-
ния электрической нейтральности материала часть ионов Мп3+ в
В-положениях должна изменить свою валентность и превратиться
в ионы Мп4+, в результате чего ионная структура в В-положениях
будет иметь вид
Ni2+ Мп4+ Мп +2х Мп3+
Таким образом, в этом материале имеются все условия для
возникновения проводимости между Мп3+ и Мп4+. Сам никель не
принимает участия в процессе проводимости, но вследствие его
отличной от Мп3+ валентности происходят изменения, приводя-
щие к возникновению проводимости. Число электронов, а значит
и проводимость, зависят в этом случае от количества никеля (х),
введенного в В-положения, а оно в свою очередь зависит от обще-
16
го количества никеля, введенного в Мп3О4. Здесь подразумевается,
что в описанных выше технологических операциях не весь добав-
ляемый никель попадает в В-положения. Как полагают некото-
1е исследователи, ионы Ni2+ могут попадать не только в В-, но
и в A-положения. На основании изучения дифракции нейтронов
и магнитных свойств в [10, 11] было сделано заключение, что
NiMnCh можно представить формулой
(Mn2_xNij О4.
Степень инверсии х может колебаться от 0,74 до 0,93 в зави-
симости от способа приготовления материала. Исходя из резуль-
татов анализа электропроводности авторы работы [12] пришли к
противоположному выводу о том, что манганит никеля обладает
полностью обращенной структурой и имеет следующее распреде-
ление катионов
Мп*+5Mno+35 (Ni2+ МпЗ+5 Mn*+5) 04.
Каким бы ни было действительное распределение катионов,
очевидно, что введение Ni вызывает изменение валентности неко-
торой части катионов Мп2+ в В-положениях и создает условия для
возникновения проводимости в этом материале
Добавление меди в Мп3О4 или в систему N1—Мп—О также
вызывает перераспределение катионов в В-положениях и увели-
чивает проводимость исходного материала Так как увеличение
проводимости, вызываемое введением меди, больше, чем при вве-
дении никеля, то можно предположить, что часть меди в В-поло-
^епиях присутствует в виде ионов Си+, а не Си2+, поскольку Си+
вызывает образование вдвое большего числа ионов Мп4+, чем эк-
вивалентное количество Си2+ или Ni2+.
Введение ионов примесей в структуры шпинелей описанного
типа не только изменяет распределение катионов, но и приводит
также ,к небольшим изменениям расстояний между катионами и
к небольшим изменениям суммарного положительного заряда ка-
тионов В результате всех этих изменений происходит изменение
минимальной энергии переноса любого данного катиона, отдаю-
щего электрон. Таким образом, введение примесных ионов изме-
няет не только общее число электронов, которые потенциально
способны участвовать в провод; мости, но также и ту их часть,
которая действительно принимает участие в проводимости при
любой заданной температуре, путем изменения энергии активации
процесса прыжковой проводимости Постепенное увеличение кон-
центрации «активирующей» примеси в полупроводящем или ди-
электрическом оксидном материале обусловливает такое же по-
степенное изменение проводимости (или удельного сопротивления)
Из сказанного следует, что экспериментальное определение
или вычисление распределения катионов в кристаллических решет-
ках даже в относительно простых двухкомшонентных оксидах дос-
таточно сложно. В большинстве овальных технологических про-
17
цессов изготовления терморезисторов попользуют обычно три, а
иногда четыре многовалентных оксида металлов. Кроме того, по-;
ложение осложняется тем, что режимы спекания не всегда длятся?
в течение времени, которого достаточно для завершения всех хи-
мических реакций, или тем, что окружающий воздух далеко не
идеален для получения стехиометрических составив по1 отношению
к содержанию кислорода. Поэтому нет ничего удивительного в
том, что в существующей литературе отсутствует подробная ин-
формация о химической природе проводимости материалов термо-
резисторов.
1.4.	Физические основы проводимости
Взяв за основу известную теорию проводимости монокристал-
лических полупроводников, можно воспользоваться полуколичест-
венным подходом для объяснения электронных свойств оксидных
полупроводников и, в частности, температурой зависимости удель-
ного сопротивления.
Проводимость полупроводниковых материалов /г-типа с отри-
цательным ТКС, 'возникающая в результате прыжковой проводи-
мости, обусловленной колебаниями решетки, определяется из вы-
ражения
<s = Ne]i,	(1.2)
где N —концентрация носителей заряда, ом-3; у, — подвижность,
см2/В-с; е — заряд электрона, Кл.
Значение N определяется плотностью В-положений в решетке
и вероятностью Ра того, что находящийся в данном В-положении
катион способен отдавать электрон. Следовательно,
(1.3)
с
где а и с — параметры элементарной ячейки, см.
Подвижность у зависит от температуры и определяется из вы-
ражения
^..vexp(?MT)
k Т	v ’
где d — расстояние между ближайшими катионами в В-положе-
ниях; v — частота тепловых колебаний решетки; q — энергия ак-
тивации процесса прыжковой проводимости; k — постоянная Больц-
мана; Т — абсолютная температура, К.
Выражение (1.4) является приближенным, так как на самом
деле не все места, смежные с катионами доноров, заняты катио-
нами акцепторов. Поэтому истинная подвижность равна Лщ, где
Ра — вероятность нахождения катионов акцепторов в соседних
В-положениях.
18
Комбинируя уравнения (1.2), (1.3) и (1.4) с учетом поправки
на подвижность, можно написать следующее выражение для про-
ВОДИМОСТИ.	\
п Г) 16 е2 d2 v ехр( — q>kT)
0 '—- L г, I Н	1	'
“	a2 ckT
(1-5)
Для структуры шпинели это выражение можно упростить, так
как j=,(a]/2)/4 и, следовательно, d2==2a2/16. Тогда уравнение
(1.5) примет вид
о = PaPd 2e2vexpS~‘UkJD .	(1.6)
d ckT
Если предположить, что температурная зависимость проводи-
мости носит чисто экспоненциальный характер, то
о = оэоехр(—qlkT),	(1.7)
где проводимость при бесконечно большой температуре
<^=--PaPde^.	(1.8)
Для терморезисторов большее практическое значение имеют
удельное сопротивление р и, следовательно, сопротивление мате-
риала, поэтому выражение (1.7) удобнее решать относительно р:
р = роо exp(<7/feT),	(1.9)
где
1 ckT
Ра Pd е2 т
(1.10)
Для реальных терморезисторов обычно строятся зависимости
1g р от 1/7, которые представляют собой прямые линии, удобные
для практических расчетов. Тщательный анализ этих зависимо-
стей показывает, что зависимости становятся более линейными,
если в расчетах р^ принимается постоянной величиной. В [13] по-
казано, что хорошее согласование с практическими данными дает
следующее эмпирическое соотношение:
р = рте ехр------q----,
6(7 4-6)
(1-11)
где 0 — небольшая температурная поправка, К.
1.5.	Стабильность
Для потребителя терморезисторов .решающее значение приоб-
ретают два фактора. Во-первых, приборы должны отвечать пас-
портным данным и предъявляемым к ним механическим требова-
ниям. Во-вторых, терморезисторы должны сохранять свои началь-
ные параметры на протяжении всего срока службы в эксплуата-
ции. Ранее уже отмечалось, что одним из недостатков первых
образцов терморезисторов была низкая стабильность, т. е. ухуд-
19
шение их параметров в процессе эксплуатации Эта нестабильное
или старение материала наиболее отчетливо проявляется в пост
пенном изменении сопротивления терморезисторов при данис
температуре При этом было обнаружено, что нестабильность ув<
личивается с ростам рабочей температуры терморезисторов Н
протяжении всех лет развития технологии изготовления термор;
зисторов скорость старения приборов постоянно снижалась, та
что современные приборы имеют гарантированную высокую ст<
битьность
Можно сказать, что прогресс в повышении стабильности бы
почти несомненно достигнут в результате совершенствования тех
нологии, в том числе улучшения чистоты исходных материалов
совершенствования методов их перемешивания, более тщательной
контроля температурных режимов спекания и т д Хотя некото
рые фундаментальные исследования были выполнены самими из
готовителями терморезисторов, в литературе по данному вопрос!
это не нашло достаточного отражения Исключение составляет
работа [14], в которой приводятся практические результаты, ка<
сающиеся некоторых типов бусинковых и стержневых термсрезш
сторов, работающих за пределами, установленными для них изго-
товителями Наблюдаемые значительные изменения сопротивления
объяснялись распространением микротрещин в керамическом ма-
териале, которое происходит лавинообразно и заканчивается раз-
рушением тела терморезистора Так как процесс старения в нор-
мальных условиях достаточно ретко приводит к образованию
видимых трещин, то приведенное объяснение вряд ли является
верным
Для выяснения механизма старения прежде всего необходимо1
точно определить то место в терморезисторе, где происходит из-^
менение сопротивления Практические испытания на старение по-
казали, что дисковые и стержневые терморезисторы, снабженные
выводами и без них, имеют почти одинаковую скорость старения,
что указывает на отсутствие влияния припоя и проволочных выво-
дов на изменение сопротивления Таким образом, возможными
причинами старения остаются только сам полупроводниковый ма-
териал и контакт металл—полупроводник.
До настоящего времени нет прямого метода, с помощью кото-
рого можно было бы однозначно установить, что контакт металл—
полупроводник не является причиной изменения сопротивления,
ибо для проведения электрических измерений требуется какой то
контакт Однако, чтобы исключить эту область как одну из ос-
новных причин возникновения нестабильности, можно воспользо-
ваться целым рядом косвенных методов, к которым, в частности,
относятся
1) использование в качестве электродных материалов различ-
ных сочетаний из благородных металлов или их сплавов Полу-
ченные результаты по старению свидетельствуют о том, что при-
рода контактов не сказывается на стабильности, если только эти
контакты омические, а не выпрямляющие,
20
2) сравнение процессов старения дисков или стержней, имею-
щих одинаковые диаметры, но сильно отличающихся по толщине,
так что сопротивление контакта меняется относительно общего
сопротивления терморезисторов Так как в этих случаях процент
старения остается неизменным для данного полупроводникового-
материала, это означает, что именно он играет определяющую
роль в изменении сопротивления,
И 3) изменение состава полупроводникового материала в широ-
ких пределах Получаемые при этом полуколичественные зависи-
мости между составом материала и скоростью старения указывают
на преимущественную роль материала, а не контактов,
4) измерение сопротивления стержневых терморезисторов че-
тырехзондовым методом, исключающим влияние сопротивления
контактов Этот способ также показывает, хотя и не столь досто-
верно, что причиной старения является полупроводниковый ма-
териал
Изменения сопротивления полупроводниковой керамики могут
вызываться тремя различными механизмами Первый связан с из-
менением общего химического состава оксидной керамики Ста-
рение при низких температурах (0—300°С) вызывается скорее
всего изменением содержания кислорода в оксидной системе, а не
потерей металлических компонентов Изучение механизма потери
кислорода показывает [15], что в хорошо спеченной стехиомет-
рической системе оксидов марганца и никеля потеря кислорода
возникает только при температуре выше 800°С, и это сопровож-
дается заметным изменением электрического сопротивления Ана-
логичные исследования твердых растворов NiMn2O4—Мп3О4, со-
став которых близок к применяемым для изготовления серийных
терморезисторов, показали, что они значительно стабильнее, чем
собственно №Мп2О4, и что потеря кислорода у них обнаруживает-
ся только при температуре выше 1200°С Эксперименты по старе-
нию в самых разнообразных жидких и газообразных оредах пока-
зали, что кислород из окружающей среды не принимает участия
в этом процессе, и, следовательно, окисление материала тоже
можно исключить как механизм старения
Второй возможный механизм старения заключается в перерас-
пределении катионов в керамике, тогда как ее общий химический
состав остается неизменным Выше было показано, что точное
распределение катионов в кристаллической решетке является
весьма важным фактором, определяющим проводимость данного
состава материала Если ионы металла, например никеля, в ок-
сидной системе никель—марганец занимают одновременно А- и
В положения в кристаллической решетке, обусловливая тем самым
определенную степень инверсии при температуре спекания мате-
риала, то эта степень инверсии может не соответствовать выбран-
ной структуре при комнатной температуре В результате очень
медленной и длительной диффузии никеля из одного положения
решетки в другое будет изменяться раопределение катионов в А-
и В-положениях Это изменение в свою очередь вызовет изменение
21
эффективной концентрации носителей и, следовательно, удельна
сопротивления материала.
Скорость движения катионов зависит от температуры, прич
повышенная температура вызывает ускоренное движение и бо;
быстрое, но не обязательно большее изменение сопротивленц
Миграции из одного положения в другое способствуют также
дефекты кристаллической решетки, которые неизбежно имеют мй
то в поликристаллической керамике. Известно, что такое же лер
'распределение катионов происходит при относительно низких те]
пературах в ферритах — материалах с аналогичными криста,
лическими структурами, и оно определяет процесс старения, за<
лючающийся в изменении магнитной проницаемости этих мат
риалов. Эта «теория инверсии» вполне удовлетворительно объя
няет ряд явлений, которые встречаются в экспериментах по ст;
рению терморезисторов, и известен, по крайней мере, один изп
ловитель терморезисторов [16], который склонен согласиться
таким объяснением механизма старения.
Третий возможный механизм нестабильности терморезисторс
связан с изменением во времени электронных состояний на nd
верхности кристаллитов, контактирующих друг с другом в полй
кристаллической керамике Это может привести к изменений
концентрации носителей, участвующих в проводимости, их под
вижности или других параметров, вызывающих в конечном итог
изменение сопротивления В имеющейся литературе мы не нашл1
результатов каких-либо исследований по этому вопросу
Глава 2
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС
Несмотря на то, что электрические свойства терморезисторов
с отрицательным ТКС полностью определяются применяемыми
полупроводниковыми материалами, технология изготовления пос-
ледних очень сильно отличается от технологии изготовления прос-
тых или сложных полупроводников и практически полностью
заимствована из технологии изготовления керамики, хорошо из-
вестной из учебных пособий. Производство терморезисторов с от-
рицательным ТКС из монокристаллических материалов дает мало
преимуществ, ибо на свойства готовых приборов мало влияют
межкристаллитные границы Кроме того, высокие температуры,
необходимые для расплавления оксидных соединений и превраще-
ния их в монокристаллические материалы, вызвали бы удорожа-
ние процесса производства и нарушение стехиометричности со-
става керамик.
Так как чистота материала сама по себе не столь важна при
условии, что концентрация определенных элементов (особенно
22
щелочных и щелочно-земельных металлов) поддерживается «а
приемлемо низком уровне, то для улучшения процесса спекания
вводят контролируемые количества добавок. Такие добавки, как
„равило, не сказываются на электрических свойствах терморези-
сторов и располагаются в основном в виде нейтральных соедине-
ний на границах зерен, улучшая механические свойства керами-
ческого материала.
2.1.	Основные стадии изготовления терморезисторов
Для подавляющего большинства стержневых, дисковых, шай-
бовых и бусинковых терморезисторов основные стадии процесса
изготовления описываются схемой,
Хотя некоторые изготовители допус-
кают отклонения от этой схемы тех-
нологического процесса (например,
некоторые стадии исключаются или
объединяются в одну), приведенная
схема отражает основные принципы
изготовления терморезисторов с от-
рицательным ТКС Технология изго-
товления пленочных терморезисто-
ров, и в частности тонкопленочных
приборов, не укладывается в эту
схему, так как методы их произ-
водства достаточно специфичны и
поэтому заслуживают отдельного
рассмотрения. Чип-терморезисторы
обычно изготовляют по технологии
дисковых терморезисторов, за ис-
ключением последней стадии, на
которой прибор в окончательной
форме отрезают от спеченного кера-
мического блока, а не фор'муют
прессованием в сыром состоянии.
Рис 21. Последовательность операций в
производстве терморезисторов
представленной на рис. 2.L
Технология изготовления всех терморезисторов с отрицатель-
ным ТКС начинается с точной дозировки всех составляющих ис-
ходных материалов К этим материалам относятся оксиды метал-
лов или, в другом варианте, соединения металлов, такие как кар-
бонаты, оксалаты, гидроокиси и т. д., которые при обжиге разла-
гаются с образованием нужных оксидов металлов. Многие
изготовители предпочитают использовать эти разлагающиеся сое-
динения, так как получаемые из них оксиды химически более
активны вследствие их мелкод'иоперсности и поэтому они быстрее
2S
а полнее взаимодействуют с другими исходными материалами, чел
промышленные порошковые оксиды металлов. Смешивание исход-
ных материалов обычно выполняется мокрым методом с примене-
нием шаровых или коллоидных мельниц или смесительных дроби-
лок. Именно на стадии смешивания впервые проявляются разли-
чия в технологии отдельных изготовителей. При наличии стадии
обжига исходных материалов смешивание обычно осуществляется
в воде. Если же на последующих стадиях обжиг отсутствует, то
смешивание можно осуществлять в растворе связующего веще-
ства, чтобы ликвидировать самостоятельный этап введения свя-
зующего. Мокрые исходные смеси полностью высушивают для
просеивания перед обжигом или (при отсутствии обжига) высу-
шивают до определенного содержания влаги для последующего
гранулирования.
Обжиг является следующим этапом процесса изготовления, на
котором смешанные оксиды вступают в химическую реакцию, об-
разуя соединение (или твердый раствор), близкое по составу к
требуемому на конечной стадии. Выделение химической реакции
в самостоятельную стадию дает существенное преимущество, ко-
торое состоит в том, что усадка материала во время химической
реакции происходит до того, как из него формируют терморези-
стор. Поэтому на окончательной стадии спекания заготовки ее
усадка незначительна. Такая термообработка в два этапа позво-
ляет точнее регулировать конечные размеры заготовки и умень-
шает возможности образования трещин <на конечной стадии опе-
кания. Если исходными материалами являются карбонаты или
оксалаты, а не оксиды, то обжиг следует выделять в отдельную
стадию, чтобы получить заготовку без трещин.
Во время обжига материалы помещают на металлические или
керамические поддоны и напревают до температуры 800—1000°С
в статических камерных печах или на подвижных формах в кон-
вейерных туннельных печах в течение нескольких часов. По край-
ней мере в одном технологическом процессе температуру обжига
используют как средство регулирования размеров частиц обож-
женных материалов, чтобы иметь возможность изменить сопро-
тивление готового изделия. По другой технологии материал после
обжига вновь -измельчают для получения частиц требуемого раз-
мера и для активации не вступивших в реакцию исходных мате-
риалов.
Связующее добавляют во время вторичного помола или на
отдельной стадии технологического процесса после сушки размо-
лотого и обожженного порошка. При изготовлении терморезисто-
ров используются самые разнообразные связующие в зависимости
от конструкции приборов, а также от сложившихся традиций и
«вкуса» изготовителя. При изготовлении бусинковых терморези-
сторов рекомендуется связывать небольшие количества осушен-
ного порошка и в качестве связующего применять воду, раствор
альгината аммония, нитрата меди или марганца. В случае стерж-
24
невых и дисковых терморезисторов связующее обычно добавляют
сразу во 'всю партию смеси. Связующими могут быть поливинило-
вый спирт, ацетат, различные метакрилаты и фталаты, метилцел-
тюлозы и крахмал. При добавлении связующего осуществляется
тщательное перемешивание порошка с раствором связующего до*
полного обволакивания поверхности каждой частицы. Для диско-
вых терморезисторов эту мокрую смесь или суспензию превращают
ь гранулы распылением с одновременной сушкой, удалением раст-
ворителя при непрерывном перемешивании или вращении или же,
наконец, высушиванием густой пасты до определенной консистен-
ции пропусканием ее через калиброванное сито. Для стержневых
приборов исходный материал с добавленным в него связующим
сушат лишь частично до получения пастообразной массы.
Стержневые терморезисторы формуют экструзией оксидной
пасты через мундштук с соответствующим внутренним диаметром.
Отрезки экструдированного материала необходимой длины укла-
дывают на плиты с канавками, и после приобретения необходимой
твердости материал подвергают бездеформационной резке на
стержни нужной длины. Дисковые и шайбовые терморезисторы
формируют прессованием гранулированной оксидной смеси в одно-
или многоместных прессах для таблетирования до нужных диа-
метра и толщины. Важным условием достижения воспроизводимых
размеров и плотности дисков и шайб является контроль диаметра
частиц и содержания растворителя в связующем, так как он обес-
печивает постоянный уровень заполнения пресс-формы во время
прессования.
Технология изготовления бусинковых терморезисторов сущест-
венно отличается от технологии изготовления терморезисторов
других конструкций. Вокруг двух параллельно натянутых проволок
из платины или ее сплавов, которые служат одновременно кре-
пежными элементами п электродами, формируют шарики из ок-
сидной смеси. С этой целью две параллельные проволоки из пла-
тины '(платинового сплава) диаметром от 0,025 до 0,1 мм и длиной
около 200 мм растягивают и закрепляют в зажимах на расстоянии
0,05—0,25 мм. Капли пастообразной массы определенной вязкос-
ти, полученной смешиванием ‘материала терморезистора со свя-
зующим, наносят вручную с помощью металлической или стек-
лянной заостренной палочки на проволоки. При движении палочки
поперек проволок смесь переносится с палочки на проволоки.
Размер бусинки можно регулировать добавлением смеси или уда-
лением ее части с помощью чистой палочки. Описанный процесс
повторяют через регулярные интервалы, в результате чего вдоль
параллельных проволок получается цепочка бусинок (рис. 2.2).
Бусинковые терморезисторы высушивают на воздухе до тех пор,
пока они не приобретут необходимую для манипулирования с
ними прочность, а затем проволоки вынимают из зажимов. Раз-
меры бусинок варьируют в зависимости от назначения приборов,
но их диаметр, как правило, изменяется от 0,05 до 1,5 мм, при этом
отношение длины к диаметру бусинки составляет от 1 до 1,5.
25
На заключительной стадии формирования полупроводников^
керамического материала проводят спекание оксидной смеси дз
получения практически однофазной поликристаллической заготд
ки. Большинство изготовителей применяют для спекания дися
вых, шайбовых и стержневых терморезисторов электрически
туннельные печи. Цикл обработки в этих печах составляет 8—2|
°)
Рис. 2.2. Нарезание бусинковых терморезисторов с различным расположена
выводов:
а— до отрезания, б — во время резки; в — после резки
и максимальная температура в зоне выдержки поддерживается -
от 1100 до 1200°С в течение I —12 ч. Во время спекания темпер
тура строго контролируется, чтобы не допустить образования тр|
щин в заготовке вследствие бурного выделения продуктов разл?
жения связующего при резком нагреве в начале цикла или чере^
чур (резком охлаждении в конце цикла. Температуру в зон
выдержки часто используют для управления конечным сопроти^
лением материала, и это способствует максимальному выход]
терморезисторов с заданным сопротивлением. Спекание бусинкО
вых терморезисторов осуществляют по той же программе, что 1
для дисковых пли стержневых терморезисторов, за исключение*
того, что скорость подъема и снижения температуры обычно выш<
вследствие меньшей массы бусинок. В некоторых случаях опека
ние цепочек бусинковых терморезисторов проводят в печах с регу
лируемой температурой в зоне выдержки, после чего их сразу ж<
вынимают, что позволяет использовать камерные печи вмест<
туннельных.
Конечной стадией изготовления дисковых, шайбовых и стерж
невых терморезисторов является создание контактных площадо!
для электрических выводов. В случае дисковых и шайбовых тер
морезисторов паста, состоящая из смеси крупинок или чешуек
серебра, порошковой стеклянной фритты и жидкой фазы, нано-
сится распылением, шелкографией, валиком или щеткой вручную'
на две противоположные плоские поверхности прибора. ПриборьГ
устанавливают на ленту конвейерной туннельной печи, нагретой,
до 500—850°С. При такой термообработке жидкая фаза испаряет-
ся или выгорает, оставляя твердый осадок из серебра и стекла.
При нагревании стеклянная фритта плавится и образует пленку,
26
аЯ прочно сцепляется с 'керамикой и осуществляет надежную
К°ханическую связь между частицами серебра и этой керамикой.
Соотношение серебра и стекла тщательно 'регулируют, чтобы на
верхиость стеклянной пленки проникло достаточное количество
„еребра для обеспечения хорошего электрического соединения.
Стержневые терморезисторы обрабатывают аналогично, за исклю-
чением того, что серебряную пасту наносят на торцы стержня.
Как уже указывалось, бусинковые терморезисторы изготовляют
совместно с электродами из платиновых проволок. Процесс соз-
дания бусинковых терморезисторов завершают отрезанием буси-
нок от цепочек. Существуют три способа их резки, выбор которых
зависит от предполагаемого монтажа прибора. На рис. 2.2,а—&
схематически показаны цепочки бусинок до резки, во время резки
и после резки с тремя различными конфигурациями выводов.
2.2.	Промышленные дисковые, шайбовые и стержневые
терморезисторы
Выше была описана технология создания четырех основных
конструкций терморезисторов из исходных материалов. Следую-
щим этапом для каждой из этих конструкций является испытание
на соответствие определенному номиналу сопротивления с задан-
ными допусками. В некоторых случаях (главным образом для
дисковых, шайбовых и стержневых терморезисторов) испытаниям
может предшествовать процесс стабилизации сопротивления, в
соответствии с которым приборы выдерживают при определенной
температуре в течение 2—10 дней. Температуру стабилизации
можно изменять в зависимости от конкретного применения при-
боров, но в пределах 100° С; 100%-ные электрические испытания и
выборку дисковых, шайбовых или стержневых терморезисторов
осуществляют вручную или на автоматизированном оборудовании,
способном разделять приборы по их номинальным сопротивлениям
и снабженном карусельными сортировочными приспособлениями.
Бусинковые терморезисторы сортируются обычно вручную из-за
тудности создания оборудования для манипулирования и разделе-
ния больших количеств хаотически расположенных бусинок.
Применяют два основных метода испытания терморезисторов.
Первый заключается в измерении абсолютного значения сопротив-
ления терморезисторов, помещаемых в среду, температуру кото-
рой регулируют с высокой точностью. Для выполнения этого
обычно используют термостатированную жидкостную баню, темпе-
ратуру которой поддерживают равной заданной температуре при-
бора (обычно 25°С) с точностью выше 0,1°С (как правило, 0,01°С).
Ьт»рой метод заключается в сравнении испытываемого прибора с
эталонным терморезистором того же типа, имеющим идентичные
-лектрические характеристики. Преимущество этого метода состоит
в том, что отпадает необходимость тщательной стабилизации ус-
ловий окружающей среды, так как испытательный и эталонный
Терморезисторы одинаково реагируют на изменение температуры.
27
Рис. 2.3. Различные конструкции дисковых, стержневых и шайбовых термо»
резисторов с отрицательным ТКС
Рис. 2.4. Способы монтажа и герметизации дисковых терморезисторов с отри-
цательным ТКС
28
Оба метода можно использовать при ручном и автоматизирован-
ий испытаниях всех типов терморезисторов.
Электрические испытания дисковых, шайбовых и стержневых
тепморезисторов, не имеющих электрических выводов, завершают
технологический процесс изготовления этих приборов. Большин-
ство дисковых и стержневых терморезисторов снабжают теми или
иными выводами, причем чаще всего применяют две покрытые
оловом или припоем медные проволоки. К дисковым терморези-
сторам, имеющим посеребренные поверхности, выводы припаивают
вручную или в автоматических установках. Выводы дисков могут
быть аксиальными, т. е. перпендикулярными их поверхностям, или
радиальными, что более принято Радиальные выводы существуют
в двух модификациях- выводы присоединяют в середине каждой
поверхности один над другим или их смещают относительно сере-
дины поверхности и располагают параллельно друг другу с неко-
торым зазором. Дисковые терморезисторы с выводами поставля-
ются незащищенными или их головные части вместе с примыкаю-
щими к ним участками выводов покрывают лаком, (краской или
эпоксидной смолой. Приборы маркируют с помощью цветных
полосок или точек, наносимых на незащищенный прибор или на
защитное покрытие.
Стержневые терморезисторы обычно имеют проволочные выво-
ды, которые наматывают вокруг торцов стержня и припаивают к
ним или же пропускают выводы через отверстия в торцевых кол-
пачках, которые механически обжимают вокруг торцов. Большин-
ство стержневых терморезисторов выпускают без защитных по-
крытий, так как они часто работают при повышенных температу-
рах, иногда их также маркируют цветными полосками или точ-
ками. На рис. 2.3 показаны различные стандартные конструкции
дисковых, шайбовых и стержневых терморезисторов, выпускаемых
рядом фирм-изготовителей.
Помимо стандартных приборов, показанных на рис. 2.3, име-
ются специальные конструкции. К ним относятся дисковые термо-
резисторы, монтирумые на тонких металлических пластинах для
измерения температуры поверхности и запрессованные в различ-
ные корпуса для применения в холодильниках и системах цент-
рального отопления, дисковые терморезисторы в металлических
герметичных корпусах для работы в стиральных машинах и фин-
ских банях, а также заделываемые в резьбовые штифты или в
толстые металлические пластины для монтажа на различных по-
верхностях. Терморезисторы различных специальных форм пока-
заны на рис. 2.4.
2.3.	Промышленные бусинковые терморезисторы
В своей простейшей форме бусинковый терморезистор пред-
ставляет собой незащищенный шарик с двумя выводами, предназ-
наченный для различных применений; при этом его монтаж осу-
ществляет сам потребитель. Однако для обеспечения более высо-
29
кой прочности, стабильности и жесткости, а также для улучшу
ния пайки выводов терморезисторы в большинстве случаев пом!
щают в защитную оболочку или им придают более удобную
му Можно выделить четыре варианта защитных оболочек сплоц
нои стеклянный шарик, узкую стеклянную трубку, которую можи
откачивать или заполнять газом, более крупный стеклянный баз
лон, снабженный
а)
<9
дополнительным
6) г)
элементом, например нагрев;
телем, который откачивак
или заполняют газом, кристаз
лодержатель транзистора, ге]
метизированный в металличе
ком корпусе
Рис 2 5 Стадии изготовления
остеклованного бусинкового тер-
морезистора	(
а — бусинка, б — приварка к
металлической петле, в — нагре-
вание стеклянной трубки, г —
расплавление стекла для прида-
ния ему формы таблетки и раз-
резание петли
Помещение бусинкового терморезистора в стеклянный шарик-]
это простейший способ его герметизации Рисунок 2 5 схематичей
ки иллюстрирует этот метод Б\ синку отрезают от цепочки тай
что ее выводы загибаются в одну сторону в форме буквы V, (
свободные концы этих выводов (платиновых проволок) привари
вают к концам петли из CuNiFe (медненного железоникетевог!
сплава) Бусинковый терморезистор с приваренными соединениям!
вставляют в короткую стеклянную трубку, один конец которо!
может быть запаян, и сдавливают стекло в печи до тех пор, пок;
оно не образует сплошной, не содержащий пузырьков корпус, гер
метизирующий бусинку и сварные соединения Далее свободны!
конец петли разрезают и два проволочных вывода облуживаю'
для последующей пайки
В другом варианте этого способа вместо шетли используют дв4
прямых проволочных вывода, которые раздельно приваривают и
бусинке Затем эту конструкцию устанавливают в зажим и в та
ком виде вводят в стеклянную трубку, которую герметизируют е^
расплавлением Размеры стандартных стеклянных шариков имекН
разброс от 1,5 мм в диаметре при длине 5 мм до 4,5 мм в диамеН
ре при длине 10 мм Бусинковые терморезисторы, предназначенные
для работы в электропроводных жидкостях, герметизируют плот-
ным стеклом, а их выводы вставляют в герметичную стеклянную
трубку Отличие от описанной выше методики защиты состоит е
том, что бусинку опускают в запаянный конец стеклянной трубки,
который вновь нагревают и обжимают вокруг бусинки, затем ту
же операцию проводят с открытым концом трубки, который обжи-
мают и герметизируют вокруг выводов Этим способом можне
30
изготовлять остеклованные терморезисторы длиной от 12 до
150 мм
Во втором варианте герметизации бусинку помещают внутрь
узкой запаянной стеклянной трубки, выводы выходят через один
или через два противоположных торца трубки В варианте с вы
водами на одном торце трубки бусинку отрезают и приваривают
к выводам в форме петли Далее на выводы надевают отрезок
стеклянной трубки и один его открытый конец герметизируют
вокруг выводов Вслед за этим запаивают второй его конец У не-
которых приборов этого типа из трубки откачивают воздух перед
окончательной герметизацией, а в других случаях воздух в трубке
оставляют Если выводы выходят с обоих торцов, то бусинку от-
резают так, чтобы ее выводы были вытянуты в одну линию (см
рис 2 2) и их приваривают между двумя соосно зажатыми про-
водниками На бусинку надевают стеклянную трубку, и ее концы
одновременно герметизируют вокруг проводников
При герметизации терморезистора косвенного подогрева, снаб-
женного рамочным выводом с четырьмя электродами, применяют
более крупный стеклянный баллон
Основные стадии изготовления терморезисторов косвенного по-
догрева показаны на рис 2 6В других случаях бусинковый тер-
дорезистор с двумя выводами вставляют в тонкостенную стеклян-
ную трубку, которая служит оправкой для намотки проволочного
Рис 2 6 Стадии изготовления бусинкового терморезистора косвенного подогре-
ва с отрицательным ТКС
а—бусинка, б — намотка подогревателя, в — обволакивание клеем, г — при-
варка к рамке проволочных выводов, д — герметизация выводов в стеклянной
трубке, е — вакуумирование и запайка конца трубки
нагревателя, также герметизируемого стеклом Затем весь этот
Узел вставляют в стеклянный баллон, который герметизируют
ооычным способом В некоторых случаях нагреватель и бусинко-
вый терморезистор в сборе помещают в небольшую серебряную
трубку, чтобы минимизировать незначительные флуктуации тем-
пературы в бусинке
Большинство терморезисторов косвенного подогрева изготов-
ляют в вакуумируемых оболочках, но выпускаются также прибо-
ры с воздушным заполнением В корпусах транзисторов гермети
31
зируют как простые бусинковые терморезисторы, так и термо|
зисторы косвенного подогрева. В том и другом случаях выво^
припаивают к контактным штырькам кристаллодержателя, пос
чего его соединяют герметично с корпусом. На рис. 2.7 показан
некоторые конструкции бусинковых терморезисторов прямого
косвенного подогрева, выпускаемые различными фирмами-изгоп
вителлин.
Рис. 2.7. Различные конструкции бусинковых терморезисторов с отрицательны
ТКС
2.4.	Терморезисторные зонды и защитные корпуса
Несмотря на обилие различных форм и размеров промышлеф
ных терморезисторов, очень часто оказывается, что ни один и;
стандартных типов приборов не сочетается с производственные
оборудованием. Эти трудности связаны с тем, что изготовителе
оборудования планируют ввинчивать или вставлять чувствитель
ные элементы (датчики) в металлический каркас или в конструк
цию, находящиеся иногда на значительном расстоянии от соответ
ствующих измерительных схем. Остеклованные или керамически!
дисковые терморезисторы с укороченными выводами не отвечаю'
этому требованию, и поэтому возникает необходимость герметизи-,
ровать приборы в металлические зонды и корпуса с более длин-
ными изолированными выводами.
При небольшом потреблении терморезисторов их герметизацию
осуществляют сами изготовители оборудования. Если же потреб-
ляемое количество достаточно велико, то изготовители терморези-
сторов поставляют либо специализированные корпуса, либо стан-
дартные корпуса или зонды, которые легко модифицировать в от-
82
ношении длины выводов. Корпуса обычно имеют форму )Не6олт,
шого металлического шарика или удлиненной герметичной метаГ
личеокои трубки, куда вставляют терморезистор с отходящими от
него выводами, покрытыми пластиком. На рис. 2.8 показаныТММ
личных защитных корпусах терморезисторы, выпускаемые некото'
рыли фирмами-изготовителями.	у «немые некото-
Рис. 2.8. Конструкции термозондов, образованных размещением бусинковых
терморезисторов с отрицательным ТКС в металлических и пластиковых кор*
пусах
2.5.	Пленочные терморезисторы
Пленочные терморезисторы можно различать по толщине плен-
ки. К тонкопленочным относятся терморезисторы с толщиной ок-
сидной пленки в несколько десятков нанометров, которую наносят
на стеклянную или керамическую подложку обычными методами
катодного распыления. Как правило, осаждение ведут в среде с
регулируемым парциальным давлением кислорода, чтобы гаранти-
ровать получение оксидных, а не металлических пленок. Было
установлено, что состав осаждаемой пленки не поддается точному
регулированию, так как оксидные мишени различного состава
Дают пленки, очень близкие -по своему химическому -составу. Сте-
хиометрию осажденной пленки по кислороду легко корректировать
нагреванием в кислороде после ее осаждения.
Материалами для контактов обычно служат благородные ме-
таллы (золото, палладий или платина). Электрические свойства
тонкопленочных терморезисторов часто значительно отличаются от
свойств терморезисторов из объемного материала аналогичного
состава. Удельное сопротивление этих приборов существенно за-
висит от условий нанесения (пленки, а также от предполагаем
факторов, таких как содержание кислорода в пленке. Пленоч
терморезисторы, как правило, имеют более высокий ТКС по с;
нению с объемными терморезисторами, однако стабильность
ниже.
Одним из самых распространенных методов изготовления я]
ночных приборов является нанесение пасты из смеси оксидов
подложку из оксида алюминия путем трафаретной печати с
следующим прокаливанием в атмосфере кислорода для созда:
терморезистора нужного состава. Оксидная паста может таь
содержать стеклянную порошковую фритту, которая образует
щитную глазурь на пленке в процессе прокаливания и одной
менно увеличивает адгезию пленки к подложке. Получаемые
ким способом толстопленочные терморезисторы имеют толщи
измеряемую в микрометрах. Металлизированные электроды с
дают высокотемпературной обработкой толстых пленок из бла
родных металлов, таких как платина, золото или палладий.
Электроды обычно наносят методом печати на подложку:
оксида алюминия до нанесения оксидной пасты, и их отжиг^
отдельно или совместно с оксидной пленкой. Их можно осе
дать на пленку после ее осаждения на подложку и отжигать вм
те с пленкой до или после в зависимости от требуемых соп]
тивления и ТКС. Оксидные пасты, применяемые для изготовлен
толстопленочных терморезисторов, выпускаются промышлен!
стью, но многие изготовители предпочитают использовать С£
собственные композиции. Толстопленочные терморезисторы име
минимальные размеры 5x5 мм и сопротивление до 1 кОм п
температуре 25°С. Столь низкие сопротивления возможны бла
даря использованию встречно-штыревых электродов.
Глава 3
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС
Отличительным свойством всех терморезисторов, безусловй
является их высокий ТКС, что и определяет все области примен
ния терморезисторов. Тем не менее, это свойство не является еди!
ственным, которое делает терморезисторы одними из наиболее уп
версальных пассивных элементов. Их универсальность проистека)
из возможности получения высокого ТКС при широком изменен^
сопротивления, форм и габаритных размеров. Большой диапаз<
сопротивлений позволяет использовать терморезисторы при опр
деленных температурах в широком интервале температур и обе
печивает их согласование с соответствующими схемами.
Разнообразие размеров приборов позволяет применять их л;
регулирования температуры, причем они могут быстро реагир
вать на небольшие колебания температуры или, наоборот, мог
34
отвечать на малые колебания и реагировать только на дрейф
Не пеоатуры. Изменяя размеры используемых терморезисторов,
ТеМжноР также изменять на четыре порядка время, необходимое для
М рехода одного фиксированного значения сопротивления к дру-
Характеристики терморезисторов можно разделить на две ка-
тегории. К первой относятся характеристики полупроводникового
материала, которые включают температурную зависимость сопро-
тивления, позволяющую найти такие параметры, как постоянная
материала В и ТКС а. Ко второй категории относятся характери-
стики, определяемые конструктивными особенностями терморези-
стора, т. е. вольт-амперная характеристика, постоянная времени
и коэффициент рассеяния. Некоторые другие характеристики, та-
кие как стабильность, определяются прежде всего, природой полу-
проводникового материала, но могут претерпевать значительные
изменения в зависимости от способа герметизации готовых при-
боров.
3.1.	Температурная характеристика сопротивления
Как было показано в гл. 1, удельное сопротивление полупро-
водниковых оксидных материалов, применяемых для изготовления
терморезисторов с отрицательным ТКС, обладает следующей тем-
пературной зависимостью:
р = р«,ехр(^71).	(3.1)
У реальных приборов с заданными размерами удельные сопро-
тивления р и р<х> можно заменить сопротивлениями R и Точно
так же энергию активации q и постоянную Больцмана k заменяют
одной постоянной В, которую выражают в градусах Кельвина.
С учетом сказанного уравнение (3.1) приобретает более общепри-
нятую форму:
7? = Дехр (В/Т),	(3.2)
где Д = Х>00 — постоянная, соответствующая сопротивлению термо-
Резистора при бесконечно большой температуре (т. е. когда
Из уравнения (3.2) следует, что при построении зависимости
логарифма удельного сопротивления от обратной температуры по-
лучается прямая линия. На рис. 3.1 показаны экспериментальные
температурные характеристики удельных сопротивлений двух по-
лупроводниковых материалов в интервале температур от —100
До +400°С [1]. Из этих характеристик видно, что, хотя наклон
прямых постоянен в широком интервале температур, он все же
^едленно изменяется цри высоких температурах. Позднее в [2]
было показано, что более точно экспериментальная температурная
характеристика описывается эмпирическим уравнением вида
£ = Лехр[В/(Т + 0)],	(3.3)
где 0 — постоянная, выражаемая в градусах Кельвина.
У терморезисторов определенной конструкции, например у д
ковых приборов одинакового размера, постепенное изменение
става материала дает семейство характеристик, подобное изоб]
женному на рис. 3.2. По этим кривым можно установить взаи!
।---1----1--------1
f Z	5	4	5 ^8
______1______
* Температура, К
связь между сопротивлением (a cj|
довательно, и удельным сопротив^
нием) при фиксированной темпер
туре и составом материала прибор
На рис. 3.3 показано изменен]
удельного сопротивления смеси о
сидов марганца и никеля при 25‘
в зависимости от введения в н
определенного количества окси
меди.
Постоянная материала. Постов
ную В в уравнении (3.2) иног
называют постоянной матерись
коэффициентом В или же В-фс
Рис. 3.1. Зависимость удельного сопроти
ления двух материалов для терморези
торов от обратной температуры (по да
ним [1])
тором терморезистора с отрицательным ТКС. Ее численное знач,
ние в градусах Кельвина можно определить по двум значения:
сопротивления Bi и R2, измеренным при температурах Т\ и Т2. Е
уравнения (3.2) находим
Ri — A exp (B/Tj) и R2 — A exp (В/Т2).
Разделив эти два уравнения друг на друга, получим
7?1/7?2 = ехр(В/7,1—В/Т^	(3.4
или
1п(7?1/^)=В(1/7,1-1/Л).	(3.5)
откуда
В —	(В1/В2)	/3
Выражение (3.6) часто записывают так:
В =	ig _	(3	7’
7\ — Т\ R2
Выше отмечалось, что для реальных терморезисторов значе-
ние В не остается постоянным. Если полученные выражения ис-
пользовать для расчета В по данным измерений при фиксирован-
ной температуре Ti = 298,lK (25°С) и температуре Т2, изменяю-
щейся в достаточно широких пределах, то в результате получаете*
серия значений В. Рисунок 3.4 иллюстрирует изменение коэффи-
36
Рие^оатурь1 Т2 от 248 до 523 К (от -25 до 250°С).
гемпер jr	ппеь. что постепенное добавлен?
"By трех промышленных теомопечиотп^т^
Т.	ири изменении
Г В гл. 1 отмечалось, что постепенное	’
примеси к данной оксидной системе приводит
пенному изменению удельного	только к посте-
сопротивления материала (см.
Рис 3 2 Температурные характерис-
тики сопротивлений нескольких дис-
ковых терморезисторов, имеющих по-
стоянные размеры, но различный хи-
мический состав
/о’г
Содермание опива меди, х
Рис. 3.3. Изменение удельного со-
противления материала терморезис-
тора при 25° С в зависимости от
содержания в нем оксида меди:
Мп3 О4 : Ni О : Си О
80 : 20 : х
рис. 3 3), но и вызывает изменение энергии активации процесса
прыжковой проводимости, а следовательно, и изменение постоян-
ной В. Так как изменение удельного сопротивления и коэффициен-
та В вызывается одним и тем же механизмом, то изменение кон-
центрации легирующей примеси должно обусловливать линейную
зависимость двух электрических па-
раметров. Из рис. 3.5 очевидно, что
увеличение концентрации оксида
меди от 0 до 17 мае % в смеси
Mn3O4: NiO с соотношением 4 : 1
Дает линейную зависимость между
логарифмом удельного сопротивле-
ния и коэффициентом В.
Рис. 3 4. Зависимости от температуры
коэффициента В для трех терморези-
сторов, рассчитанные по уравнению
(3.7) с использованием эксперименталь-
ных данных для 7\=298,1 К и различ-
ных значений Т2 от 248 до 523 К
Отношение сопротивлений. В паспортных данных некоторых тер-
морезисторов отсутствует коэффициент В, а вместо него дается
отношение сопротивлений Ri/R2, где Ri — сопротивление, обычно
37
измеряемое при 25°С, a R2 — сопротивление, измеряемое при ।
которой температуре, как правило, в интервале от 50 до 100'
Взаимосвязь между отношением сопротивлений и коэффициент^
В дается выражением (3.4) и графически построена на рис 3.(|
форме зависимости R25°cIRt от температуры в градусах Целы
для различных значений В.
Температурный коэффициент при 25 °C, %/°C
Рис. 3.5. Зависимость удельного сопротивления оксидной системы переменное
состава от В или температурного коэффициента
Температурный коэффициент сопротивления любого полутрй
водникового материала а представляет собой отношение скороен
изменения сопротивления с температурой к сопротивлению npj
заданной температуре. Математически это записывается так i
Обычно ТКС измеряют в %/°1
Основное уравнение (3.2), ой
ределяющее температурную завй
симость сопротивления термор<
зистора, можно записать в след)
ющей форме:
In R = BIT + const. (3.9
4 i
После дифференцирования nd
Т, получаем
\ d R —В	/о 1 л
-----—------= а. (ЗЮ
R d Т Т2
Рис. 3.6. Зависимость отношения со
противлений /?25« cIRt от температур!
для различных значений В
38
Так как коэффициент В и ТКС а являются двумя различными
Нормами выражения одного и того же свойства материала и так
к коэффициент В и удельное сопротивление непосредственно свя-
зны друг с ДРУГОМ Для данной оксидной системы, то отсюда сле-
дует, что удельное сопротивление и ТКС также непосредственно
связаны между собой при данной температуре. Эта связь иллюстри-
руется рис. 3.5 для системы оксидов меди, марганца и никеля раз-
личного состава при температуре 25°С.
Температура двукратного изменения сопротивления. Иногда по-
лезно знать изменение температуры АТ, при котором сопротивле-
ние терморезистора уменьшается вдвое или вдвое увеличивается
относительно своего значения при некоторой произвольно выбран-
ной эталонной температуре Тт. Такое АТ носит название темпера-
туры двукратного изменения сопротивления. Условие, соответству-
ющее такому изменению сопротивления, можно найти из уравнения
(3.5):
±1п2 =
(З.Н)
\ Тг ± А Т Тг )
Согласно (3.10) аг=—В)Т2Г, поэтому можно написать
АТ=--------—---------,	(3.12)
— аг± (1п2)/Тг
где аг — ТКС при температуре Тг.
Знак плюс в уравнении i(3.12) соответствует увеличению, а знак
минус — уменьшению сопротивления в 2 раза.
3.2.	Вольт-амперная характеристика
Наиболее интересным и практически полезным свойством тер-
морезистора с отрицательным ТКС является падение напряжения
U на приборе при увеличении постоянного тока I, протекающего
через прибор. На рис. 3.7 приведена статическая вольт-амперная
характеристика бусинкового терморезистора, подвешенного в воз-
духе; замеры тока и напряжения проводились через промежутки
времени, достаточные для достижения стационарного состояния.
При очень слабых токах мощность, рассеиваемая терморезистором,
слишком мала и характеристика подчиняется закону Ома. С увели-
чением тока температура бусинки становится 'выше окружающей
температуры за счет выделения джоу-
лева тепла. Это увеличение температу-
ры показано соответствующими циф-
рами на вольт-амперной характеристи-
ке (см. рис. 3.7). При определенном
Tptf’ Статическая вольт-амперная харак-
ристика_ типового терморезистора. Цифры
_КРИВОЙ П0казЬ[вают превышение темпера-
УРЫ относительно окружающей температу-
ры в градусах Цельсия
39
значении тока напряжение достигает максимума и затем ум^
шается при дальнейшем увеличении тока. Напряжение в ,ма^
муме характеристики или напряжение перегиба обычно обо^
чается £7тах-
Поскольку токи и напряжения различных терморезисторов
меняются в широких пределах, то вольт-амперные характерист
часто удобнее строить в двойном логарифмическом масштабе,
рис. 3.8 построена такая вольт-амперная характеристика по д|
ным, заимствованным из рис. 3.7. В двойном логарифмичес^
масштабе линия с накло|
4-45° соответствует линии п
тоянного сопротивления, а
ния с наклоном —45° — лиа)
постоянной мощности.
Рис. 3.8. Статическая вольт-ампе
ная характеристика (та же, что ,
иа рис. 3.7), построенная в ло|
рифмическом масштабе. Диагоим
ные линии дают значения сойр
тивления и мощности
Максимальное напряжение. Для конкретного терморезистор!
прямого подогрева вольт-амперная характеристика и значение Und
могут смещаться при изменении мощности, рассеиваемой прибр
ром в окружающую среду. Этого можно добиться изменение!
давления воздуха вокруг бусинки, изменением окружающей сре
ды, а также изменением связи между прибором и средой (напри*
мер, заставив воздух перемещаться вокруг бусинки). Все эти фаК;
торы изменяют теплопроводность терморезистора или его коэф
фициент рассеяния К- Из рис. 3.9 видно, что Umax МОЖНО уВСЛИ
Ток, А
Рис. 3 9. Вольт-амперные характери-
стики, построенные в логарифмиче-
ском масштабе для трех значений ко-
эффициента рассеяния К,
40
О 50 100 150 гос
Рис 3.10 Вольт-ампеоиые характери-
стики стержневого терморезистора
при трех значениях окружающей тем-
пературы. По оси абсцисс — ток, мА
или уменьшить примерно в 3 раза, точнее, в V10 раз за счет
ЧИрчичения или уменьшения коэффициента (рассеяния в 10 раз.
хДменение температуры окружающей среды также изменяет фор-
v вольт-амперной характеристики и положение Um!iX. На рис. 3.10
показано, как напряжение плавно уменьшается с увеличением
температуры окружающей среды.
В точке максимума напряжения выражения для сопротивления
и мощности принимают вид:
/?гпах = ^окр ехР (^/^тах	^/^окр) = ^тах/Дпах !	(3.13)
Рщах ~ К (7\пах ^окр) = ^Дпах ^тах>	(3.14)
тде /( — коэффициент рассеяния, мВт/°С.
Исключая /тах из выражений (3.13) и (3.14), получаем
t/щах = (ЯокрЯ (Лпах-Лжр) еХР (В/Т^-Жокр)]1'2. (3.15)
Продифференцировав уравнения (3.13) и (3.14) по току и при-
равняв производные нулю (так как dU/dI=0 в точке перегиба),
находим
Пах = В(Т^-Т0Щ1).
Следовательно, температура прибора при максимальном напря-
жении
7’шах = -|(1-Г1-4Т0КР/В).	(3 16)
Воспользовавшись биномиальным разложением для (1—
—47’(1KD/B) V2, найдем
^тах Токр (1 + ТОкр/В).	(3.17)
Так как для большинства реальных терморезисторов с отрица-
тельным ТКС коэффициент В лежит в пределах 1500—6000 К, то
температура Ттах превышает температуру окружающей среды не
более чем на 15—60° С. Если же выполняется условие В<4ГОкр
(т. е. В<1200К при комнатной температуре), то максимум напря-
жения отсутствует.
Коэффициент рассеяния. Как уже говорилось, подведение мощ-
ности к терморезистору ведет к выделению джоулева тепла, со-
провождающемуся изменением его сопротивления. При этом ко-
эффициент рассеяния К можно определить как мощность, необхо-
димою для увеличения температуры прибора на 1° С относитель-
но температуры окружающей среды. Если предположить естест-
венное охлаждение, то стационарное равновесие между подводи-
мой электрической мощностью и тепловой мощностью, рассеивае-
Мои в материале терморезистора, можно выразить так:
Р = ///=К(Т-7окр),	(3 18)
где К не зависит от температуры Т, причем все части терморезис-
•ГоРа находятся при одинаковой температуре Т.
41
Коэффициент рассеяния К существенно зависит от условий 0
ружающей среды, способа монтажа терморезистора и теплоцр
водности проволочных выводов и корпуса. Эти условия ДОЛДц
быть четко оговорены, когда даются значения коэффициента ра
сеяния. Так как и условия охлаждения не всегда полностью 5
тественные, и температура всех частей терморезистора неодинак
ва, то коэффициент К, строго говоря, не является постоянной в
личиной и несколько увеличивается с повышением температур
при которой ведется измерение.
Если вследствие саморазогрева температура прибора силы
возрастает, то рассеиваемая мощность перестает быть линейщ
функцией АТ (АТ = Т—Токр) и описывается эмпирической фор!
лой	5
Р = К[ДТ + К” (АТ)6],	(3,
где К"~ 3• 1012; это значение справедливо для режимов с бо
шим перегревом [4]
Измеренные значения коэффициента рассеяния составлю
10 Вт/° С для бусинковых терморезисторов в вакууме, 5чч
15 мВт/0 С для дисковых и стержневых приборов и до 100 мВт/°Ц
для дисков, смонтированных на пластине, прижатой к теплоотвод
ДУ-
Сопротивление при нулевой мощности. Во всех предыдущи
рассуждениях относительно сопротивления терморезисторов (з<
исключением случаев прямого подогрева) считалось, что темпе
ратура терморезистора обусловливается исключительно темпера
турой окружающей среды. Однако, как мы уже говорили, даж^
очень небольшая мощность может вызвать увеличение температу-
ры терморезисторов за счет джоулева тепла, особенно бусинковых,
Поэтому необходимо определить допустимые пределы увеличений
разогрева терморезистора протекающим через него током при из-
мерениях. Сопротивление при нулевой мощности определяется I
условиях, когда температура терморезистора повышается не бо)
лее чем на 0,1° С в результате протекания измерительного тока
Эта максимальная мощность соответствует одной десятой коэф
фициента рассеяния при тех же условиях.
Тепловая постоянная времени. Все рассматриваемые характера
стики терморезисторов относились к стационарным условиям Во
многих применениях, например < устройствах задержки или регуя
ляторах температуры, важную роль играют нестационарные yd
ловия, когда температура или любая другая физическая величина
зависящая от температуры, изменяется со временем	,
Если терморезистор нагревается под действием протекающег(
тока на 100—200° С выше температуры окружающей среды и за-
тем охлаждается в условиях, соответствующих измерению conpQ
тивления при нулевой мощности, то за любой интервал времен!
А! будет рассеиваться К(Т—Гокр)А! джоулей. В результате тем
пература понизится на АТ, т е
~Hbt=K(T-Tmp)U	(3 20)
42
или
т т
1 ~'окр- к ’
/у._теплоемкость, Дж/° С.
гД g результате решения этого дифференциального уравнения по-
лучим выражение
7’-7’OKP = (7’0-7’OKP)exp(-i/T)!	(3.22)
у0 — температура терморезистора в момент времени ^=0; т =
— постоянная времени охлаждения.
Из выражения (3.22) следует, что зависимость lg(T—ТокР) от
t представляет собой прямую линию с наклоном —1/2,303. Одна-
ко в реальных ситуациях теплоемкость Н и коэффициент рассея-
ния К несколько меняются с температурой, и поэтому постоянная
времени т также зависит от температуры Т и времени I. Хотя из-
меряемые зависимости (рис. 3.11) обычно отличаются от идеаль-
но линейных, тем не менее нак-
лон в любой момент времени
или повышение температуры
(Т1—Т’окр) дадут правильное
значение постоянной времени в
этой точке. Отклонение от ли-
нейности более отчетливо вы-
ражено у терморезнсторав с
защитными покрытиями, а не
окруженных воздухом, напри-
мер в стеклянных или пласт-
массовых оболочках. Постоян-
тттр:с
200-
100 -
80 -
60 -
00 -
20
10
8
в
О
(3.21)
Рис. 3.11. Полулогарифмическая ха-
рактеристика охлаждения массивно-
го терморезистора
2
О 50 100 150 200 250 300 350
Время, с
ная времени охлаждения определяется как время, за которое из-
быточная температура терморезистора уменьшается 'в 1/е раз от
ее начального значения.
Постоянная времени является важным параметром во многих
областях применения терморезисторов и определяет скорость ре-
акции прибора данной конструкции на изменение температуры.
Постоянная времени бусинковых терморезисторов равна приблизи-
тельно 1 с, дисковых и стержневых —15—30 с, а дисковых термо-
резисторов в защитных корпусах из пластмассы — до 200 с.
3.3.	Стабильность
Проблемы стабильности терморезисторов с отрицательным
еще не нашли достаточного отражения в литературе. Одно
1113 первых сообщений [1] по этому вопросу посвящено исследова-
43
нию старения дисковых терморезисторов на воздухе при темнея
туре 105° С, изготовленных из оксидов никеля и марганца (ки
вая 1 на рис. 3.12), а также оксидов никеля, марганца и кобаду
(кривая 2) в течение 3 лет. Тот факт, что большая часть изме$
ний, связанных со старением, происходит в течение первых одцд
Рис. 3.12. Временные характеристики сопротивлений терморезисторов, изготой
ленных из материалов № 1 и № 2, которые подвергали старению в тер моста
те при температуре 105°С
или двух недель, позволяет заключить, что если бы изготовителе
приборов осуществлял в течение этого срока предварительное (ис
кусственное) старение, то изменение сопротивления в течение еле
дующего года было бы менее 0,2%. Поэтому искусственное crape
ние широко практикуется в производстве реальных приборов,
дисковые терморезисторы, изготовленные из оксидов никеля
марганца или из оксидов никеля, кобальта и марганца, как пра
вило, обладают стабильностью по сопротивлению выше 1% в го!
при максимальной рекомендуемой рабочей температуре, равно!
примерно 120° С.
Введение оксида меди в исходные материалы для терморези^
торов с отрицательным ТКС позволяет создавать приборы с мень
шим удельным сопротивлением, но одновременно снижает их ста
билыность. Это снижение стабильности достаточно ощутимо; онс
не столь заметно при комнатной или более низких температурах
но становится заметным, когда рабочая температура или темпера-
тура старения возрастает до 100 или 120° С.
Стабильность содержащих медь составов зависит от ее кон-
центрации: если содержание меди ниже 1%, то стабильность пс
сопротивлению составляет порядка 1 % в год для негерметизиро-
ванных дисковых приборов. Постепенное увеличение концентрация
меди до 10 или 20% вызывает аналогичное ухудшение стабильно-
сти по сопротивлению до 5—10% в год у нормальных дисковый
терморезисторов. За последние годы разработаны методы ослаб-
ления влияния меди на стабильность, однако подробности этих ме-
тодик обычно тщательно скрываются изготовителями.
44
Стабильность всех терморезисторов (особенно при температуре
ше 120° С) повышают устранением непосредственного контакта
ВрОМОрезистора с окружающей средой. Этот способ ликвидации
влияния окружающей среды, обычно воздуха, улучшает стабиль-
ность не только материала прибора, но и материала электродов
(особенно если это серебро, которое используется в большинстве
-исковых и стержневых терморезисторов). Именно исходя из это-
го подавляющее большинство бусинковых терморезисторов остек-
яовывают или герметизируют в стеклянных баллонах.
Стабильность бусинковых терморезисторов, герметизированных
плотно прилегающим слоем стекла, значительно выше, чем у не-
защищенных дисковых и стержневых терморезисторов, изготовлен-
ных из того же исходного материала. В [5] было показано, что
два остеклованных терморезистора с номинальным сопротивлени-
ем 7?25о с= 100 кОм (без примеси оксида меди) имели уменьшение
сопротивления 0,065 и 0,045% в течение шести месяцев старения
при температуре около 25° С. Это соответствует изменению темпе-
ратуры на 0,01° С за шесть месяцев.
Авторы [3] показали, что партия из пятидесяти остеклованных
бусинковых терморезисторов из материала с высоким содержани-
ем оксида меди (^2o°c = 5OO Ом) имела средний максимальней
уход температуры +0,13° С (АТ? = 0,43%) и +0,25° С (АТ? = 0,8%)
у отдельных терморезисторов после хранения в течение 35 недель
при комнатной температуре, а старение в течение 52 недель при-
водило к восстановлению исходных параметров.
Более новые сведения об остеклованных бусинковых терморе-
зисторах содержатся в [6], где указывается, что их нестабиль-
ность по сопротивлению составляет 0,1% после 52 недель старе-
ния при температуре 100° С, 0,1% после 26 недель при 200° С и
0,2% после 26 недель при 300° С. В работе [7] гарантируется ста-
бильность остеклованных бусинковых терморезисторов не хуже
0,02% (0,005° С) в год в интервале рабочих температур 0—60° С.
Важным свойством терморезисторов с отрицательным ТКС яв-
ляется стойкость к воздействию ядерного излучения [6]. Облуче-
ние незащищенных терморезисторов гамма-лучами с дозой 1,ЗХ
ХЮ6 Р/ч в течение более 400 ч, или потоком нейтронов с плот-
ностью 4,5-10® нейтронов см2/с в течение 2172 ч, или электронами
с энергией 2 МэВ в течение 20 мин в генераторе Ван-де-Граафа не
привело к обнаруживаемому изменению параметров приборов.
3.4.	Производственные допуски на сопротивление и ТКС
Сведения, приводимые о терморезисторах с отрицательным
КС, относятся или к конкретным свойствам отдельного прибора,
или к некоторым усредненным свойствам группы номинально иден-
тичных приборов. Подобно другим пассивным электронным ком-
понентам терморезисторы с отрицательным ТКС не могут выпус-
каться большими партиями с абсолютно одинаковыми электриче-
45
скими характеристиками, и поэтому их изготовляют с определен,
ньгми допусками на основные параметры.
Уже в течение многих лет терморезисторы выпускаются Со
стандартными допусками ±20, ±10 и ±5% на номинальные со-
противления при эталонной температуре. Эти допуски относятся
также и к коэффициенту В, так как разброс значений этого пара-
метра связан с незначительными изменениями состава исходного
материала в процессе производства. Допуск на коэффициент В
обычно составляет ±5% заданного номинального значения. Раз-
брос значений В между терморезисторами в одной партии обычно
намного меньше ±5%, но может иметь место разброс между при-
борами в разных партиях, поэтому его тоже следует учитывать в
общем производственном допуске.
Наличие двух производственных допусков означает, что npj
выбранной эталонной температуре Тг все приборы оказываются
внутри гарантированного интервала допусков на сопротивление, но
при любой другой температуре (Т,-±ДТ) суммарный разброс со
противлений будет выходить за пределы этого интервала. На'
сколько этот «выход» превышает указанный интервал, зависит о*
разности ДТ этих двух температур. В результате получается тат
называемая «огибающая» температурная характеристика сопроти’в
ления, внутри которой находятся все приборы, причем эта огиба
ющая — самая узкая при эталонной температуре и будет расши
ряться по мере удаления от этой температуры.
Рис. 3.13. «Огибающая» в
температурной зависимости
сопротивления терморезис-
торов С /?25»С= 1000 Ом±
±20% и В = 4000 К±5%
Рис. 3.14. «Огибающая» температурной за-
висимости сопротивления терморезисторов с
номинальным сопротивлением Р№о с—1000 Ом
и В=4000 К±б%. Сопротивления подбира-
лись при температурах 0 и 100° С с точно-
стью ±20%
Типовая огибающая для терморезисторов с номиналами
^25° с = 1000 Ом ±20% и £> = 4000К±5% показана на рис. 3.13.
Видно, что, хотя разброс сопротивлений при 25° С составляет
±20%, он расширяется до ±30% при —16 и +80° С и до ±35%
при —34 и +120° С. Такой разброс сопротивлений всецело объяс-
46
допуском ±5% на коэффициент В. Более жесткий допуск
!1ЯетьШИЛ бы этот разброс при температурах, отличных от 25° С.
'ме0ДНим из способов минимизации разброса сопротивлений яв-
тся отбор терморезисторов при требуемой рабочей температуре
,1Яе прИ температуре, соответствующей средней точке температур-
диапазона. Применяется также отбор при двух сильно раз-
личающихся эталонных температурах, вследствие чего результи-
ующая огибающая сужается, так как она ограничивается двумя
точками.
На рис. 3.14 построена огибающая для тех же приборов, что
п на рис. 3.13, отличающаяся тем, что отбор с точностью ±20%
сделан при температурах 0 и 100° С. Этот метод отбора вместе с
уменьшением допуска на сопротивление до ±5% нашел широкое
применение в связи с необходимостью более жестких допусков на
сопротивление. Совершенствование технологии, а также методов
отбора и согласования приборов позволило повысить допуски на
значения В и сопротивления и одновременно расширило интервал
температур, в которых можно применять эти допуски. Некоторые
изготовители в настоящее время выпускают терморезисторы с от-
рицательным ТКС, имеющие допуск по сопротивлению ± 1 % и
очень точно согласующиеся с заданной температурной характерис-
тикой сопротивления.
Глава 4
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ,
РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Наиболее важными областями применения терморезисторов с
отрицательным ТКС являются измерение и регулирование темпе-
ратуры, сигнализация об изменении предельных значений темпе-
ратуры, а также компенсация изменений сопротивления в элект-
рических цепях, вызванных колебаниями температуры окружаю-
щей среды. Все эти применения основаны на зависимости сопро-
тивления терморезистора от температуры. Терморезисторы обла-
дают рядом преимуществ перед другими термодатчиками, среди
которых можно назвать следующие:
большой температурный коэффициент сопротивления;
Широкий диапазон значений сопротивления;
способность работать в достаточно широком интервале темпе-
ратур в твердых, жидких и газообразных средах;
широкий выбор форм и размеров, обеспечивающий удобство
Монтажа в различных механических конструкциях;
способность выдерживать электрические и механические пере-
47
Характеристики терморезисторов с отрицательным ТКС позв0,
ляют получать большой выходной сигнал при небольших измеце.
ниях температуры. Такие выходные сигналы можно передавать ц8
большие расстояния без корректировки или компенсации на изме.
нения температуры окружающей среды.
Недостатком терморезисторов с отрицательным ТКС являете
нелинейность температурной характеристики сопротивления, кот<
рая сильно затрудняет измерение и компенсацию температура.
Существуют различные методы преобразования нормальной тем-
пературной характеристики терморезистора с отрицательным
ТКС в другую, которая дает линейную зависимость выходного сиг-
нала от температуры в ограниченном интервале температур. Од.
нако такое преобразование может сопровождаться некоторой по-
терей чувствительности, если оно осуществляется с помощью толь-
ко постоянных резисторов. В ряде случаев, например, при темпе-
ратурной компенсации металлов или схемных элементов, высокий
отрицательный ТКС терморезистора нужно уменьшить, чтобы со-
гласовать его с ТКС компенсируемого материала; при этом одно-
временно происходит линеаризация характеристики терморезисто-
ра.
4.1.	Получение требуемой формы температурной характеристики
сопротивления
Часто форма температурной характеристики сопротивления
терморезистора с отрицательным ТКС не отвечает требованию,
предъявляемому к ней конкретным применением. При использо-
вании пассивных корректирующих цепей можно так видоизменить
эту характеристику, что она будет удовлетворять предъявляемым
к ней требованиям в ограниченном диапазоне температур. В прос-
тейшем случае эту модификацию выполняют последовательным
или параллельным включением постоянных резисторов, темпера-
турные коэффициенты которых пренебрежимо малы по сравнению
с ТКС терморезистора и ими можно пренебречь.
Простейшая корректирующая цепь состоит из одного постоян-
ного резистора, включенного последовательно или параллельно
терморезистору. На рис. 4.1 построено семейство температурных
характеристик терморезистора для различных сопротивлений по-
следовательно включенного резистора Нагрузочное сопротив-
ление этой цепи
=7?4"^i	(4 1)
и
Как показано в [1], сопротивление последовательно включен-
ного резистора 7?1( которое обеспечивает оптимальную линейность
при заданном приложенном напряжении, можно рассчитать, если
48
нать температурную зависимость тока, протекающего через Ri и
тепморезистор:
/ = [//(/?+ ЯХ).	(4.3)
Эт\ функцию можно разложить в бесконечный ряд в окрестно-
сти средней точки То рабочего интервала температур:
/(Т) = /(П) + hl' (То) +	+ ... + ^ о) . ,	(4.4)
где h = T—То и Г,	— соответственно первая, вторая и ге-я
лроизводная тока по температуре.
Рис. 4.1. Семейство темпера-
турных зависимостей сопро-
тивления терморезистора с
^?25ос=Ю00 Ом, полученное
при последовательном соеди-
нении постоянного резистора
/?ь имеющего различные со-
противления
Рис. 4.2. Семейство темпера-
турных зависимостей сопро-
тивления терморезистора с
^?2SoC=1000 Ом, полученное
при параллельном соеди-
нении постоянного резистора
/?2, имеющего различные со-
противления
В [1] показано, что оптимальная линейность достигается при-
равниванием второй производной нулю.
Дважды дифференцируя левую часть уравнения (4 3) по тем-
пературе и приравнивая полученное выражение к нулю, находим
^^^(в-гвдв+гТо),	(4.5)
ГДе_^° — сопротивление терморезистора при температуре То.
Подставляя У?! в производные более высоких порядков в урав-
нении (4.4), можно найти значения Л3, /г4 и т. д , которые характе-
ризуют отклонения от линейности. При температуре выше 200 К
справедливо соотношение /i4<0,l/i3, и членами ряда (4.4) с эти-
ми коэффициентами можно пренебречь. Было показано, что по-
следовательная пара из терморезистора с температурным коэф-
фициентом 3000 К и резистора, сопротивление которого вычисле-
49
но по уравнению (4.5), имела нелинейность, эквивалентную макси-
мальной температурной погрешности 0,03° С в интервале темпе-
ратур от 20 до 40° С, и эта погрешность вырастала до 0,ГС при
расширении указанного интервала до 15—45° С i[l].
Один постоянный резистор R2, включенный параллельно термо-
резистору, дает семейство S-образных температурных характерис-
тик сопротивления при изменении R2, причем эти характеристики
более линейны, чем характеристика одного терморезистора. На
рис. 4.2 построены кривые для того же терморезистора, характе-
ристики которого приведены на рис. 4.1, но для других значений
R2. Нагрузочное сопротивление при параллельном подсоединении
резистора определяется из выражения
Rr =R2R/(R2 + R),	(4.6)
а температурный коэффициент цепи
В'=В—.
^2 4“ R
(4-7)
Как видно из рис. 4.3, комбинация из двух постоянных резис-
торов и одного терморезистора дает два варианта корректирую-
щей цепи. Нагрузочное сопротивление этих цепей может быть най-
дено из выражений:
RT =	для рис. 4 3)а-	(4.8)
Rt = для рис- 4'3’б- (4-9)
Обе эти цепи описываются общим выражением
ЯГ==1+£Я,	(4.Ю)
с+ R
где а, b и с — положительные коэффициенты.
Рис. 4.3. Схемы формирования сиг-
налов с двумя постоянными резис-
торами
Ri	Зз
Рис. 4.4. Схемы формирования сиг-
налов с тремя постоянными резис-
торами
Графически зависимость (4.10) изображается равнобочной ги-
перболой.
На рис. 4.4 показаны более сложные цепи с тремя постоянны-
ми резисторами. Нагрузочные сопротивления этих цепей можно
50
е определить с «помощью выражения (4.10). Они отличаются
Та„ьшей гибкостью при согласовании с любой требуемой темпера-
рной характеристикой сопротивления. Процедура подбора цепей
терморезисторами для получения требуемых температурных ха-
рактеристик сопротивления подробно описана в '[2].
Недостатком рассмотренного метода линеаризации терморезис-
тора с применением последовательно или параллельно включен-
ного резистора является заметное уменьшение температурной чув-
ствительности по сравнению с чувствительностью собственно тер-
морезистора. Поэтому был предложен метод линеаризации [3] без
значительного ухудшения температурной чувствительности самого
терморезистора. Он основан на использовании простого делителя
напряжения (рис. 4.5), в котором терморезистор заменяется пере-
менным резистором /?2- Выходное напряжение Uo такой цепи яв-
ляется нелинейной функцией R2:
^ = ^/(1+^/^).
(4.И)
Сопротивление R2, которое позволяет получить линейную зави-
симость выходного напряжения от температуры, можно найти по
кривой, построенной на рис. 4.6. Там же приведена типовая тем-
пературная характеристика терморезистора с отрицательным
Рис. 4.5. Простая Рис. 4.6. Сравнение температурных за-
схема делителя на- висимостей сопротивлений терморези-
пряжения	стора и резистора R::, обеспечивающе-
го линейность выходного напряжения
делителя:
1 — типовая характеристика терморезисто-
ра; 2 — линеаризация характеристики с по-
мощью
ТКС. Из сравнения этих характеристик видно, что для согласова-
ния обеих кривых достаточна лишь незначительная модификация
Цепи с терморезистором.
Приемлемое согласование с требуемой зависимостью R(T)
Достигается добавлением еще одной пары терморезистор — посто-
янный резистор, в результате чего получается цепь, показанная на
51
рис. 4.7. Значения элементов этой цепи можно найти [3], решца
систему уравнений
Uo - п A Uo=Ut----------*Т1 (.^.+,	(4л
&ri (Т?т2 -р #г) + Ri (ЯИ + ЯТ2 + Рг)
где п = 0, 1,..., UqI&Uq.
Решение этих уравнений отличается громоздкостью, и расче
Ri и Яъ, позволяющих согласовать характеристики двух термор^
зисторов, необходимо выполнять с применением ЭВМ. При ис
пользовании подобных цепей с двумя терморезисторами необходц
мая линейность характеристик достигается при температур
100° С, т. е. приблизительно в 2 раза большем, чем при иопользо|
вании цепей из одного терморезистора и нескольких постоянны^
резисторов. Более точная линеаризация может быть достигнута I
помощью аналогичного делителя, но с тремя терморезисторами
Погрешности при измерении температуры, обусловленные тако^
линеаризацией с применением двух- и трехтерморезисторных це
пей, равнялись соответственно ±0,2 и ±0,04° С при температура
100° С [3].
Рис. 4 9. Мостовая схе-
ма Уитстона для изме-
рения температуры
Рис. 4.7. Схема форми-
рования сигналов с дву-
мя терморезисторамн
Рис. 4.8 Простая схе-
ма измерения темпера-
туры с применением
терморезнстора
4.2.	Измерение температуры
Терморезисторы предпочтительны для точного измерения тем-
пературы в дистанционных или малогабаритных устройствах чли
там, где требуется измерение малых перепадов температуры. Их-
также применяют и для менее точных измерений температуры,'
когда нужно минимизировать общую стоимость системы, ибо вы-
сокая чувствительность терморезисторов ведет к упрощению элек-
трических схем и контрольно-измерительных приборов.
Наиболее простым методом измерения температуры с помощью
терморезистора являются непосредственное определение его
сопротивления и нахождение температуры по таблицам или тем-
пературным характеристикам сопротивления. Однако употребле-
ние промышленных терморезисторов со стандартными температур-
ными характеристикам приведет к большим погрешностям вслед-
52
ие больших допусков как на сопротивления, так и на ТКС при-
боров Поэтому для получения приемлемых результатов требу-
ются точные градуировочные кривые, подобные тем, которыми
набжают прецизионные или «подогнанные по кривой» терморе-
зисторы. Если принять меры, чтобы значение измерительного то-
ка не превышало рекомендованного изготовителем, то, пользуясь
всего лишь герморезистором и его калибровочной кривой, можно
измерять температуры с точностью от ±0,25 до ±1,0° С.
Другая электрическая схема для измерения температуры при-
ведена на рис. 4.8. В этом случае терморезистор вместе с после-
довательно соединенным миллиамперметром подключен к источ-
нику напряжения, причем миллиамперметр прокалиброван в гра-
дусах по известному эталону. Если сопротивление источника ма-
ло, как, например, у аккумуляторной батареи, то последователь-
ное включение соответствующего постоянного резистора обеспе-
чит более линейное изменение тока с температурой Хотя чувст-
вительность такой схемы относительно низкая и шкала измери-
тельного прибора становится неравномерной, ее применение тем
не менее целесообразно, если измеряемая температура не превы-
шает приблизительно 40° С. Эта схема широко применяется в ав-
томобильной промышленности для измерения температуры жид-
кости, используемой для охлаждения двигателя.
Самым эффективным методом прецизионного измерения тем-
пературы с помощью терморезистора является его включение сов-
местно с корректирующей цепью или без нее в одно из плечей
моста Уитстона, как это показано на рис. 4.9. Такое включение
одновременно позволяет избежать «сжатия» шкалы измерительно-
го прибора.
Мостовая схема описывается следующими уравнениями:
= (₽2+₽3) /2+т?2 4;
0 = 7?g/g + 7?/1-7?3/2.
Исключив ТОКИ /1 и /2, получим
J ™ —__________________(#1 ^3 — ^2 R)__________________________
Я (^1 #2 +	*3 + #2 #3 + ^2 ^g + #3 Rg) (#2#3“F#2 Rg +#3 Rg)
(4.13)
Выражение (4.13) можно
переписать так:
Ub(l — m R)
pR+q
где I, т, р, q — постоянные.
Это уравнение можно перегруппировать следующим образом:
I g + const ^^(//р + т?/р2)	(4.15)
g	R + qlP	V 1
53
и затем выразить так:
г — sUb
ё R + r
(4.16)
где r=qlp, s — постоянные.
Уравнение (4.16) по форме аналогично выражению (4.3) для
последовательно соединенных терморезисторов и постоянного ре-
зистора. Это значит, что уравнение (4.16) будет давать линейную
зависимость при тех же условиях, которые относятся к уравнению
(4.3). Другими словами, сопротивление источника г относительно
терморезистора должно удовлетворять условию (4.5), т. е.
г — у __ [Rg 1й2 4~ Rs) 4~ Rs йз) __ р в — % т0 ।у-,
Р (R1 + Rg) (й2 + Яз) + й2 ЙЗ °В + 2Т0’	' 
Чтобы эффективность мостовой схемы, показанной на рис. 4.9,
была максимальной, большая часть изменения тока в терморезис-
торе должна восприниматься измерительным прибором. Для это-
го сопротивление 7% делают значительно больше сопротивления
терморезистора, и в этом случае полумостовая схема, образован-
ная 7?i и терморезистором, работает в режиме постоянного тока.
Чтобы добиться максимального изменения мощности, сопротивле-
ние Rg должно быть максимальным (насколько это возможно), а
сопротивления и должны быть низкими, и тогда сопротивле-
ния Rg и г почти равны друг другу. При такой ситуации сопротив-
ление источника в конечном итоге определяется сопротивлением
Rg. Соотношение между током гальванометра Ig и температурой
Т имеет вид
dig sUb(B + 2 Т0Г
dT 4 7% BR0

(4.18)
где ±/io— пределы температурного интервала по обе стороны от
средней температуры То.
Воспользовавшись приведенными выше расчетными соотноше-
ниями и применив прецизионный или «согласованный по кривой»
(допуск ±1%) терморезистор, можно сконструировать устройство
для измерения температуры с максимальным отклонением от ли-
нейности ±3°С при температуре 100° С, ±0,75° С при температу-
ре 40° С и ±0,5° С при 20° С. Если взять стандартный промышлен-
ный терморезистор с допуском на сопротивление ±20% и допус-
ком на коэффициент В ±5% и включить его в мостовую схему,
рассчитанную по упрощенной эмпирической методике, то можно
создать электронный термометр с максимальной температурной
погрешностью ±ГС при температуре 50°С [4].
Недостатком простой мостовой схемы является уменьшение
ее чувствительности с ростом рабочей температуры, что связано с
уменьшением ТКС терморезистора при увеличении температуры.
Требование постоянства температурной чувствительности означа-
ет, что изменение тока, протекающего через гальванометр, с тем-
пературой, т. е. dlg/dT, не должно зависеть от сопротивления тер-
54
Рис. 4.10. Терморезисториый мост с
почти постоянной чувствительностью
в ограниченном интервале темпера-
тур [5]
мометра. Авторы [5] смогли удовлетворить это требование при
15° С с максимальным отклонением ±1% путем введения перемен-
ного резистора А в мостовую схему (рис. 4.10). В этом случае
часть сопротивления переменного резистора как бы включается в
мостовую схему, а часть соединяется последовательно с источни-
ком питания моста.
В течение многих лет базовая мостовая схема подвергалась
различным модификаииям исходя из конкретных условий измере-
ния температуры. В {6] исполь-
зовался один терморезистор в
мостовой схеме для обнаружения
небольших перепадов температур
при определении молекулярной
массы веществ методом снижения
температуры замерзания пли по-
вышения температуры кипения.
В [7] описана калориметрическая
система с терморезистором, кото-
рая автоматически регистрирует
изменения температуры порядка
10-2°С посредством автоматичес-
ки уравновешиваемого моста с
точностью 2-10~4° С. Имеются сведения [8] об использовании тер-
морезисторов в прецизионной калориметрической бомбе с приме-
нением методики, изложенной в <[9]. В литературе описано не-
сколько вариантов мостовых схем переменного тока, содержащих
терморезисторы. В одной из таких схем имеется [10] некалибро-
ванный прецизионный терморезистор, дающий погрешность менее
±0,5° С при температуре до 20° С.
Электронные термометры с терморезисторами, включенными в
мостовую схему, нашли широкое применение в технике измерения
температур. В [11] рассмотрен терморезисторный термометр с по-
стоянной времени 20 мс и разрешающей способностью 5-10-4°С,
предназначенный для измерения микрофлуктуаций температуры в
океане. К другим температурным измерениям в океанографии от-
носятся термопрофилирование [12] и батитермографирование
[13]. В [14] описан портативный терморезисторный мост для
микрометеорологических исследований в растущих злаках. В [15]
описано применение аналогичного метода для измерения темпера-
туры почвы в Шотландии, а в [16] согласованные терморезисторы
в мостовой схеме использованы для определения свободной энер-
гии почвенной влаги. Существуют различные типы электронных
медицинских термометров, один из которых имеет почти на поря-
док меньшую постоянную времени [17], другой [18] пригоден для
измерения внутренней температуры тела при помещении термо-
метра на поверхность кожи и, наконец, третий ([19] способен из-
мерять болевой порог посредством теплового контакта.
Интересным вариантом мостовой схемы Уитстона является
включение двух терморезисторов в смежные плечи с щелью изме-
55
рения разности температур, а не абсолютной температуры. Одним
из первых применений такого дифференциального метода было оп-
ределение молекулярной массы веществ. В 1953 г. были опублико-
ваны обнадеживающие сведения о воспроизводимости результа-
тов экспериментов, проведенных на простом лабораторном обору-
довании, по определению молекулярной массы азобензола, нафта-
лина и дифенила, растворенных в n-гептане, бензоле, четыреххло-
ристом углероде и хлороформе [20]. С тех пор мостовые схемы с
двумя терморезисторами с отрицательными ТКС стали широко
применяться для точного дифференциального измерения темпера-
туры в калориметрии [7,21], эбулиометрии [22—24] и осмометрии
[25, 26], при этом удавалось замерить разности температур до
10~5°С [21]. Дифференциальный метод измерения температур
применяют для определения количества тепла, рассеиваемого
большими отопительными системами, использующими циркуля-
цию горячей воды. Разность температур воды во входном и вы-
ходном трубопроводах, а также скорость ее потока позволяют
быстро и точно определить тепловые потери. Терморезисторы,
включенные соответствующим образом в мостовую схему, дают
информацию не только о разности температур, но и о скорости по-
тока воды в отопительной системе.
В подавляющем большинстве случаев два одинаковых термо-
резистора согласовываются по сопротивлению с точностью до
±1% в требуемом температурном диапазоне. Для измерения раз-
ности температур применялись также несогласованные термор^-
зисторы, но это вызывало усложнение схемы, так как различие в
характеристиках двух терморезисторов приходилось устранять ли-
неаризацией с помощью постоянных резисторов. Нордон и Бэйн-
бридж {27] впервые применили метод линеаризации каждого тер-
морезистора посредством постоянных шунтирующих резисторов с
последующим выравниванием плеч моста последовательным
включением резистора в одно плечо при изменении температуры.
Различные чувствительности к температуре двух плеч компенси-
ровались пропусканием различных постоянных токов через каж-
дое плечо моста. Максимальное отклонение от линейности состав-
ляло 0,5% при температуре до 50° С и 0,05% —до 18° С. Были
также предложены другие методы согласования [28, 29], в кото-
рых перед выравниванием осуществляется линеаризация только
одного плеча терморезисторного моста.
4.3.	Регулирование температуры
Основными элементами любой системы регулирования темпе-
ратуры являются датчик, контролирующий температуру среды,
коммутирующее устройство и исполнительное устройство, напри-
мер нагреватель. Так как терморезисторы представляют собой
наиболее чувствительные из всех термочувствительных элементов,
то они, естественно, нашли самое широкое распространение в сис-
56
темах регулирования температуры (особенно ее точного регулиро-
вания).
На рис. 4.11 показана схема простейшего регулятора темпера-
ы с терморезистором. Включенный в цепь переменный резис-
тор предназначен для задания температуры, при которой должно
срабатывать реле. Несмотря на простоту и эффективность регу-
лирования температуры в пределах ±10° С и менее, эта схема
весьма критична к выбору реле. Объясняется это медленным рос-
том и спадом тока вблизи точки срабатывания, что ведет к появ-
лению «дрожания» реле, увеличению уровня шума и в конечном
итоге к преждевременному износу контактов.
Рис. 4.11. Простая схема регулирования темпера-
туры, состоящая из последовательно включенных
терморезистора, переменного резистора и реле
Более тонкое регулирование температуры достигается включе-
нием терморезистора в одно плечо моста Уитстона и постоянных
резисторов в остальные плечи. Выходной сигнал подается непо-
средственно в обмотку реле или (что предпочтительнее) через уси-
литель. Точность регулирования теоретически определяется коэф-
фициентом усиления усилителя, но практически зависит от целого
ряда внешних факторов. Такие факторы, как тепловая связь меж-
ду датчиком и нагревателем и между нагревателем и объектом,
температура которого регулируется, а также мощность нагревате-
ля и скорость отвода тепла, в равной степени влияют на чувстви-
тельность датчика, определяющую
степень «перерегулирования» или
«недорегулирования» системы по
температуре.
В регуляторах температуры с
маломощными нагревателями ре-
ле можно исключить, а мощ-
ность нагревателя можно регулпро-
Рие. 4.12. Схема регулирования темпера-
туры термостата для кварцевого стабили-
затора частоты
вать с помощью транзистора. На рис. 4.12 приведена простая мос-
товая схема термопреобразователя, выходной сигнал которого по-
ступает в операционный усилитель и оттуда — в малогабаритный
термостат кварцевого генератора частоты [30]. Другими особен-
ностями этой схемы являются, наличие в ней диода Д\, защищаю-
щего вход усилителя от чрезмерно большого тока при включении
холодного термостата, стабилитрона Д%, «отключающего» транзис-
ТоР при слабых выходных сигналах операционного усилителя, и
57
конденсаторов Ci и сг, предотвращающих появление высокочас-
тотных колебаний. На рис. 4.13 показан поперечный разрез термо-
стата. При хорошем контакте между высокоомным терморезисто-
ром и нагревателем, а также между обмоткой нагревателя и кор-
пусом термостата удается достичь интервала переключения регу-’
лятора в пределах 0,0015°С. Такой тепловой контакт обеспечивает
очень высокую скорость переключения в си-
стеме, при этом двойная амплитуда колеба-
ний температуры составляет всего 0,03°С
при рабочей температуре термостата 60°С.
Рис. 4.13. Схематический поперечный разрез термо-
стата:	!
/-—пенополиуретановая подушка; 2 — терморезистор; 3—
тонкие проволочные соединения с кристаллом, 4 — проход-
ные изоляторы с низкой емкостью (ПТФЭ); 5 — кристалл;
6 — обмотка нагревателя
Стоит отметить конструкцию терморегулятора для стабилиза-
ции температуры термостата кварцевого генератора частоты, по-
строенного по обычной мостовой схеме (рис. 4.14) [31]. В этой
схеме два соседних плеча моста Уитстона образованы терморезис-
торами и постоянными опорными резисторами, а два других —
4?,W/7" УВ Терморе3истор
Рис. 4.14. Мостовая регулирующая схема с трансформатором
вторичной обмоткой миниатюрного трансформатора с отводом от
средней точки. Сигнал разбаланса моста подается в усилитель с
большим усилением, выход которого соединен с первичной обмот-
кой этого трансформатора. Усилитель содержит генератор, кото-
рый возбуждает мостовую схему переменным сигналом с частотой
2—3 кГц. Когда мост сбалансирован, то выходной сигнал равен
нулю, усилитель не работает и генератор не возбуждается. При
разбалансе в генераторе возникают колебания и переменный сиг-
нал возбуждает мостовую схему через трансформатор, который
увеличивает сигнал разбаланса. Таким образом, положительная
обратная связь придает высокую чувствительность схеме.
58
Сигнал с усилителя поступает через конденсатор в ждущий
ильтивибратор, направляющий импульсы в мощный транзистор,
оторый соединен с обмоткой нагревателя. Дрейф в схеме при из-
менении температуры окружающей среды компенсируется включе-
нием в цепь моста эталонного резистора с известным положи-
тельным ТКС. Эта схема регулирует температуру термостата, ра-
ботающего при 50° С, с точностью ±0,05° С при изменении темпе-
ратуры окружающей среды от 0 до 40° С.
В других терморезисторных регуляторах температуры исполь-
зуется триггер Шмитта, который вызывает срабатывание реле в
цепи нагревателя. В [32] рассмотрено применение этого принципа
в регуляторах, обеспечивающих точность регулирования темпера-
туры 25° С в термостатируемых ваннах от ±0,005 до ±2° С. В
простейшей схеме регулирования температуры (рис. 4.15) измене-
ние напряжения на терморезисторе, включенном в цепь делителя
напряжения, вызывает срабатывание триггера Шмитта, соединен-
ного с обмоткой реле. Для увеличения чувствительности схемы в
цепь базы транзистора Т\ можно включить стабилитрон, что уве-
личивает напряжение на терморезисторе и, следовательно, напря-
жение переключения. Чувствительность этой схемы с терморезис-
тором сопротивлением 4 кОм составляет приблизительно +0,5° С
при 25° С.
Рис. 4.15. Схема регулирования тем-
пературы с простым триггером
Шмитта
Рис 416. Триггер Шмитта с двумя
каскадами усиления
Дальнейшее увеличение чувствительности до ±0,25 или даже
±0,05° С достигается введением соответственно одного или двух
усилительных каскадов перед триггером. На рис. 4.16 показана
схема с двумя усилительными каскадами. Самая чувствительная
схема с точностью регулирования ±0,005° С приведена на рис.
4-17. Вместо дальнейшего увеличения усиления постоянного тока
в этой схеме применен генератор с частотой 700 Гц на мосте Ви-
на, который обеспечивает высокую стабильность и исключает по-
мехи. Выходной сигнал генератора определяется уровнем отрица-
тельной обратной связи и зависит непосредственно от сопротивле-
ния терморезистора. Этот сигнал детектируется и подается как
постоянная составляющая через эмиттерный повторитель на триг-
гер Шмитта. Второй терморезистор /Дд компенсирует изменения в
схеме, вызываемые колебаниями температуры окружающей среды.
59
Каждая из приведенных н;
вать дополнительного выхс
подключается более мощно
водимой к нагревателю.
может потребо-
каскада, если
i мощности,
Рис. 4.17. Схема регулирования чув-
гтвительиости с генератором на ос-
нове моста Вина, включенного на
выходе триггера Шмитта
Рис 4.18 Схема включения и вы-
ключения (при достижении задан-
ной температуры) с операционным
усилителем н триггером Шмитта
До сравнительно недавнего времени большинство регуляторов
температуры конструировалось и собиралось из дискретный ком-
понентов. Растущая доступность линейных интегральных микро-
схем и их низкая стоимость изменили этот подход, и поэтому
большинство современных промышленных регуляторов темпера-
Нагрузка
туры создается на основе стандартизованных операционных уси-
лителей.
На рис. 4.18 показана современная схема с триггером Шмитта
[33], аналогичная схеме на рис. 4.16. Здесь транзисторы 1\ и Ti
и стабилитроны Д[ и Д2 заме-
нены операционным усилите-
лем типа 741, что обеспечивает
поддержание температуры
100° С с точностью порядка
±0,1° С; при этом термочувст-
вительным элементом служит
бусинковый остеклованный
терморезистор с большим до-
пуском.
Пропорциональный регуля-
тор температуры можно соз-
г, А п	дать с помощью интегральной
Рис. 4.19. Простая схема пропорцио- *	'
нального регулирования температуры	с	микросхемы,	осуществляющей
терморезисторным датчиком	коммутацию	при нулевом нап-
ряжении, и	терморезистора в
качестве чувствительного	элемента.	На рис. 4.19	приведена схема
пропорционального регулятора, на выходе которого включен тири-
стор или двунаправленный триодный тиристор.
60
гуермокомпенсация
Многие электронные компоненты (транзисторы, операционные
илители и др.) и обмотки катушек (отклоняющих катушек
чПТ тахометров, механизмов измерительных приборов и т. п.) об-
дают температурной чувствительностью и требуют температур-
ой компенсации для обеспечения стабильности эксплуатационных
апактеристик устройств, в которых они находятся, независимо от
изменений как локальной температуры, так и температуры окру-
жа1ощей среды. В телевизионных приемниках и ЭВМ, имеющих
высокую плотность монтажа, температура внутри корпуса часто
достигает 70° С, что может привести к неприемлемому изменению
рабочих условий.
Термокомпенсацию полупроводниковых приборов, подобных
транзисторам, легче всего осуществлять с помощью кремниевых
терморезисторов, имеющих положительный ТКС; примеры приме-
нения этого метода рассматриваются в гл. 9. Более высокая стои-
мость таких приборов часто препятствует их применению там,
где стоимость является важным фактором, и поэтому их часто за-
меняют более дешевыми терморезисторами с отрицательным ТКС.
На рис. 4.20 и 4.21 приведены два примера выполнения термо-
компенсации транзисторных схем. В схеме на рис. 4 20 термоком-
пенсацию транзисторного усилителя осуществляют включением
терморезистора с отрицательным ТКС в цепь смещения базы. В
схеме на рис. 4.21 тот же метод использован для термокомпенса-
ции транзисторного двухтактного усилителя класса В ’[34]. В схе-
ме на рис. 4.17 термокомпенсацию колебаний окружающей тем-
пературы осуществляют включением второго терморезистора /?т2-
Рис. 4 20 Стабилизация
температуры транзистор-
ного усилителя с помо-
щью терморезистора,
включенного в цепь
базы
Рис. 4 21. Температур-
ная компенсация тран-
зисторного усилителя
класса В
В [35] для термокомпенсации операционного усилителя, рабо-
ающего в инверсном режиме, предложено заменить постоянный
Резистор Rf (рис. 4.22) простой цепочкой из последовательно со-
чиненных резистора и терморезистора, что обеспечивает требуе-
е со°тношение между коэффициентом усиления и температурой.
61
Скомпенсировав изменение частоты, вызываемое разогревом обт>,
емкого резонатора, включением терморезистора в цепь смещеНй5Г
удалось снизить время стабилизации генератора на диоде Гацца‘
с 40 до 4 мин (рис. 4.23) ([36]. Дрейф частоты, обусловленный
менениями температуры, также уменьшился от —0,8 „
—0,03МГц/°С; одновременно удалось полностью стабилизирован
выходную мощность после периода разогрева.
Рис. 4.22. Схема операци-
онного усилителя, работа-
ющего в инверсном ре-
жиме
Рис. 4 23. Терморезисторная
стабилизация генератора на
диоде Ганна с частотой 8 ГГц
Терморезисторы играют важную роль в компенсации измене-
ния сопротивления катушек кадровой развертки большинства чер-
но-белых и некоторых цветных телевизоров. Эти катушки изготов-
ляют из меди с положительным ТКС, приблизительно равным
0,4%/°C при 20° С, причем сопротивление катушек будет актив-
ным по отношению к пилообразному напряжению генератора кад-
ровой развертки с частотой 50 Гц. Изменение сопротивления ка-
тушки вследствие изменения температуры внутри корпуса приво-
дит к изменению среднеквадратического значения тока, протекаю-
щего в катушке, что в свою очередь ведет к изменению отклоне-
ния электронного луча и к изменению размера кадра по вертика;
ли. Обычное изменение температуры от 20 до 70° С после включу
ния ведет к 15%-ному изменению размера по вертикали, что соч
ставляет 4,6 см при размере экрана кинескопа по диагонали 48 сМ.
Термокомпенсацию в этом случае можно осуществить [37] вклКЬ
чением низкоомного дискового терморезистора с отрицательны^
ТКС последовательно с отклоняющей катушкой, как показано НД
рис. 4.24. Подобрав подходящий терморезистор, можно добиться
почти незаметного для глаза изменения высоты кадра (3%) пре
изменении температуры от 20 до 70° С.
Более полная термокомпенсация высокоомных катушек может
быть достигнута последовательным подключением к ним параЛ*
лельно соединенных резистора и терморезистора, как показано а
рис. 4.25. Сопротивление терморезистора можно ^рассчитать по Щ
вестным параметрам катушки и терморезистора или определить]
помощью графического метода Беннета [38].	-
Другим примером термокомпенсации посредством терморезис-
торов с отрицательным ТКС является их применение в измерите-
62
индуктивности и ваттметрах [39], а.также в иерезистивных
лЯХчиКах, таких как полярографические электроды с мембранны-
ми покрытиями [35].
Температура, °C
Рис. 4.24. Температур-	Рис. 4.25. Температур-
ная компенсация низко-	ная компенсация высо-
омной отклоняющей ка-	коомной отклоняющей
тушки с помощью тер-	катушки с помощью
морезнстора	терморезистора, шунти-
рованного постоянным
резистором
Глава 5
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
ПРЯМОГО ПОДОГРЕВА С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
ТКС
Применение терморезисторов прямого подогрева с отрицатель-
ным ТКС делится на две большие области. Первая основывается
на специфике вольт-амперной характеристики терморезистора, и
ее можно подразделять в зависимости от воздействия на терморе-
зистор. Первая группа охватывает применения в вакуумметрах,
анемометрах, индикаторах уровня и измерителях расхода жидко-
стей, газовых хроматографах и измерителях теплопроводности,
т- е. в устройствах, которые вызывают изменение коэффициента
теплового рассеяния терморезистора. Во вторую группу входят
63
устройства, основанные на электрическом воздействии, т. е.
изменении напряжения или полного сопротивления терморезист^
ра, что ведет к смещению или повороту нагрузочной прямой ai
переходной вольт-амперной характеристике: регуляторы амплиту
ды или частоты генераторов, регуляторы напряжения, ограничите
ли громкости речи и устройства расширения и сжатия спектров
частот. Третья группа устройств основана на тепловом возденет
вии, когда рабочая точка смещается в результате изменения ощ
ружающей температуры; сюда относятся регуляторы и сигнализа^
торы температуры.
Вторая область применения терморезисторов прямого подогре
ва основана прежде всего на использовании временной зависимо
сти их тока. Сюда относятся устройства временной задержки, по
давления выбросов и защиты от перегрузок.
5.1.	Применения, основанные на изменении коэффициента
рассеяния
Если терморезистор разогревается под действием протекающе
го через него тока, то его температура становится выше темпера-
туры окружающей среды и выделяющееся тепло рассеивается 1
эту среду. Так как разность температур между прибором и окру
жающей средой невелика и в реальных условиях обычно йе прев^
шает 100° С, то отвод тепла осуществляется прежде всего за сче
теплопроводности и (в незначительной степени) за счет конвекци]
в окружающую среду.	;
Чаще всего терморезисторы окружены жидкой или газообра^
ной средой. Теплообмен между твердым телом и окружающей ег
газообразной или жидкой средой происходит в результате стол!
новений свободных частиц среды с телом. Скорость, с которой т!
ло, нагретое до температуры выше окружающей среды, отдае
тепло, зависит от плотности этих частиц и от того, стационарн!
эта среда или подвижна. В последнем случае частота соударений
выше и интенсивность теплообмена возрастает.	!
Теплопроводность газообразной среды линейно возрастает пр!
изменении давления от вакуума примерно до 10-2 кПа, т. е. в об»
ласти молекулярного истечения. С дальнейшим повышением да®
ления теплопроводность перестает зависеть от давления, так ка!
вероятность столкновения молекул становится значительно выше
Теплопроводность среды изменяется также с ее температурой, J
естественная конвекция в среде зависит от разности температур
тела и окружающей среды. Следовательно, тепло, рассеиваемое
терморезистором прямого подогрева, будет слабо зависеть от Гокр
и от Т—Т01!Р.
Уравнение мгновенного теплопереноса для терморезисторо!
прямого подогрева имеет следующий вид:
^ = Р = (/7=7<(Т-Токр)+С^,	(5.1)
at	at
64
n^dHfdt — скорость нагревания терморезистора за счет пода-
гр6 га него напряжения U и протекания тока /; С — теплоемкость
ЧЙ морезистора; I— мгновенное время и К— коэффициент рассел-
ся терморезистора.
н Когда теплота, подводимая к терморезистору, равна теплоте,
даваемой им в окружающую среду (т. е. при тепловом равнове-
сии), dTldt=-Q и уравнение (5.1) упрощается:
Р = /<(Г-Токр).
(5.2)
Если в окружающей среде происходит какое-либо изменение,
результате которого коэффициент рассеяния изменяется от К\
д0 Кг, то в этом случае происходит временное нарушение тепло-
вого равновесия, которое продолжается до тех пор, пока не уста-
новится новый стационарный режим. В результате статическая
вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 5.1, смещает-
ся из положения, обозначенного сплошной линией, в положение,
обозначенное штриховой линией. Такое смещение характеристики
может вызываться изменением скорости потока, давления или
природы окружающей среды. Бусин-
ковые терморезисторы обладают
чувствительностью к изменению ука-
занных факторов, и это определяет
их преимущества при использовании
в анемометрах, жидкостных расхо-
домерах, вакуумметрах, газовых g
хроматографах и уровнемерах. s ’°
Од
Рис. 5.1. Вольт-амперные характеристи- §
кн терморезистора с отрицательным ТКС
при использовании коэффициента рассея-
ния в качестве параметра. Окружающая _____________ м/_______________
температура н температура элемента схе-	1,0
мы фиксированы и K.2>Ki	'	Ток, мА
Измерение скорости потока жидкостей и газов. Выше отмеча-
лось, что коэффициент рассеяния К терморезистора зависит от
термодинамических свойств жидкости и ее скорости v относитель-
но терморезистора. В данной жидкости коэффициент К связан с ее
скоростью. Для нахождения этой взаимосвязи перепишем урав-
нение стационарного теплопереноса (5.2) в следующей фоддое:
7’ = 7’окР+—	(5.3)
где Т~ температура терморезистора прямого подогрева.
Согласно уравнению (3.7) для постоянной В материала термо-
резистора можно написать
D__ Т’ТокР Rokp	'Г2 -r,	, v
~ окр • (5-4>
3- 78	0КР
65
Полученное выражение преобразовывается к виду
_ аокр 7рКр__________
аОКР 7"окр in (R/Row?)
(5 5)
Приравняв правые части уравнений (5 3) и (5.5) друг другу а
сделав перестановку, получаем
К(0
 Р ( аОКР ^ОКЧ
Дир \ 1п(/?/^окр)
1
(5.61
Это уравнение дает зависимость коэффициента рассеяния /( 0
скорости потока жидкости V, выраженную через легко измеряемы
переменные величины.
В [1] снимались вольт-амперные характеристики бусинковы
терморезисторов в воздухе и в воде при 26° С и различных скорей
стях потока. Терморезистор закрепляли на лопатке турбины, вра^
щавшейся в сосуде Дьюара с >ис|
следуемой средой. В получаемы!
результаты вносились поправки
на вихревое движение (завихре!
ния). Результаты эксперимента)
для воды приведены на рис. 5.2/
Рис. 5 2. Вольт-амперные характе-
ристики бусинкового терморезисто-
ра Скорость воды, см/с, взята в ка-
честве параметра [1]
Обнаружено, что коэффициент рассеяния при высоких скоростях
потока стремится к асимптотическому значению, которое на 18%
превышает значение K(Q) в неподвижной среде, причем зависи-
мость коэффициента рассеяния терморезистора от скорости пото-
ка описывается следующим эмпирическим выражением:
7((у)=/<(0) + а(1-е-ьД,	(5.7)
где 7((0)+а — предельное значение коэффициента Л/ при больших
скоростях и b — (1/а) (dK/dv)v=0.
На рис. 5.3 построена расчетная зависимость для воды при
значениях коэффициентов а = 0,88 мВт/K и 6 = 0,41 с/см, которая
достаточно точно совпадает с экспериментальной. Хорошее соот-
Относительная скорость жидкости, cm'/i
Рис 5.3. Зависимость коэффициента
рассеивания К бусинкового термо-
резистора от скорости воды V. Кри-
вая строилась по формуле К(и)в
=К(0) 4-0,88 [1—ехр (0,41 v)J: кру-
жками обозначены эксперимен-
тальные значения [1]
<66
Sr = —
С/ d?0№
(5.9)1
е расчетных и экспериментальных характеристик получает-
ВеТи для воздуха, «о в этом случае а = 0,82 мВт/K и Ь = 0,19 с/см.
2? г JI отмечалось, что отношение коэффициентов рассеяния К(0)
воде и воздухе равно 5 и свидетельствует о высокой чувстви-
Вельности терморезистора прямого подогрева с отрицательным
ТКС как индикатора уровня жидкости.
Помимо чувствительности к изменению скорости потока жидко-
сти терморезйстор обладает также чувствительностью к изменению
температуры жидкости. В режиме фиксированного тока чувстви-
тельности терморезистора по напряжению к температуре жидкости
(St) и скорости потока (Sv) определяются выражениями [1]:
dU ~ -----------!------- ;	(5.8)
Т2 1 + (BP/RT2)	*
s = 1	STP dK
v U dv	dv
При небольших токах подогрева чувствительность терморезис-
тора к изменениям температуры велика и приближается к значе-
нию а, когда ток стремится к нулю, тогда как чувствительность
к изменению скорости потока мала и стремится к нулю, когда ток.
стремится к нулю. Если ток подогрева увеличивается, то Sr мо-
нотонно снижается и стремится к пределу:
с ~ 1 _ К
т~ т Р + кт0№ ’
тогда как Sv растет с током до своего предельного значения:
о t W
О© Л/------
К dv
При всех условиях отношение чувствительностей по напряже-
нию
(5 10)
(5.11)
(5.12>
$т\ К2 dv
Другим режимом работы терморезисторов является режим 'по-
стоянной температуры, когда скорость потока определяется по из-
менению тока, протекающего через терморезистор. Перепишем'
Уравнение (5.3) в следующем виде:
K(v)(T-T0J(p)=P = FR,	(5.13)
гДе— сопротивление терморезистора, равное 7?окрехр В (1/Т —
' 1/ * овр) .
После соответствующего преобразования получаем
К (V) (Т—Токр) = Р R0KP ехр В (ЦТ-1 /Токр)
(5.14)
Или
Z2 Яокр ехр В (1/Т- 1/Т0КР) - К (v) (Т-Токр) = 0.
(5.15)
67
3’
При постоянной температуре чувствительности терморезистора
по току к температуре жидкости (/т) и скорости потока (Iv) опре.
деляются из выражений:
г _ 1 di _	1
Т~ I dT0№ 2(Т-Токр):	(5Л6)
1 di _ 1 dK
I dv 2 К dv
(5.17)
Отсюда отношение чувствительностей по току
Л, _7-7окр dK_ Р dK	10;
К dv К2 dv	( • )
Таким образом, отношение чувствительностей при постоянной
температуре равно отношению чувствительностей при постоянном
токе для любых режимов работы.
При небольших мощностях рассеяния чувствительность термо-
резистора в режиме постоянной температуры к скорости и темпе-
ратуре потока выше, чем в режиме постоянного тока. Если мощ-
ность рассеяния велика, то режим постоянного тока обеспечивает
максимальную чувствительность.
В [2] описано устройство, в котором терморезистор может ра-
ботать в режиме постоянного тока или в режиме постоянной тем-
пературы. При этом ни ток, ни температура не оставались постоян-
ными и бусинковый терморезистор включался в одно из плеч нор,
мального моста Уитстона, а напряжение разбаланса служило ме-
рой скорости потока. Ламинарный поток метанола и четыреххло-
ристого углерода с постоянной температурой 0°С пропускали че-
рез трубку из стекла пикерс диаметром 16 мм; градуировку произ-
водили путем замера времени, за которое через трубку проходил
известный объем жидкости.
* ।
Скорость потока жидкости, см/с
Рис. 5.4. Типовая калибровочная
кривая бусинкового терморезисто-
ра, построенная как зависимость
напряжения разбаланса моста 01
скорости потока жидкости. Средой
служит ССЦ при 0°С
Вначале измерительный мост балансировался в неподвижной
жидкости, а затем создавался поток со скоростью v и измерялось
напряжение разбаланса моста. На рис. 5.4 приведена калибровой-;
ная кривая для четыреххлористого углерода CCU, полученная с)
помощью терморезистора с мощностью прямого подогрева 16,6 мВт;
(при п = 0). Наклон линейного участка зависимости при неболы’
ших скоростях потока составлял 0,345 В/см/с. Было обнаружено,
что при мощности терморезистора более 6 мВт функция МО
нотонно возрастает [1] и значения К при данном значении v прак-
«68
п не зависят от мощности подогрева. Однако при мощности
тиче мВт функция К (у) перестает быть монотонной и резко
меНрастает при малых изменениях скорости.
b03|j rg_6] рассматриваются практические аспекты применения
пморезисторов для измерения скоростей потоков жидкостей и га-
Тов На рис. 5.5 показан расходомер с бусинковым терморезисто-
3 м Г71, который является типичным лабораторным прибором,
предназначенным для измерения скорости потока воздуха в диа-
пазоне 2—600 см/с и скорости воды в интервале 0,02—6 см/с с по-
грешностью ще более ±3%. Недостатком это-
го расходомера является ‘необходимость поме-
щения его .в термостатированную ванну для
сохранения точности его показаний.
Авторы [8] решили проблему изменения
температуры жидкости, используя бусинковый
терморезистор одновременно как датчик тем-
пературы и скорости ‘и внося поправки в по-
казания датчика ‘скорости на изменения тем-
пературы окружающей среды.
Рис. 5 5. Терморезисторный расходомер для жидкостей
и газов [7]:
1 — соединитель, 2 — электрический кабель; 3 — стеклянная проб-
ка; 4 — чровснь в термостатированной ванне, 5 — держатель
трубки, 6— бусинковый терморезисгор, 7— стеклянная измери-
тельная трубка, 8 — стабилизатор температуры
0,4 м
s
7
Более простое решение предложено в [9]. Оно основано на ис-
пользовании согласованных терморезисторов для температурной
компенсации в смежных плечах измерительного моста Уитстона.
Первоначально, во избежание саморазогрева компенсирующего
терморезистора, для компенсации применяли матрицу из 4X4 по-
следовательно-параллельно соединенных терморезисторов. Хотя
этот способ обеспечивал приемлемую термокомпенсацию при изме-
нении температуры на 10° С, было установлено, что простой изме-
рительный мост не позволяет получить стабильное выходное напря-
жение при данной скорости, особенно если она низкая. Эта погреш-
ность вызывается колебаниями тока прямого подогрева терморе-
зистора, являющегося датчиком скорости потока, и может быть ус-
транена лишь применением терморезистора косвенного подогрева,
снабженного соответствующей обмоткой. От этих недостатков сво-
боден расходомер с одним согласованным терморезистором, вклю-
ченным в оконечную измерительную цепь для температурной ком-
пенсации (рис. 5.6). С его помощью измеряли скорость потока во-
ды в интервале 0,1—100 см/с с погрешностью не более ±5% при
изменении ее температуры на 10° С.
На, рис. 5.7 приведена более современная схема, содержащая
второй терморезистор для термокомпенсации [10]. Она применя-
лась для измерения скорости воздуха в интервале 0—500 см/с с
ысокой чувствительностью при скоростях ниже 80 см/с и в качест-
69
ве чувствительного элемента снабжена бусинковым терморезистор
ром, работающим в режиме постоянной температуры.
В некоторых случаях терморезисторы прямого подогрева ис-
пользуют только для обнаружения движения воздуха без измере-
ния его скорости. Например, такие устройства используются для
Рис. 5 6
Стабилизированное
напряжение ->ЗОВ
постоянного тона.
Рис. 5.7
Рис. 5 6. Мостовая схема с автоматической компенсацией температуры на тер-
морезисторе косвенного подогрева:
Н — нагреватель, йт1 = йт2=10 кОм при 25°С; В, = 10 кОм, В2=20 кОм
Рис. 5.7. Схема измерения скорости воздуха [10]
обнаружения прекращения движений или дыхания у преждевре-
менно родившихся детей. Ребенка помещают на надувной матрац
с ячеистой структурой, и каждую ячейку соединяют с центральным
трубопроводом, содержащим терморезистор прямого подогрева.
Движения ребенка (в том числе и вызываемые дыханием) приво-
дят к переходу воздуха из одной ячейки в другую и его перемеще-
нию относительно терморезистора. Любое прекращение этих сла-
бых воздушных потоков воспринимается терморезистором и прояв-
ляется как изменение его сопротивления, которое через цепь вре-.
менной задержки заставляет срабатывать блок аварийной сигна-
лизации, оповещающей медицинский персонал о необходимости ус-
транения неблагоприятных условий для ребенка.
Аналогичный принцип был использован для контроля артери-
ального пульса в пальце, чтобы определить частоту биения серд-
ца или (при использовании специальной надувной манжеты) изме-
рить кровяное давление [11]. Воздушная линия через узкую труб-
ку, содержащую терморезистор косвенного подогрева, надувает об-
резиненную манжету, окружающую палец. Движение воздуха &
манжете под действием артериального пульса вызывает флуктуа-
ции сопротивления терморезистора. Изменения напряжения на тер-
морезисторе поступают в усилитель, а затем в прибор, регистриру-
ющий мгновенное давление крови пациента. Известны и другие
случаи применения терморезисторов в медицине, в том числе ДЛ5Е
70
мерения тока крови в головном мозге {12], в сердце [13] и глав-
ных артериях [13].
Измерение и регулирование уровня жидкости. В промышлен-
производстве часто требуется измерять уровень жидкости в
Н°зчичных сосудах и на основе полученных сведений регулировать
Pf уровень в заданных пределах. Выходной сигнал с уровнемера
еоступает в электрическую схему, которая управляет работой на- J
coca вентиля или системы аварийных сигнализаторов. В ряде слу-
чаев', например при использовании в резервуарах для хранения
жидкости, может потребоваться только индикация уровня.
Существует пять основных методов измерения уровня жидко-
сти: визуальный, поплавковый, зондовый (контактный), радиаци-
онный и манометрический. Электрические или электронные датчи-
ки относятся к категории контактных, и их работа основана на та-
ких явлениях, как электрическое сопротивление, емкость, ультра-
звук, радиоактивность, давление и теплопроводность. Функциони-
рование терморезисторных уровнемеров основано на разности теп-
лопроводностей жидкости и воздуха или паров над жидкостью. В
большинстве случаев терморезисторные уровнемеры используют
для контроля наличия или отсутствия жидкости на определенном
уровне. Часто для контроля нижнего и верхнего уровней жидкости
в резервуарах используют два терморезистора. К жидкостям, уров-
ни которых успешно измерялись с помощью терморезисторов, отно-
сятся углеводороды, хладагенты и другие сжиженные газы.
Левин [14] показал, что проблемы, связанные с изменением
сопротивления и ТКС угольных резисторов, работающих в жидком
гелии, можно устранить применением остеклованных бусинковых
терморезисторов для контроля уровня. Терморезистор обматывался
манганиновой проволокой, которая служила нагревателем и рас-
сеивала мощность 5 Вт. Когда терморезистор и нагреватель нахо-
дились только в парах гелия, температура терморезистора повыша-
лась от 4 К до комнатной менее чем за 2 с, тогда как в жидком ге-
лии его температура заметно не изменялась. Разность сопротивле-
ний терморезистора при комнатной температуре (2-Ю3 Ом) и тем-
пературе жидкого гелия (более 109 Ом) можно использовать для
коммутации схемы, управляющей системой транспортировки гелия,
или для включения индикаторной лампы уровня.
Саломаа [15] также применил терморезисторы прямого подо-
грева с отрицательным ТКС в автоматических системах перекачки
f?l^Koro азота для ускорителей частиц. Имеются также сведения
Но] об использовании терморезисторов прямого подогрева для ин-
дикации уровня жидкого фреона в резервуарах. В [17] описано
применение множества терморезисторов с отрицательным ТКС,
Расположенных в различных точках, которые включают измери-
к льные приборы или контрольные лампы для ступенчатой инди«
ппи уровней углеводородного топлива в резервуарах.
Ва ростейшим уровнемером с терморезистором прямого подогре-
торо°ТРИЦа1ельным ТКС является делитель напряжения, схема ко-
Р го приведена на рис. 5.8. Два значения коэффициента рассе-
71
яния Кх и Кг соответствуют погружению терморезистора в жцд
кость и воздух. Согласно рис. 5.9 две рабочие точки определяют^
по пересечению вольт-амперных характеристик с нагрузочной при
мой для постоянного резистора Ri и соответствуют выходным
пряжениям Ui и Ъ'г. Эти две точки представляют собой статический
Рис. 5.8. Базовая
схема делителя
напряжения
Рис. 5.9. Статические вольт-ампер-
ные характеристики делителя напря-
жения для терморезистора, находя-
щегося в воздухе (7<i) и в во-
де (К2)
рабочие точки терморезистора на воздухе и в жидкости при опре
деленной температуре, и разность напряжений LK— U2 использу-
ют для определения наличия или отсутствия жидкости вокруг тер'
морезистора. При изменении температуры окружающей среды на-
пряжения Ui и U2 также изменяются и дают две линии на харак-
теристике напряжение — температура. На рис. 5.10 дан пример та-
кой зависимости для 'бусинкового терморезистора, работающего
нефти. Видно, что в диапазоне от —40 до +70° С существует об-i
ласть перекрытия напряжения, в которой схема не в состоянии од1
нозначно определить, окружена бусинка нефтью или нет. Наличие!
Температура, °C
Рис. 5.10. Температурная зависимость
напряжения для терморезистора в ка-
честве уровнемера в нефтеналивном
резервуаре:
1 — в масле; 2 — перекрытие; 3 — в непод-
вижном воздухе
Рис. 5.11. Базовая схема из-
мерения уровня жидкости с.
температурной компенсацией

72
„ б части перекрытия ограничивает температурный диапазон, в
эТ°Й ом простой делитель напряжения можно использовать без
температурной компенсации.
Т Рисунок 5.11 иллюстрирует применение одного из методов тем-
атурной компенсации. Эта схема содержит два терморезистора:
послужит для измерения уровня, a Rc — Для температурной ком-
пенсации, причем оба терморезистора расположены на одном уров-
пе в резервуаре для жидкости. Они включены в делители напряже-
и® включенные в свою очередь в цепи смещения баз транзистор-
й’схемы фазоинвертора с эмиттерной связью. Эта схема работа-
ет таким образом, что, когда оба терморезистора находятся в не-
подвижном воздухе, транзистор Г6 отперт, а транзистор Т7 заперт.
Когда терморезистор погружают в жидкость, транзистор Т& запи-
рается, а Т7 отпирается и изменение напряжения на резисторе
используется для включения схемы уровнемера. Но проблема со-
стоит в том, что сразу после включения схемы сопротивление тер-
морезистора велико, и только в результате разогрева он переходит
в низкоомное рабочее состояние. Однако высокое сопротивление
терморезистора соответствует его погружению в жидкость, и по-
этому он будет выдавать ложный сигнал, если на самом деле в мо-
мент включения схемы окружен воздухом.
Чтобы устранить эту опасность, время подогрева терморезисто-
ра было снижено за счет использования схемы питания постоян-
ным током, схемы задержки тока и триггерной схемы, чтобы задер-
жать срабатывание схемы индикатора до достижения обоими тер-
морезисторами их нормального рабочего состояния. Усовершенст-
вованная схема индикатора уровня приведена на рис. 5.12. Она да-
ет надежные показания в диапазоне температур —40-Ь+70° С при
использовании остеклованного бусинкового терморезистора сопро-
5 12. Полная схема измерения и индикации уровня жидкости
73
тивлением 1 кОм при температуре 20° С и имеет рабочее время за
держки 40 с после включения.
Измерение давления. При давлении выше 1 кПа вязкость и те^
лопроводность газов не зависят от давления. При давлении ниас
1 кПа средняя длина свободного пробега молекул газа становитс
соизмеримой с размерами сосуда, в котором находится газ, и тед
лопроводность начинает зависеть от давления. Кнудсен [18] покг
зал, что в этой области молекулярного истечения газ, находящийс
под давлением р при температуре Ть будет проводить тепло q
твердого тела, имеющего площадь поверхности 3 и нагретого д«
температуры Т2, со скоростью, определяемой уравнением
Qlt^pSiT^-T^T^!^	(5.19J
где (3 — коэффициент, зависящий от природы газа.
Уравнение (5.19), определяющее теплопроводность газов, лежи1
в основе конструирования всех резистивных манометров, в которых
изменение температуры АТ, вызываемое изменением давления Ар]
определяется измеряемым изменением сопротивления А/? нагрето?
го объекта. На этом принципе построен хорошо известный мано?
метр Пирани, в котором используется изменение сопротивлений
нагретой металлической нити при изменении давления. Так ка^
ТКС терморезисторов на порядок больше, чем у металлический
нитей, то их возможности в отношении измерения вакуума из]
вестны уже достаточно давно.	]
Несколько терморезисторных вакуумметров описано в |[20—26] j
В большинстве этих приборов использованы бусинковые терморе]
зисторы, установленные в запаянном конце стеклянной трубки]
открытый конец которой соединяют с вакуумной системой. Термо]
Рис. 5.13 Мосто- Рис. 5.14. Типовая калибровочная
вая схема нзме-	кривая терморезисторного маномег-
рення давления	ра
резистор включают в одно плечо стандартного моста Уитстона, как
показано на рис. 5.13. Такие вакуумметры эффективно работают в-
диапазоне давлений от 10~4 до 0,2 кПа, и их градуировочная ха-
рактеристика аналогична приведенной на рис. 5.14.
74
„ Г271 описано несколько принципиальных «методик проектиро-
я вакуумметров, которые позволяют получить высокую чувст-
ваНйпьность в широком диапазоне давлений. Для увеличения быст-
БйТействия терморезистор должен иметь большое отношение пло-
РоДаи поверхности к массе, а его крепежные детали должны иметь
теплопроводность. Высокоомные терморезисторы обладают
большей чувствительностью к изменению давления, так как у них
более высокий ТКС, но это преимущество часто ослабляется их бо-
лее высокой чувствительностью к изменению температуры окружа-
ющей среды. Влияние температуры можно устранить помещением
терморезистора в водяную рубашку с постоянной температурой.
При этом схемные элементы измерительного моста также термо-
статируют, чтобы понизить чувствительность схемы к флуктуациям
окружающей температуры. Температура в водяной рубашке была
выбрана равной 33° С, ибо это значение является компромиссным
по отношению к удобству регулирования температуры и к чувстви-
тельности терморезистора. Остеклованные бусинковые терморезис-
торы используют для минимизации долговременного дрейфа пара-
метров терморезистора. Калибровка в течение 16 мес с последую-
щими разборкой и отгрузкой дала максимальное отклонение ±1%
в интервале давлений Юн-1 кПа. Кратковременная повторяемость
показаний в том же интервале давлений не превышала ±0,2%.
Авторы работы [28] подтвердили, что колебания температуры
стенки стеклянной трубки, в которой находится терморезистор,
сильно влияют на изменение чувствительности вакуумметра, осо-
бенно если для ее повышения температуру стенки понижают до
0° С. Они также установили, что чувствительность вакуумметра за-
висит от природы исследуемого газа. Для целого ряда газов была
установлена линейная зависимость чувствительности вакуумметра
от параметра а/ЛЮ2(у+1) (у—1) (рис. 5.1'5), где а — коэффициент
тепловой аккомодации газа; М — молекулярная масса газа; у — от-
ношение удельных теплоемкостей CvfCv. Коэффициент тепловой
аккомодации
a^T-TJ/tTs-Ti),	(-5.20)
где Тг — температура молекул газа, соударяющихся с терморезис-
тором, поверхность которого нагрета до температуры Ts; Тг — тем-
пература молекул газа после соударения.
В [29] предложен способ повышения чувствительности вакуум-
метра, заключающийся в прикреплении малогабаритных стержне-
вых терморезисторов к тонким дискам из оловянной фольги, чтобы
увеличить эффективную площадь поверхности теплоотвода в не-
сколько сотен раз по сравнению с обычными бусинковыми термо-
резисторами, хотя теплопроводность при этом повышается всего в
Ра3- В результате принятия дополнительных мер по компенсации
лебаний окружающей температуры и стабилизации источника
Вв1ания МОста напряжением 150 В с точностью до 1 мВ за счет
д^ния дополнительных терморезисторов в манометрический
Рео разователь удавалось измерять давление до 10-7 кПа.
75
Брэдли ([20] повысил чувствительность терморезисторного
куумметра до 10 s кПа герметизацией бусинкового терморезистор
в модифицированном манометре Маклеода. В этом вакуумметр
терморезистор нормально работал в диапазоне давлений 10~<
—0,1 кПа, а при более низких давлениях остаточный газ сжимал;
ствительности терморезис-
торного вакуумметра от
газовой постоянной для
различных газов
Рис. 5.16. Типовые калибровоч-
ные кривые терморезистора в
кислороде:
А — для нормально используемого
терморезистора; В — для терморе-
зистора, окруженного порошком
в манометрическом преобразователе Маклеода до давления
10-3 кПа. Начальное давление определялось по показаниям мано-
метра с учетом коэффициента сжатия данного газа.
В [31] добились расширения пределов измеряемого давления
от 0,1 кПа до атмосферного и выше путем заполнения стеклянным
порошком пространства между бусинковым терморезистором и его
стеклянным баллоном. Эта конструкция основана на том, что за-
висимость теплопроводности газа от давления (5.19) справедлива
только тогда, когда средняя длина свободного пробега L, см, мо-
лекул газа больше одной десятой линейного размера D, см, про-
странства, занимаемого этим газом. При комнатной температуре
средняя длина свободного пробега связана с давлением р, кПа,,
соотношением
Д« g-.]9Z2- «0,1£> .	(5.21)
Р
Отсюда можно найти верхний предел измеряемого давления
р ~ 8'10~' .	(5.22)
Если размер D уменьшить до очень малых значений, как это
имеет место в пустотах между мелкими частицами стеклянного
76
,ка то согласно уравнению (5.22) верхний предел давления
П°Р тельно возрастет. На рис. 5.16 построены две эксперимен-
зНаЧЙые градуировочные характеристики терморезисторного ваку-
таЛЬ „а одна из которых относится к обычной конструкции, а
УмМгаяк конструкции со стеклянным порошком, имеющим раз-
частиц 40 мкм [34]. Применение порошка с размером частиц
ме^1 мкм позволило бы повысить верхний предел давления до
кПа, но при этом нижний предел снизился бы до приблизи-
тельно 13 кПа.
Газовая хроматография. Хроматография была открыта в 1903 г.,
когда Цвет обнаружил возможность разделения растительных
экстрактов пропусканием их через колонку с абсорбентом. Тер-
мин хроматография означает образование по-разному окрашенных
цветных полос вдоль колонки вследствие различных скоростей
диффузии разделяемых компонентов. В начале 50-х годов хрома-
тографию стали применять для разделения газов и паров, причем
в промышленности используют два метода. В газоадсорбционной
(как и в жидкостной) хроматографии абсорбентом служит твер-
дое вещество. В газожидкостной хроматографии колонку с твер-
дым абсорбентом обрабатывают жидкостью для повышения удер-
живающей способности и лучшего разделения газов. В обоих ме-
тодах анализируемый газ или пар переносится через колонку
инертным газом; различные компоненты газов или паров удержи-
ваются абсорбентом в течение различных периодов времени, и их
присутствие определяют по изменению теплопроводности на выхо-
де колонки. Время между входом газов или паров и их выходом
из колонки можно использовать для идентификации компонен-
тов, а площадь под кривой зависимости теплопроводности газа от
времени служит мерой их концентрации.
В первых хроматографах чувствительными элементами служи-
ли две нити накаливания, помещенные в специальные ячейки-
катарометры. Одну из нитей располагали на входе потока инерт-
ного газа, и она служила эталоном, а вторую помещали на вы-
ходе из колонки. Нити накаливания образовывали два плеча мо-
ста Уитстона, выходной сигнал которого подавали на самописец.
Во многих современных промышленных хроматографах детек-
торы с нитями накаливания заменены бусинковыми терморезис-
торами, главным образом благодаря их более низкой рабочей
температуре, что позволяет устранить тепловое и каталитическое
воздействие на исследуемые объекты, а также вследствие их
более высокой прочности.
В хроматографах такого типа {32] использовали только один
бусинковый терморезистор, включенный в одно плечо измери-
тельного моста. Однако эти системы были неточными из-за чув-
ствительности к изменениям скорости потока и температуры га-
аа- В современных хроматографах этот недостаток устранен за
Чет применения второго согласованного терморезистора, распо-
°Женного на входе потока инертного газа. Ячейка для измерения
плопроводности в обычном хроматографе представляет собой
7?
металлический блок, через который проходят входной и выХо
ной потоки газа. Согласованные бусинковые терморезисторы ра
полагают в поперечных отверстиях на пути каждого газовогсЛп|
тока, как показано на рис. 5.17, и включают в смежные флец
нормального моста Уитстона. Так как терморезисторы чувства
тельны к изменениям температуры и скорости газа, то оба эт
параметра нужно тщательно контролировать, чтобы цолучит
точные результаты. Наличия металлического блока вокруг rej
морезисторов обычно достаточно для устранения быстрых фл'ц
туаций температуры как в измерительном, так и в эталонно:
терморезисторах.
носитель
Рис. 5.17. Схематическое изо-
бражение ячейки для измере-
ния теплопроводности
Рис. 5.18. Схематическое изображение г;
зохроматографической установки:
1 — образец; 2 — ячейка для измерения электр|
проводности; 3 — колонка
Типичная схема газового хроматографа приведена на рис
5.18. Газ-носитель, находящийся под регулируемым давлением
пропускают через ячейку для измерения проводимости над эта]
лонным терморезистором. Анализируемый газ или пары инжек-
тируют в поток газа-носителя непосредственно перед входом в
колонку, и газы, выходящие из колонки, снова проходят через
ячейку, но уже над измерительным терморезистором.
 На рис. 5.19 приведена хроматограмма, иллюстрирующая ре-’
зультаты разделения и анализа бензола, содержащего 7-10“5%
•изопропилового спирта. Увеличив усиление усилителя или пробу
анализируемого газа, можно обнаруживать изопропиловый спирт
с концентрацией до 10-6% ,[33].
Основной причиной погрешностей или неточностей в газовой
хроматографии является дрейф нулевой линии, вызываемый: не-
точным регулированием температуры или напряжения, подавае-
мого на катарометр; шумом в выходном сигнале, создаваемым
конвективным теплопереносом от терморезистора; колебаниями ок-
ружающей температуры и скорости потока газа и флуктуациями
в источнике питания моста. Литтлвуд [34] показал, что дрейф
нулевой линии можно эффективно устранить включением посто-
78
нитеи на-
пезисторов последовательно (7?6, Rs) и параллельно (#3,
янных Р терморезисторам (Ri, Rt) (рис. 5.20). Метод расчета
Ri) явлений этих резисторов описан в 1(34] как для нитей на-
каливания, так и для терморезисторов.
Рис. 5.20. Компенсирован-
ный мост Уитстона с низ-
ким дрейфом нуля
Рис. 5.19. Хроматограмма изопропи-
лового спирта с концентрацией
7-Ю-5% в бензоле
Шум от потока газа можно снизить экранированием бусинко-
вого терморезистора никелевой сеткой {35]. Быстрые изменения
окружающей температуры исключают помещением блока детек-
тора в воздушную 1«баню», где отсутствуют конвективные потоки,
а флуктуации в источнике питания устраняют за счет проектиро-
вания схемы питания с максимальным кратковременным дрей-
фом не более 10-5%. Принципы конструирования мостовых схем:
для газовой хроматографии подробно рассмотрены в {36].
Другой причиной дрейфа нулевой линии является изменение-
сопротивления самих терморезисторов. Эти изменения особенна
ощутимы в газовых хроматографах, использующих в качестве га-
за-носителя водород, который обеспечивает высокую чувствитель-
ность. В [37] было еще раз показано, что обычные бусинковые
терморезисторы с тонким глазурованным покрытием имеют ин-
тенсивность отказов около 50% при работе в водороде. Были
проведены эксперименты с бусинковыми терморезисторами, по-
крытыми вторым слоем стекла, а также помещенными в корот-
кие тонкостенные стеклянные капилляры. Обе эти конструкции
Давали низкий процент отказа в результате проникновения во-
дорода через микропоры в стекле и воздействия на материал
терморезистора. К сожалению, терморезистор в капиллярной обо-
лочке обладал меньшей чувствительностью по сравнению с одно-
кратно остеклованной бусиной и в два раза большей постоянной
Ремени, что делало его непригодным для измерений, требующих
сокой чувствительности. Бусинковый терморезистор с двойным
егорЬ1™еу обладал 80 %-ной относительной чувствительностью, а-
постоянная времени увеличивалась лишь на 9%.
79
Помимо газовой хроматографии терморезисторные ячейки цвш
меняют для непрерывного автоматического контроля самых
нообразных агрессивных газовых смесей и, в частности, тдкиу
как гелий — азот, водород — кислород и диоксид углерода/-.
тан. В таких системах эталонный терморезистор помещаю/ в а/
мосферу соответственно чистого азота, кислорода или метана, а
измерительный терморезистор контролирует состав газовой сме-
си. Выходной сигнал разбаланса моста Уитстона пропорционален
концентрации второго газа в смеси и может использоваться как
управляющий сигнал для регулирования концентраций/газов на
стадии перемешивания.
5.2.	Применения, основанные на изменении параметров схемы
Если мы рассмотрим терморезистор с отрицательным ТКС,
соединенный с источником постоянного напряжения Е через на-
грузочный резистор Rs, то рабочая точка такой цепи будет ле-
жать на пересечении статической вольт-амперной характеристики
терморезистора и нагрузочной линии U=E—IRS. Возможны три
варианта пересечения нагрузочной линии и вольт-амперной ха-
рактеристики (рис. 5.21). В первых двух (рис. 5.21,а) пересече-
ние происходит только в одной точке А или В и они могут на-
ходиться до или после точки перегиба. В третьем варианте (рис
5.21,6) нагрузочная линия пересекает вольт-амперную характери-
стику терморезистора в трех точках А, С и В. Как и в первых
двух вариантах, точки А и В представляют собой устойчивые ра-
бочие точки, а промежуточная точка С является неустойчивой
Эта неустойчивость означает, что небольшие временные измене-
ния прикладываемого напряжения или температуры приводят И
необратимым изменениям положения рабочей точки, которая ней
С после восстановления пачаль-:
точку А или (что более вероят-
но) в точку В. Положе-
ние (рабочей точки на кри-
вой будет зависеть от ус-
ловий, которые преобла-
дают в момент включения.
возвращается в свое положение
ных условий, а перемещается в
Рис. 5.21. Пересечение нагру-
В	зочной линии со статистичес-
кими вольт-амперными харак-,
\	теристиками терморезисторов
—	с отрицательным ТКС:	i
а — в одной точке; б — в не-
скольких точках
Если начальное напряжение равно Ei (рис. 5.22), то ток тер--
морезистора будет плавно возрастать до достижения точки &
на рис. 5.22. Небольшое изменение напряжения Е\ приводит ч
небольшим смещениям рабочей точки вверх или вниз относительа
80
и д. Однако если напряжение возрастает до Е2, то рабо-
110 Т° чка переходит за точку перегиба и затем быстро переме-
чаЯ ся в устойчивую точку D. Если же напряжение вновь умень-
шаеттся до Ei, то рабочая точка перемещается в точку В. Чтобы
ша® ть рабочую точку в точку А, прикладываемое напряжение
Бе«но снизить до Ез или до напряжения, при котором нагрузоч-
H-v линия пересекает вольт-амперную характеристику терморе-
Нистора «только в одной точке. Далее терморезистор охлаждает-
3 до тех пор, пока его рабочая точка не переместится в устой-
чивую точку F, а затем вернется в точку А, когда прикладывае-
те напряжение станет равным Е).
А, когда прикладывае-
Рис 5.22. Влияние напряжения на
рабочую точку терморезистора с
отрицательным ТКС
Рис. 5.23. Схема возбуждения с
кварцевым резонатором [38]
Стабилизация амплитуды и частоты генераторов. Стабиль-
ность работы генератора определяется двумя контурами, один
из которых является резонансным и задающим частоту, а дру-
гой обеспечивает подведение энергии для поддержания колеба-
ний. Идеальным резонатором является резонансный контур с
высокой добротностью, или механический резонатор, например
кристалл (кварц), свойства которого не зависят от окружающих
условий, механических вибраций или тряски, амплитуды колеба-
ний, старения и других факторов. Идеальный задающий контур
Должен «пользоваться» стабильностью резонатора, заставляя его
генерировать со стабильными амплитудой и частотой, определяе-
мыми только самим резонатором, независимо от колебаний на-
пряжения питания, старения схемных элементов и других изме-
нений условий работы.
Мичем [38] сконструировал задающий контур с кварцевым
резонатором, включенным в одно плечо измерительного моста,
питаемого от усилителя, в который в свою очередь подают сиг-
нал разбаланса для реверсирования фазы между входом и выхо-
дом. Для возникновения колебаний необходимо, чтобы мост был
Разбалансирован, однако наличие постоянных резисторов в ос-
тальных трех плечах моста ведет к очень сильной зависимости
Раметров контура от допусков на его компоненты. Эта проб-
81
лема решается подбором терморезистора Ал с положительны
ТКС в схеме на рис. 5.23. Сразу после включения сопротивлеж?*
терморезистора ниже, чем требуется для баланса моста,
низкий коэффициент затухания ведет к быстрому нарастанию K(J
лебаний. Затем терморезистор нагревается выделяемой в/ н '
мощностью, его сопротивление увеличивается и приближается к
значению, при котором коэффициент усиления контура [ стане,
вится равным единице и амплитуда колебаний стабилизируется
Если же сопротивление терморезистора продолжает растф то сиг-
нал на входе усилителя уменьшается и даже реверсируется ц
амплитуда колебаний автоматически снижается. В контуре с фик-
сированной частотой функцию Ri выполняла маломощная лампа
накаливания с вольфрамовой нитью, ТКС которой равнялся
±0,5%/° С. В современных генераторах лампу накаливания заме-
няют терморезистором с положительным ТКС; в другом вариан-
те Ri делают постоянным, a R2 или R3 заменяют терморезисто-
ром с отрицательным ТКС.
Флеминг i[39] использовал бусинковый терморезистор с отри-
цательным ТКС в делителе напряжения цепи обратной связи
.КС-генератора с фазовым сдвигом для регулирования амплитуды
колебаний. Амплитуда колебаний изменялась не более чем на
10% во всем диапазоне частот от 0,9 до 10 000 Гц. В [40] описа-
но применение терморезистора с отрицательным ТКС для управ-
ления LC-генератором звуковой частоты. Оливер [41] изучал по-
ведение генераторов, регулируемых лампой с вольфрамовой ни-
тью накала, и обнаружил, что нелинейные искажения в синхрони-
зирующем усилителе заметно влияют на подавление колебаний
огибающей. Термин колебания огибающей относится к колебани-
ям или модуляции амплитуды колебаний вследствие возмущений,
в генераторе, например в результате перестройки частоты. Такие-
колебания опасны и должны подавляться как можно быстрее.
Позднее Тейлор <[42] изучал нестабильность амплитуды и ис-
кажения в генераторе с мостом Вина, управляемым терморезис-
тором с отрицательным ТКС, и показал, что, хотя терморезистор
и вносит большую часть нелинейных искажений в выходной сиг-
нал генератора, измеренный уровень искажений (2-10_5%) не-
возможно объяснить достигнутым уровнем подавления колеба-
ний огибающей. Согласно упрощенным теориям терморезистор
должен вносить почти 90%-ное запаздывание по фазе в управля-
ющий контур, а это привело бы к недостаточному подавлению ко-
лебаний огибающей.
Проведенные исследования [42] показали, что в действитель
ности бусинковый терморезистор вносил фазовый сдвиг значи
тельно меньше 90° и обеспечивал большой запас по фазе, и по
этому именно этот фактор, а не нелинейные искажения BHJHBaJ
подавление колебаний огибающей. Была также предложена мо
дель, объясняющая поведение терморезистора как регулятора ам
плитуды колебаний генератора.
Тепловая инерционность бусинковых терморезисторов, подо
82
ых переменным током, была использована Стоуном [43]
греваем катуШКИ индуктивности в резонансном LC-контуре.
ДЛЯ 3ом принципе был построен генератор инфразвуковых час-
На эЛр2___0,1 Гц), в котором использован терморезистор, регу-
Т°7пуемый переменным конденсатором.
И стабилизаторы напряжения, ограничители и экспандеры,
из последовательно соединенных терморезистора и посто-
вого резистора дает семейство вольт-амперных характеристик,
1НрМа которых зависит от сопротивления резистора. При очень
Талых сопротивлениях постоянного резистора вольт-амперная
Характеристика такой пары приближается к характеристике тер-
морезистора (кривая 3 на рис. 5.24), тогда как при высоком со-
противлении резистора она становится почти линейной. Подобрав
соответствующее сопротивление резистора, можно получить
вольт-амперную характеристику, показанную кривой 2 на рис.
5 24. Эта характеристика имеет довольно большой участок, на
котором напряжение почти не зависит от тока, что является не-
обходимым условием регулирования или ограничения напряже-
ния.
Если использовать еще более высокоомный резистор, то
вольт-амперная характеристика цепи будет соответствовать кри-
вой 1 на рис. 5.24. Устройство с такой характеристикой можно
назвать компрессором, так как оно «сжимает» или уменьшает,
но не ограничивает диапазона подаваемых сигналов. Как в огра-
ничителях, так и в компрессорах цепь из последовательно сое-
диненных постоянного резистора и терморезистора включают па-
раллельно нагрузочному резистору (рис. 5.25). Если U — напря-
жение на терморезисторе RT и постоянном резисторе R, Uo —
выходное напряжение, а LR, I и 7?.ч — соответственно напряжение,
ток и сопротивление на входе, тогда
12 = 12^1^-1%,.	(5.23)
Если цепочка терморезистора и постоянного резистора вклю-
чена последовательно между генератором и сопротивлением на-
грузки, то получается так называемый экспандер, в котором
U0 = U—U.	(5.24)
Рис. 5,24. Характеристики
простого терморезисторного
регулятора напряжения, ог-
раничителя и компрессора
агЛ Схема простого
раничителя напряжения
или компрессора
Гак
Рис. 5.24
Рис. 5.25
S3
Если сопротивление резистора R, включенного последователь
но с терморезистором, увеличивается, то диапазон сигнала cyjtfg
ется.
До сих пор предполагалось, что изменения положения р'аб0.
чей точки происходят медленно и статическая вольт-амперндя ха*
рактеристика воспроизводится достаточно точно. При быстро^
изменении положения рабочей точки отклонение от статйческод
вольт-амперной характеристики может быть существенным, при-
чем она идет вдоль линии омического сопротивления, которая пе-
ресекает статическую кривую, проведенную из начала координат
При таких отклонениях управляющее воздействие осуществляет-
ся через изменение сопротивления, определяемое среднеквадра-
тическим значением мощности, рассеиваемой терморезистором.
Избирательное функционирование схемы на основе изменения
частоты использовано при конструировании ограничителей гром-
кости речевых сигналов. Для этих устройств подбираются рези-
сторы с такой постоянной времени, которая ограничивает измене-
ния громкости, являющиеся слоговыми по частоте или более мед-
ленными, но реагирующие на быстрые речевые флуктуации, что-
бы избежать возникновения нелинейных искажений. Были скон-
струированы ограничители громкости такого типа >[44, 45], кото-
рые выдерживают большие изменения громкости, но при этом не
вызывают искажений формы сигнала.
5.3.	Применения, основанные на изменении окружающей
температуры
Применение терморезистора прямого подогрева вместе с по-
следовательно соединенным постоянным резистором для таких
устройств, как регуляторы и сигнализаторы превышения допусти-
мой температуры, например, в системах пожарной сигнализации
широко освещалось в литературе. Оно основано на изменении
вольт-амперных характеристик терморезисторов при изменении
температуры окружающей среды. Рисунок 5.26 иллюстрирует из-
менение типовой вольт-амперной характеристики терморезистора:
пои повышении температуры окружающей среды от Ti до Та»,
Видно, что сопротивление последовательно включенного резисто-,
ра и прикладываемое напряжение Е можно выбрать такими, что-
бы при температуре нагрузочная линия пересекала вольт-ам-
перную характеристику терморезистора в точке А, расположен-
ной чуть ниже напряжения Umax. При увеличении температуры
до Т2 напряжение Umax уменьшится и окажется ниже нагрузоч-
ной линии, в результате чего терморезистор начнет быстро разо-»
греваться и рабочая точка перейдет в другую устойчивую точку
В. Разность токов в рабочих точках А и В можно использовать
для срабатывания системы оповещения или, наоборот, размыка-
ния контактов реле в цепи управления. После срабатывания реле
или включения системы оповещения напряжение питания нужно
отключить и дать терморезистору охладиться до температуры Pi
84
же чтобы рабочая точка вернулась в точку А, когда сно-
иЛИ>.Н„Иет включено напряжение питания.
ва г емы аварийной сигнализации или управления, основанные
ом принципе, могут работать только в том случае, если тем-
На Этура будет единственным параметром, изменяющим вольт-
пеРррНуЮ характеристику терморезистора. В реальных условиях
аМпяду с повышением температуры окружающей среды на вольт-
перную характеристику теморезистора влияют и такие факто-
а“ £ак флуктуации напряжения питания, движение воздуха от-
носительно терморезистора и пр. Они могут вызвать ложное сра-
батывание аварийной сигнализации или, что более опасно, при-
вести к обратной реакции терморезистора на повышение темпе-
ратуры, следовательно, неправильному его срабатыванию при пе-
регреве.
Так как вероятность ложных срабатывании весьма велика, то
терморезисторы прямого подогрева с отрицательным ТКС обыч-
но не рекомендуют использовать в системах тепловой защиты и
сигнализации. Более надежны устройства, в которых использует-
ся изменение сопротивления терморезисторов с положительным
или отрицательным ТКС при низкой или нулевой мощности рас-
сеяния. Эти применения обсуждаются в
книги.
последующих главах
Рис 5.27. Зависимость посто-
янной времени нагревания
тн от тока
Рис- 5.26. Зависимость
вольт-амперных характери-
стик терморезистора с от-
рицательным ТКС от окру-
жающей температуры
5.4.	Применения, основанные на изменении тока во времени
Выше рассматривались случаи применения терморезисторов
рямого подогрева, основанные на влиянии условий окружающей
реды на статические или динамические вольт-амперные харак-
п Ристики. При этом мы практически не касались такого важного
раметра, как время. Время, в течение которого прибор изменя-
СВОе сопротивление (обычно от высокого до более низкого в.
85-
случае терморезисторов прямого подогрева), является одним
важнейших параметров, и его можно использовать по-разному
Основными факторами, определяющими скорость разогда
терморезистора с отрицательным ТКС, являются подводцм
мощность и его тепловая масса. К другим факторам относят
конструкция прибора, температура и состав окружающей сред
а также способ включения его в схему, причем они также вад
ют на поток тепла через прибор или в окружающую среду.
После удаления источника тепла и в определенных окружу
щих условиях нагретый терморезистор остывает с постоянной вп
мени охлаждения т (см. гл. 3). Эта постоянная зависит только]
тепловой массы и теплопроводности, которые определяют ск
рость теплоотвода от терморезистора в окружающую среду. П
стоянную времени нагревания можно найти из следующего сор
ношения:
_dC / dР
Тн—^е / dQ ’
где dC/d® — дифференциальная теплоемкость; dPidQ = K— коэ!
-фициент рассеяния.	‘
Эта величина отличается от постоянной времени охлаждения,
так как она зависит от мощности, рассеиваемой терморезисто-
ром, т. е. чем больше эта мощность, тем выше температура и
значение тн. На рис. 5.27 приведены зависимости постоянной вре-
мени нагревания от тока при различных напряжениях для остек-
лованного бусинкового терморезистора прямого подогрева. Эти
кривые построены путем измерения временных зависимостей то-
ка и напряжения и вычисления постоянной времени методом гра-
фического интегрирования.
Для осмысленного прогнозирования зависимости тока термо-
резистора от времени необходимо глубже изучить тепловые по-
токи в каждом конкретном типе терморезистора в различных ре-
альных или смоделированных рабочих условиях. Однако литера-
турные данные не позволяют сделать вывод о том, что такие ис-
следования действительно проводились. Имеющаяся информация
относится к определенному терморезистору, который использу-
ют в определенной схеме и в заданных окружающих условиях
для решения конкретных задач.
Устройства задержки. Зависимость тока терморезистора от
времени наиболее широко используется для задержки срабаты-
вания электронного устройства (часто реле) после его подклЮ
чения к источнику питания. Интервал времени задержки, обес
печиваемый схемами с терморезисторами, составляет от долей се-
кунд до примерно 1 мин. Габариты терморезисторов достаточна
малы, и время задержки можно регулировать даже после c6oq
ки устройства. Но при этом необходимо учитывать такие отриДЯ'
тельные факторы, как резко выраженная температурная чувствф
тельность терморезистора и влияние больших изменений напрЯ^
жения питания на время задержки.
86
морезисторы с отрицательным ТКС особенно удобны для
ТСения временных задержек там, где не требуется высокая
получе н0 необходимо обеспечить какую-то минимальную за-
точност , и заданных условиях. К преимуществам устройств
держку терморезисторами относится возможность работы на
',QT'eD	так как терморезистор реагиру-
Временные зависимости тока
последовательного соединения
Рис. 5 28.
реле для
бусинкового терморезистора и различных
обмоток реле
постоянном И переменном токе,
еТ только на рассеиваемую
в нем ьмощность.
Простейшим устройством
чадержки является последо-
вательное соединение обмот-
ки реле, терморезистора и
источника питания. После
включения терморезистор с
отрицательным ТКС нагре-
вается протекающим током,
его сопротивление падает, а
ток непрерывно возрастает
до значения, при котором
срабатывает реле. Ток в це-
пи увеличивается до тех
пор, пока не устанавливает-
ся равновесие между мощ-
ностью, выделяемой в тер-
морезисторе, и мощностью,
рассеиваемой в окружаю-
щую среду. Прикладывае-
мое напряжение должно
быть таким, чтобы ток тер-
морезистора никогда не пре-
вышал максимально допус-
тимого значения.
На рис. 5.28 показаны
типовые временные зависи-
мости тока [46] устройства,
состоящего из бусинкового
терморезистора и последова-
тельно включенных обмоток
Реле с сопротивлениями от 52
постоянного напряжения 6 В.
яия температуры окружающей среды от 40 до 80°C.
После срабатывания устройства терморезистор нужно охла-
дить в течение какого-то времени, чтобы восстановить его началь-
ное сопротивление для повторного срабатывания. Если этого не
делать, то интервал времени до следующего срабатывания будет
ОтНьше предыдущего. Время охлаждения зависит прежде всего
п Массы терморезистора, но оно, как правило, в несколько раз
тпо“ЫШает вРемя задержки. В телефонных реле и в других ус-
Р иствах, срабатывающих периодически, терморезистор обычно
до 255 Ом, питаемого от источника
Там же показано 'влияние измене-
87
шунтируют дополнительными контактами реле, чтобы время ег
охлаждения было максимальным. Такая схема удобна еще и тем
что в момент замыкания контактов реле шунтирование термопе'
зистора увеличивает ток в обмотке реле и тем самым повыщае'
надежность замыкания его контактов.
Чтобы избежать ограничений, связанных с временными интеп.
валами между рабочими циклами, было предложено устройство
задержки с двумя реле 1[19]. Терморезистор нагревают до низко-
омного состояния пропусканием через него относительно больщо-
го тока в течение времени, которое мало по сравнению с требуе-
мым временем задержки. Затем ток уменьшают, и терморезистор;
•охлаждается до тех пор, пока его возросшее сопротивление не
уменьшит ток настолько, что контакты реле разомкнутся. Эта
операция задержки длится большую часть требуемого временно-
го интервала. Терморезистор готов к повторному использованию
по прошествии всего временного интервала или любой его части,
В такой схеме большие изменения напряжения питания или ок-
ружающей температуры сравнительно слабо влияют на протя-
женность временного интервала.
Среди других применений терморезисторов в этой области
можно назвать цепи задержки подачи анодного напряжения на
электронные лампы до разогрева катода, цепи задержки для ус-
тройств смены грампластинок, коммутирующие устройства рек-
ламных панелей и устройства запуска маломощных электродви-
гателей [47], регуляторы мощности накала радиоламп [48] или
ламп накаливания (в частности, ламп проекционных аппаратов).
Ограничители перегрузок. Низкую скорость нагрева больших,
например стержневых, терморезисторов можно использовать для
поглощения коротких импульсов мощности, чтобы предотвратить
ложное срабатывание реле или повреждение чувствительной ая|
паратуры. Большое начальное сопротивление терморезистора?
включенного последовательно, ограничивает ток в импульсе до
допустимых значений, если длительность такого импульса не пре-
вышает времени, в течение которого сохраняется тепловая инерция
'терморезистора. Однако нормальное рабочее напряжение, подавае-
мое на терморезистор в течение достаточно длительного времени,
вызывает его разогрев и уменьшение сопротивления, вследствие
чего спустя короткий промежуток времени через него будет течь
нормальный рабочий ток. В этом случае терморезистор позволя-
ет отличить короткий паразитный сигнал от полезного сигнала
большей продолжительности, даже если напряжение в этом им-
пульсе намного больше напряжения полезного сигнала.
Каждый терморезистор имеет определенный верхний предел
во амплитуде импульса помехи (или перегрузки). Этот предел
обусловлен максимальной массой, выше которой терморезистор
может разрушиться под действием чрезмерных нестационарных
тепловых перегрузок. Указанный предел соответствует мгновен-
ной мощности порядка 500 Вт, рассеиваемой терморезистором
[49]. Теоретически этот предел можно поднять параллельным
<88
ением двух терморезисторов, но практически это трудно
включ ть из.за сложности их теплового согласования, ибо при
ОСохом согласовании почти вся нагрузка приходится на один
^Управление почт и телеграфа Великобритании широко приме-
бусинковые терморезисторы с отрицательным ТКС для ус-
пя"ия позваниваний в телефонных линиях коллективного-
Т^пьзования, где два абонента используют одну линию {50]. В
П°ниях коллективного пользования важно (из соображений сек-
ретности), чтобы сигналы (импульсы) вызова, идущие от теле-
фонного аппарата одного абонента или к этому абоненту, не
включали звонок телефонного аппарата второго абонента, поль-
зующегося той же линией. От номеронабирателя импульсы на-
пряжения передаются между одной из линий и заземленным про-
водом, но в момент начала разговора включаются обе линии
коллективного пользования. Это означает, что второй абонент та-
кой системы может снять трубку своего телефона и прослушать
разговор, если используется его линия. Чтобы
звонок телефона второго абонента не звонил,
последовательно с катушкой каждого звонка
и линией возврата тока через землю вклю-
чают терморезистор (рис. 5.29).
Терморезистор в линии 2 действует как вы-
сокоомное блокирующее устройство по отно-
шению к паразитным напряжениям, возника-
ющим при наборе номера или приеме сигна-
лов вызова в линии 1, и предотвращает (вклю-
чение звонка в линии 2. Сигналы вызова в ли-
нии 1 сначала нагревают терморезистор в
этой линии до достаточно низкоомного состоя-
ния, при котором сработают звонки обоих ап-
паратов. Начальный период разогрева термо-
резистора задерживает срабатывание телефон-
ного звонка абонента, так что первые два или
три звонка не слышны. Надежная работа тер-
морезисторов в этих схемах обеспечивается их специальной про-
веркой в режиме синхронизации, который позволяет отобрать
приборы с нужными характеристиками.
Катушка
телефонного
звонка
Абонент

Абонент 2	|
Катдшка.
телефонного
звонка
Рис. 5.29. Терморе-
зисторная схема за-
держки для теле-
фонных линий кол-
лективного пользова-
ния
Глава 6
РАЗЛИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС
ии В пРеДыДущих главах были рассмотрены основные примене-
я терморезисторов с отрицательным ТКС, которые классифи-
жировались в соответствии с их температурной зависимостью со-
89
противления или вольт-амперной характеристикой. В настояще
главе описываются некоторые менее тривиальные применена
терморезисторов, наглядно иллюстрирующие универсальност
этих приборов.
6.1. Обнаружение и измерение излучения
Электромагнитное излучение поглощается материалом термо
резистора различными путями в зависимости от его длины вол
ны. В ультракоротковолновом диапазоне свободные носители за
ряда образуются в результате ионизации атомов кристаллине
ской решетки или атомов примесей: в том и другом случаях mi
имеем дело с фотопроводимостью. В инфракрасной области cnej
тра (рис. 6.1), охватывающей диапазон длин волн от 0,75 |
Длина волны, мнм
0,1	0,5 1	5 10	50 100	500 1000 5000 10000	100000
1 ГТТ I I I I I I I----------1—1----1------1---------f-
§ I «Ifoz/w Среднее	Дальнее I
* |„’1ИгН-*t*----------И	/
» |о«Л	|	/
" '11'1	излУЧение	I СВЧ излучение I
г? ЫЙ	I	/
! I____1_________|______I — I . !	I_I I
/О’510^10™ID™110з
Частота ,Гц
Рис. 6.1. Положение области ПК излучения в электромагнитном спектре
1000 мкм, поглощение определяется меж- и внутриатомным воз-
буждением. С увеличением длины волны, т. е. в микроволновой!
области спектра, поглощение осуществляется прежде всего сво-
бодными носителями заряда, которые отдают свою избыточную^
энергию решетке за счет соударений. Во всех случаях поглоще-
ние излучения ведет к повышению температуры материала тер-
морезистора и соответствующему изменению его сопротивления,
При правильном конструировании терморезистора с целый
оптимизации поглощения можно обнаруживать и измерять возбу-
ждающее излучение. Терморезисторные детекторы можно также
применять для измерения энергии частиц в пучках путем преоб-
разования кинетической энергии пучка в тепло внутри детек-
тора.
Приемники инфракрасного излучения. Инфракрасный диапа-
зон спектра достаточно велик, и его обычно разделяют на три об-
ласти:
ближняя 7 = 0,75—1,5 мкм;
промежуточная или средняя 7=1,5—7 мкм;
дальняя 7 = 7—1000 мкм.
Интервал между 300 и 1000 мкм называют субмиллиметро’
вым. Терморезисторы относятся к категории приемников инфра-
красного излучения, которые обычно называют тепловыми при-
90
емниками, так как их работа основана на нагревании падающим
излучением. Сюда же относятся: термопары и термобатареи,
пневматические приемники, в которых расширение газа вызыва-
ет прогиб диафрагмы (это может приводить к изменению осве-
щенности вспомогательного фотоэлемента, как, например, в эле-
менте Голея); термоварикапы, работа которых основана на быс-
тром изменении емкости р—n-перехода при изменении температу-
ры; пироэлектрические материалы, такие как триглицинсульфат
(ТГС), и, наконец, приемники, основанные на эффекте Нернста.
Тепловые приемники, принцип действия которых основан на из-
менении удельного сопротивления материала с температурой, на-
зываются болометрами. К ним относятся терморезисторы, прибо-
ры из сверхпроводящих материалов (таких, как нитрид нио-
бия, работающий при температуре 14,5 К), а также из некоторых
сплавов, претерпевающих фазовые превращения, сопровождае-
мые ступенчатым изменением их сопротивления.
Рабочие характеристики приемников. Работа описанных при-
емников заключается в преобразовании инфракрасного излучения
в электрический сигнал, и основным параметром этих приборов
является чувствительность, которая равна отношению электриче-
ского выходного сигнала (в вольтах или амперах) к энергии из-
лучения (в ваттах), облучающего чувствительную поверхность
приемника. Чувствительность измеряют в вольтах на ватт, если
речь идет о чувствительности по напряжению, или в амперах
на ватт, если речь идет о чувствительности по току. Излучение
может быть монохроматическим, причем длину его волны часто
подбирают так, чтобы она соответствовала максимальной чувст-
вительности, или же оно может быть излучением от абсолютно
черного тела при заданной температуре, как правило 500 К, и
тогда говорят о чувствительности к излучению абсолютно черно-
го тела. По определению чувствительность к излучению абсолют-
но черного тела будет всегда ниже максимальной чувствительнос-
ти. Частота модуляции излучения также должна быть задана, ибо
чувствительность изменяется с частотой модуляции в связи с тем,
что постоянная времени фотоэффекта имеет конечное значение.
Эквивалентная мощность шума (ЭМШ) или электрический
шум .детектора определяет минимальный уровень излучения, ко-
торый может быть им обнаружен; ЭМШ равна мощности излуче-
ния, которая создает такой же сигнал, как и собственный шум
приемника, т. е. она соответствует отношению S/N—1. Для тер-
морезисторных болометров ЭМШ обычно определяют при следу-
ющих условиях: температура излучения абсолютно черного тела
600 К, номинальная температура приемника 298 К, полоса час-
тот шума 1 Гц и частота модуляции лежит в нижней части зву-
кового или инфразвукового диапазона. Значение ЭМШ должно
задаваться при соблюдении всех этих условий.
Измерение ЭМШ, Вт •Гц-1''2, сводится к определению отноше-
на среднеквадратического напряжения сигнала к среднеквадра-
91
тическому напряжению шума детектора S/Nv в полосе частот
при известной мощности излучения W:
ЭМШ= ----------------7=^ =-----^7= =-----> (6-1 h (6.!
чувствительность • /Д f S/WA-y&f S/Nv-yAf
где А — площадь приемника излучения, см2.
Удельная обнаружительная способность D
Эквивалентная мощность шумов болометра изменяется в завися
мости от размера чувствительной площадки приемника. У пр|
емников, изготовленных по идентичной технологии, ЭМШ обыч
но пропорциональна корню квадратному из площади приемник|
Поэтому для сравнения приемников используют параметр £»
определяемый как отношение корня квадратного из площади 1
ЭМШ. Он имеет размерность см-Гщ/г/Вт. В противоположное
ЭМШ этот параметр имеет более высокие значения у высокою
чественных приемников.
Промышленные терморезисторные болометры. Терморезисто|
ный болометр состоит из двух тонких квадратных чешуек
пленок, материал которых имеет отрицательный ТКС с линейнв
ми размерами от 0,1 до 10 мм и сопротивлением от 0,1 до |
МОм. Чешуйки или пленки помещают на изоляционные подлой
ки из стекла, кварца, сапфира или окиси бериллия и монтир!
ют через охладитель на четырехштырьковом основании. К кай
дому штырьку подсоединяют выводы от обоих терморезисторов
Один терморезистор расположен в середине основания, т. 1
непосредственно под оптическим окном в колпачке, закрывающей
приборы. Второй, термокомпенсационный, терморезистор сдвищ
относительно оптического окна и тем самым экранирован от и
лучения. Оптическое окно может быть изготовлено из германц
арсенида индия, кремния, сапфира и других материалов, облад!
ющих высокой прозрачностью в ограниченном диапазоне длй
волн; при этом длину ва
ны выбирают так, что!
она соответствовала дл^
не волны измеряемого ий
дщ лучения. В некоторых бй
-/у. лометрах плоское окнЭ
3 Рис. 6.2. Конструкция ста
дартного терморезисторнОг;
болометра:
/ — активный элемент; 2 — компЦ
сирующий экранированный элеме^
3 — окно; 4 — охладитель
заменяют линзой, чтобы сфокусировать излучение и тем самЫ^
увеличить чувствительность прибора. На рис. 6.2 показана типа
вая конструкция терморезисторного болометра.
В этой конструкции болометра активный и термокомпенсацй
онный терморезисторы включают в мостовую схему, приведен
92
ную на рис. 6.3. На элементы подают равные напряжения смеще-
ния, но противоположной полярности относительно земли, чтобы
минимизировать шум и микрофонный эффект. Так как характе-
ристики обоих элементов хорошо согласованы, то их сопротивле-
ние совершенно одинаково изменяется с окружающей температу-
Рис. 6.3. Обычная схема включения терморезисторного болометра
рой. При отсутствии излучения мост сбалансирован. Поглощение
излучения вызывает увеличение температуры и, следовательно,
уменьшение сопротивления приемника, в результате чего баланс
моста нарушается. Сигнал разбаланса усиливают и подают на
индикатор или на самописец. В табл. 6.1 приведены сравнитель-
ные характеристики терморезисторных болометров и других при-
емников инфракрасного излучения [2].
Таблица 6.1
Сравнительные характеристики приемников инфракрасного излучения
Тип приемника	Рабочая тем- пература, К	D*, см - Гц'/Двт	Постоянная времени, мс	Частота прерывания (модуляции), Гц
Терморезистор	298	4,0-107	2,0	<30
Термопара	298	1,4-10»	36,0	<5
Элемент Голея	298	1,7-10»	20,0	<5
Сверхпроводящий болометр из NnN	15	5,0-10»	0,5	
Для особых случаев применения были сконструированы спе-
циальные терморезисторные болометры. Клиновидный иммерси-
онный болометр, показанный на рис. 6.4, предназначен для обна-
ружения инфракрасного излучения атмосферы в полосе поглоще-
ия СО2 (длина волны 15 мкм) с целью определения вертикаль-
°Гг> распределения температуры в атмосфере. Для устранения
93
хроматической аберрации, которая имеется в линзах обычно
формы, применялась клиновидная линза из германия. Электра
ческие контакты на чешуйках полупроводникового материал
представляют собой тонкие слои золота, которые одновременн
ограничивают площадки, определяющие чувствительность боле
метров.
Рис. 6.4	Рис. 6.5
Рис. 6.4. Конструкщ
клиновидного термор
зисторного болометра:.
/—тонкий край линзы; 2
выводы; 3 — терморезист^
4 — пластиковые прокла
ки; 5 — передняя поверхнос
линзы; 6 — клиновидная ле
за; 7 — клиновидные бло
Рис. 6.5. Конструкцв
терморезисторного ра<
диометра:
/ — ламповая панель; 2-
металлический корпус,
стеклянный купол, 4 — ng
волочный резистор
Инфракрасные терморезисторные болометры применяются
радиометрах, пирометрах и других устройствах для неразрушг
ющего автоматического контроля промышленных изделий,
спектроскопии и для автоматического управления производстве!
ными процессами '[3]. Инфракрасные приемники находят вс
большее применение для получения тепловых изображений ;
технике и медицине i[4], в частности тепловых изображений эл(
ментов или схем на экране телевизора после подачи на них ц|
пряжения. Эти приемники успешно применяются для контроля
дефектов в изделиях сталелитейной, стекольной и бумажно^
промышленности без остановки технологического процесса.
Другими примерами получения тепловых изображений явля
ются контроль электронных компонентов и интегральных микро
схем, склеенных или слоистых структур, применяемых в самол^
тостроении, и тепловой изоляции зданий. В медицине для диагнб
стики все чаще используют термографию [5, 6], т. е. температур
ное картографирование тела человека, как средство предвари
тельного исследования, позволяющее выявить участки, требующи
более тщательного изучения. Такая диагностика особенно эффеК
тивна при атеросклерозе, тромбозе, сужениях сосудов, определи
нии степени ожогов, выявлении злокачественных опухолей и по
слеоперационном контроле участков, где осуществлялась пере
садка кожи и отдельных органов.
Воздушное тепловое картографирование используется в воеИ
ном деле, сельском хозяйстве и археологии. При осуществлений
космических программ терморезисторные болометры обладаю!
определенными преимуществами перед охлаждаемыми фотопри
емниками как датчики линии горизонта для определения вертч
94
кального положения и регулирования высоты искусственных
спутников, как датчики для картографирования и измерения теп-
лообмена на Земле и для измерения излучения от других пла-
нет [7].
Измерение солнечной радиации. В тех случаях, когда термо-
резисторные болометры служат для обнаружения и измерения
инфракрасного излучения, обычно применяют оптические фильт-
ры, ограничивающие попадающее на них излучение определен-
ным диапазоном длин волн. В метеорологии достаточно изме-
рить суммарный поток солнечной радиации, приходящий на ло-
кализованную поверхность. В стационарных условиях (напри-
мер, на метеостанциях) используют специальные установки, по-
добные соляриметру Молла — Горчинского, однако для непро-
должительных исследований в отдаленных уголках планеты эти
устройства слишком дорогостоящи и громоздки. Поэтому в пор-
тативных устройствах обычно используют терморезисторы и про-
стую мостовую схему.
Для микрометеорологических исследований ледников на Баф-
финовом острове (Канада) были сконструированы два варианта
портативных терморезисторных радиометров [8]. В первом из
них, измерителе полного потока излучения, терморезистор слу-
жил термочувствительным элементом, а во втором был применен
терморезисторный болометр для измерения коротковолнового из-
лучения в полусфере. Монтаж болометра в конструкции радио-
метра, показанной на рис. 6.5, идентичен монтажу болометра
для измерения инфракрасного излучения. В ней используются
два бусинковых терморезистора, закрепленные на дисках. Один
терморезистор, окрашенный в черный цвет, установлен в середи-
не тонкостенной стеклянной полусферы и в середине алюминие-
вого экранирующего диска для приема излучения. Другой, опор-
ный терморезистор, окрашенный в белый цвет, защищен от пря-
мого излучения, по крайней мере, двумя экранами. При радио-
метрических измерениях два терморезистора образуют полумост
в простом мосте Уитстона, а при измерении температуры один
терморезистор заменяют постоянным резистором. Радиометр и
мост градуируют по соляриметру Молла — Горчинского, приме-
няя в качестве источника излучения лампу накаливания с воль-
фрамовой нитью; чувствительность прибора подчиняется закону
Ламберта. Описанный радиометр показал хорошие эксплуатаци-
онные характеристики при работе в арктических условиях в ин-
тервале температур от —19 до +0,5° С, причем нуль шкалы при-
бора оставался стабильным в течение трех лет.
Измерение микроволнового излучения. С повышением частоты
электромагнитного излучения становится все труднее точно из-
мерять ток и напряжение, что связано с увеличением погрешно-
ти вследствие того, что геометрические размеры измерительного
риоора и соединений становятся соизмеримыми с длиной волны
®лУчения. На частотах выше 1 ГГц (длина волны менее 30 см) ток
эпряжение уже не измеряют, а основными измеряемыми пара-
95
метрами становятся полное сопротивление и мощность. При мощн^
сти свыше 1 Вт обычно используют водяной калориметр ,[9] сторсй
онным ваттметром [10] в качестве вторичного прибора. При мош
ности от 10 мВт до 5 Вт можно применять точно прокалибр!
ванные аттенюаторы или направленные ответвители, позволяй
щие снижать измеряемую мощность до 1 мкВт—10 мВт. Имени
в этом диапазоне мощностей стандартными детекторами являю!
ся терморезисторы и болометры из металлической проволоки. |
Сопротивление терморезисторного болометра изменяется в pi
зультате рассеяния в нем СВЧ мощности, и поэтому изменена
его сопротивления служит прямой мерой рассеиваемой мощно^
ти. Поскольку бусинковые терморезисторы могут иметь очень нй
большие размеры по сравнению с длиной волны излучения в диа
пазоне СВЧ, то они позволяют проводить точные измерения мош
ности на чрезвычайно высоких частотах. Градуировку устройся
измерения мощности СВЧ производят с учетом эквивалентное!
измеряемой СВЧ мощности и калибровочной статической ил]
низкочастотной мощности. Однако полная эквивалентность
когда не достигается из-за различных пространственных распря
делений тока и мощности, а следовательно, и сопротивления 1
бусинковом терморезисторе на высоких и низких частотах. Пя
этому градуировку проводят на максимальной частоте, которад
может быть измерена калибровочными приборами. Некоторая
погрешность все же сохраняется из-за различия в распределен!!
ях температуры на частотах градуировки и измерения, а такжз
вследствие частичного рассеяния СВЧ мощности в корпусе тер
морезистора и через проводники.
Важным преимуществом терморезисторного болометра пере!
болометром из металлической проволоки является то, что пев
вый является частично «самопредохраняемым», т. е. его сопря
тивление при сгорании значительно ниже рабочего сопротивлн
ния, и поэтому его можно сильно перегружать, так как перегруз
ку можно наблюдать визуально и тем самым предотвратить сга
рание.
На рис. 6.6 показан вариант терморезистора, наиболее часта
применяемый для измерения мощности микроволнового (СВЧ1
излучения. На этих частотах уже нельзя пренебрегать индукти^
ностью платиновых выводов бусинкового терморезистора, и поэ;
тому его эквивалентная схема на СВЧ [11] содержит элементы]
показанные на рис. 6.7 (L и г — соответственно индуктивность i
сопротивление выводов; С и R — емкость и сопротивление бусин]
кового терморезистора; Cs — шунтирующая емкость стеклянного
корпуса, которую можно отнести к внешней цепи).
Если обозначить через р отношение мощности, рассеиваемо!
бусинковым терморезистором, к общей мощности, поглощаемо|
на частоте f, и если то
В =----------------.
'	1 + f2 С2 Иг
96
Так как г пропорционально f вследствие поверхностного
эффекта, a R и С не зависят от частоты, то
<ft4)
где д — постоянная для каждого типа бусинкового терморезис-
тора.
Рис. 6.6. Конструкция СВЧ терморезис-
тора:
1—стекло; 2—платиновая проволока; 3—бусин-
ковый терморезистор
Рис. 6.7. Эквива-
лентная схема СВЧ
терморезистора
На рис. 6.8 приведены результаты экспериментальной провер-
ки i[ll] выражения (6.4) путем построения зависимости 0 от дли-
ны волны (Х = 3-104//) и сравнения ее с показаниями энтракомет-
ра и калориметра.
Рис. 6.8. Экспериментальная провер-
ка Уравнения (6.4) [11]
Рис. 6.9. Трехсантиметровый волновод-
ный направленный ответвитель:
2с?1 = 0,595 см; d2=0,714 см; <Ц=1,12 см
Монтаж терморезистора. Чтобы использовать терморезисторы
Ддя измерения мощности на высоких частотах, необходимо сни-
зить мощность до значений, приемлемых для бусинковых термо-
резисторов, т. е. до 1 мкВт— 10 мВт. Это можно осуществить с
омощью точного аттенюатора или (что более распространено)
аправленного ответвителя. Последний представляет собой уст-
ройство, направляющее определенную небольшую долю выход-
ной мощности к монтажному приспособлению терморезисторг
Это устройство должно иметь коэффициент связи, не зависящй
от частоты в измеряемой полосе частот. Один из направленны
ответвителей 1[12], применяемый с 3-сантиметровым волноводо|
показан на рис. 6.9. Этот «многодырочный» ответвитель имея
коэффициент связи Pi/P2 несколько ниже 35 дБ, что соответс!
вует отношению мощностей примерно 3-103 с расчетной ошибку
менее 1 %.
Другим важным практическим требованием к измерению moj
ности является согласование полных сопротивлений терморезц
тора и волновода на данной частоте. Оно выполняется за сч[
применения согласующих трансформаторов; поперечные разрез
двух из них, предназначенных для работы на длине волны 3 с?
схематически показаны на рис. 6.10 ([12]. Оба монтажных пр
способления имеют в основном идентичную конструкцию, и те
морезистор находится в коротком отрезке коаксиальной линй
Рис. 6.10 Монтаж терморезистора
применением пластинчато-штырев<
(а) и «кнопочного» (б) согласуют
трансформаторов	s
/ — терморезистор, 2 — согласующий тря
форматор, 3 — шунтирующий конденсат
4 — соединение с источником постоянм
тока	J
соединенном с волноводом согласующими трансформаторами пл|
стинчато-штыревого и «кнопочного» типов. Бусинковый теря
резистор в каждом случае образует часть внутреннего провЗ
ника коаксиальной линии; его положение в линии регулируй
так, чтобы получить оптимальный КСВН во входном волновой
на длине волны 3 см. Эти монтажные приспособления преобд
зуют полное сопротивление линии от 50 Ом в точке соединен}
до 200 Ом у терморезистора. Другие типы монтажных присд
соблений для терморезисторов, предназначенных для различив
длин волн и коаксиальных систем, описаны в [13—16].	’
Болометрические схемы измерения СВЧ мощности. Простё
шим устройством измерения мощности является мост с прямь
отсчетом, в одно плечо которого включен терморезисторный б
лометр (рис. 6.11). Сопротивление бусинкового терморезистор
определяется протекающим через него током, который per
лируют резистором R\. Переменный резистор R-, сначала регул
руют так, чтобы сбалансировать мост, а затем к терморезисто]
подводится СВЧ мощность. Его нагревание приводит к разб
лансу моста, который прямо пропорционален подводимой мо!
ности, причем шкалу измерительного прибора градуируют непб
редственно в милливаттах.	'
Поскольку характеристика зависимости сопротивления боЛ
метра от прикладываемой мощности изменяется с изменений
98
температуры окружающей среды, необходимо обеспечить темпе-
ратурную компенсацию, чтобы минимизировать дрейф показаний
прибора (рис. 6.12). Это достигается с помощью дискового термо-
резистора R,, находящегося в непосредственном тепловом кон-
такте с бусинковым терморезистором Т?4, но экранированного от
СВЧ излучения. Дисковый терморезистор обычно крепят к на-
ружной стенке монтажного приспособления бусинкового терморе-
зистора для обеспечения максимального теплоотвода; оба термо-
резистора должны иметь согласованные температурные характе-
ристики сопротивления.
Рис. 6.11. Простой несимметричный	Рис. 6.12. Зависимость сопротивления
терморезисторный мост для измере-	типового бусинкового терморезистора
ния СВЧ мощности	от рассеиваемой мощности при различ-
ных окружающих температурах
Основным недостатком неуравновешенного моста является из-
менение его чувствительности и точности в зависимости от под-
водимой мощности. Это объясняется ограничением линейной за-
висимости сопротивления терморезистора от прикладываемой
мощности узким диапазоном, простирающимся примерно до 2
мВт (см. рис. 6.12). Изменение полного сопротивления в зависи-
мости от подводимой мощности ведет также к погрешности из-
за рассогласования, и часть СВЧ мощности отражается, а не по-
глощается болометром. Погрешность из-за рассогласования,
вызываемая двукратным изменением сопротивления, может до-
стигать 0,5 дБ. Поэтому вместо неуравновешенного моста в про-
мышленности предпочитают пользоваться автоматически уравно-
вешиваемым болометрическим мостом при любых измерениях
СВЧ мощности.
Принцип работы автоматически уравновешиваемого моста
Для измерения мощности можно пояснить с помощью упрощен»
”ои схемы на рис. 6.13. Предполагается, что для достижения ра-
бочего сопротивления, задаваемого параметрами схемы, мон-
тажное приспособление терморезистора должно рассеивать сум-
марную мощность 28 мВт при температуре окружающей среды,
та мощность подводится от источников постоянного тока, зву-
ковой частоты и СВЧ излучения.
99
Сначала на терморезистор подают постоянное напряжение и
напряжение звуковой частоты. При подаче постоянного напря-
жения схема автоматически уравновешивается за счет напряже-
ния звуковой частоты, доводя его до уровня, соответствующего
суммарной мощности (в данном случае до 28 мВт). Подводимая
СВЧ мощность автоматически снижает мощность на звуково^
частоте на эквивалентную величину и тем самым поддерживает
мощность постоянной. Используемый в схеме высокоомный вольт,
метр измеряет это уменьшение напряжения и дает показания,
которые прямо пропорциональны подводимой мощности.
Рис. 613. Упрощенная схема моста с автоматическим балансом для измерений
мощности
Из рис. 6.13 видно, что обратная связь между усилителем и
мостом является положительной для одной половины моста и
отрицательной для другой. Положительная обратная связь чувст-
вительна к температуре и зависит от сопротивления терморезис*
тора, а отрицательная чувствительна к частоте и достигает мини-i
мума на резонансной частоте настроенного LiCi-контура.
При включении схемы терморезистор холодный, его сопротив
ление велико и положительная обратная связь большая. Вслед;
ствие этого в схеме возникают колебания, и подводимая к тер*
морезистору мощность снижает его сопротивление до тех пор, по-
ка положительная обратная связь лишь немного будет превы-
шать отрицательную. Это происходит на резонансной частоте
контура, когда отрицательная обратная связь минимальна.
Превышение положительной обратной связи над отрицатель-
ной определяется усилением схемы, и минимальное различие ме
жду ними поддерживается за счет большого усиления. Когдг
терморезистор поглощает мощность СВЧ излучения, его сопро-
тивление уменьшается, что влечет за собой уменьшение положи-
тельной обратной связи и, следовательно, амплитуды колебаний
вследствие чего баланс моста вновь восстанавливается. В конеч-
ном итоге происходит восстановление сопротивления терморези-
стора до его постоянного рабочего значения.
Чтобы измерять мощность ламповым ваттметром, необходи-
мо иметь какой-то первичный эталон. Если к терморезистору под-
ведена мощность 20 мВт на звуковой частоте и к ней добавле-
100
на ВЧ мощность 5 мВт, то шкалу лампового ваттметра нужно
проградуировать в интервале от 15 до 20 мВт. При снижении
мощности звуковой частоты до 10 или 5 мВт шкалу прибора нуж-
но градуировать иначе. В связи с этим устройство содержит ис-
точник постоянного напряжения, мощность которого достаточна
для снижения мощности звуковой частоты до приемлемого кон-
трольного уровня. Мощность звуковой частоты обычно в 1,2 ра-
за превышает максимальное показание шкалы в каждом диапа-
зоне. Таким образом, в диапазоне 10 мВт постоянное смещение
поддерживает мощность звуковой частоты 12 мВт и шкала из-
мерительного прибора выводится на 0. При подведении ВЧ мощ-
ности 10 мВт мощность звуковой частоты снижается до 2 мВт и
схему калибруют по отклонению на всю шкалу.
Калориметрия пучков быстрых частиц. Калориметрический
метод измерения пучков частиц обладает преимуществом перед
другими методами в том отношении, что его результаты не зави-
сят от заряда частиц, что позволяет непосредственно сравнивать
пучки нейтральных и заряженных частиц. Существуют два спо-
соба измерений. При одном из них пучок бомбардирует мишень
в течение отрезка времени, который мал по сравнению с тепло-
вой постоянной времени. Начальный рост температуры мишени
является непосредственной мерой энергии, отдаваемой мишени.
Эти измерения проделаны Пасселом [17], который определял
потерю энергии частицами нагретой плазмы, удерживаемой маг-
нитным полем.
При втором способе стационарный пучок бомбардирует ми-
шень в течение времени, соизмеримого с тепловой постоянной
времени или превышающего ее. В этом случае начальная скорость
роста температуры или ее уста-
новившееся значение является
прямой мерой энергии пучка. Ка-
лориметр второго типа [18] схе-
матически изображен на рис.
6.14. Мишенью служит медно- Пучон ।
___________________________________частии,
Рис. 6.14. Схема установки для измере-	Л
иия энергии молекул водорода:	j
/ — бусинковый терморезистор; 2 — опорный
(контрольный) терморезистор, 3— коллиматор,
4— 1-й коллектор; 5 — 2й коллектор
бериллиевая пластина, к одной стороне которой припаян мало-
габаритный дисковый терморезистор. Мишень и коллекторы по-
мещают в толстостенный медный экран, обладающий большой
теплоемкостью. Второй терморезистор прикрепляют к стенке эк-
рана для измерения окружающей температуры и компенсации из-
менений в обычной мостовой схеме, используемой для измерения
температуры. Калориметр устанавливают в вакуумной системе
вместе с источнком частиц. Второй коллектор собирает частицы,
не попавшие на мишень и отраженные от стенок медного экра-
101
на. Нижний предел калориметра по мощности пучка составляет
5 мВт, а его тепловая постоянная времени равна 30 с. При по-
вышении температуры (АГ) менее чем на 2,7° С изменение сопро-
тивления терморезистора с АТ остается линейным с точностью до
1%.
6.2. Применение терморезисторов с отрицательным ТКС
на очень низких частотах
Сдвиг фаз между напряжением и током в термочувствитель-
ном резисторе был обнаружен рядом исследователей. В 1943 г.
Тустин [19] предложил использовать тепловую постоянную вре-
мени термочувствительного резистора для опережающего сдвига
по фазе сигнала в цепях переменного и постоянного тока. Был
проведен простой анализ этого эффекта и выявлена необходи-
мость пропускания через резистор стационарного поляризующего
тока. В [20] описано применение терморезисторов с отрицатель-
ным ТКС на очень низких частотах. В [21] проделан детальный
анализ динамических характеристик термочувствительных термо-
резисторов, результаты которого применимы к лампе накалива-
ния, использованной для регулирования амплитуды колебаний
генератора с частотой 31 Гц. В [22, 23] исследованы определен-
ные параметры терморезисторов и выведены уравнения, описы-
о вающие их динамические характеристики; к сожа-
{]/?„ лению, эти уравнения оказались неприемлемыми
Т для проектирования схем с терморезисторами.
sZ»
у	Т Рис. 6.15. Эквивалентная схема терморезистора, построен-
L_____е______I ная на основе анализа малых переменных сигналов:
1	L = T(/?2oe—Z?2o)/2/?oe
На основании общего анализа полного сопротивления термо-
чувствительных схемных элементов Бурджес {24, 25] показал,
что полное сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС
по отношению к небольшому переменному току в рабочей точке,
определяемой током / и напряжением U, можно представить эк-
вивалентной схемой, показанной на рис. 6.15. Аналитическое вы-
ражение для полного сопротивления этой эквивалентной схемы
имеет вид
•  <65>
где R0=(dU/dI)—дифференциальное сопротивление, определяе-
мое по статической вольт-амперной характеристике и равное полно-
му сопротивлению терморезистора при <в->0; Rx — изотермичес-
кое сопротивление в рабочей точке Р при ы->оо, когда темпера-
тура терморезистора не в состоянии следовать за быстрым пере-
102
Рис. 6.16. Статическая вольт-амперная
характеристика терморезистора с диф-
ференциальным годографом вокруг ра-
бочей точки
менным возбуждением; /?«> также равно статическому сопротив-
лению (U/I) и всегда больше Яо‘, т— фундаментальная постоян-
ная времени терморезистора. Сопротивления Ro и изображе-
ны графически на вольт-амперной характеристике терморезисто-
ра, смещенной в рабочую точку Р за точку перегиба (рис. 6.16).
Здесь же показана траектория, описываемая рабочей точкой при
небольших синусоидальных возбуждениях.
Экспериментальные определения зависимости полного сопро-
тивления проводились в [26—29]. Для их получения использо-
вался [26] мотор-генератор с постоянной скоростью, генерировав-
ший низкочастотный ток, который выпрямлялся и подавался
на мостовую схему с терморе-
зистором; с целью компенса-
ции постоянного напряжения
смещения схему балансирова-
ли от батареи. В \[27] описан
метод определения оконечного
полного сопротивления по эл-
липтической вольт-амперной
осциллограмме, получаемой с
помощью обычного электрон-
ного низкочастотного генерато-
ра синусоидальных сигналов.
Хайд [28] включил терморези-
стор в одно плечо моста Макс-
велла и использовал низкочас-
тотный электронный сигнал-ге-
нератор для наложения пере-
менного возбуждающего напряжения на постоянное напряжение
смещения. Для обнаружения баланса моста испльзовался резонанс-
ный усилитель, сигнал с которого подавался на осциллограф.
На рис. 6.17 приведены экспериментальные диаграммы (годо-
графы) полного сопротивления, полученные с помощью этой схе-
Рис. 6.17. Эксперименталь-
ный годограф полного со-
противления бусинкового
терморезистора с отрица-
тельным ТКС для малого
сигнала. Ток смещения:
а — 2,0 мА; б—1,0 мА, в —
0,5 мА. Частота — в гер-
цах (по Хайду)
О	5	Ю	15	70
Активное сопротивление, кОм
мы для остеклованного бусинкового терморезистора со статичес-
ким сопротивлением 50 кОм (при 20° С), который работал при
токах смещения 0,5; 1 и 2 мА и температуре окружающей сре-
ды 30° С. При токе 0,5 мА рабочая точка находилась до точки
103
перегиба, тогда как при двух других значениях тока она смеща-
лась за точку перегиба. Видно, что при токах 1 и 2 мА диаграм-
ма отклоняется от теоретического полукруга на повышенных ча-
стотах. Аналогичное отклонение наблюдалось [26] у терморези-
стора сопротивлением 100 кОм при рабочих токах 8 и 13 мА.
Хайд [28] показал, что это отклонение вызвано изменением тепло-
вой постоянной времени вследствие изменения мгновенного значе-
ния мощности, рассеиваемой нагретым терморезистором. Мгновен-
ная рассеиваемая мощность ускоряет или замедляет отвод тепла от
терморезистора в зависимости от того, питается ли схема посто-
янным напряжением или постоянным током, т. е. от того, стре-
мится ли полное сопротивление источника к нулю или бесконеч-
ности. Хайд получил следующее выражение для «эффективной
постоянной времени»:
т	(6.6)
2+ S)
где S — последовательное сопротивление источника.
На рис. 6.18 построены экспериментальные и расчетные зави-
симости для двух значений тока.
Рис. 6.18 Зависимость эффективной постоянной времени схемы от последова-
тельного сопротивления бусинкового терморезистора. Точки соответствуют эк-
спериментальным данным: кривые рассчитаны по уравнению тэ=т(7?«>+2?о) X
X(i^«>+S)/27?oo(/?a+S). Ток взят в качестве параметра (по Хайду)
Рис. 6.19. Прнципиальная схема терморезисторного генератора
Генераторы на терморезисторах. Теоретические аспекты гене-
рации в схеме, содержащей терморезистор с отрицательным ТКС,
рассмотрены в [24, 25]. Было показано, что при смещении термо-
резистора за точку перегиба его динамическое сопротивление,
измеряемое на выводах, будет отрицательным на всех угловых
частотах, меньших, чем
(6.7)
..	_2 ( -	Коо)1/2
шщах	, о г г» \
т (Roo -{- Ro)
Это максимальная теоретическая частота, с которой может
возбуждаться контур из терморезистора и шунтирующего его кон-
денсатора без потерь. В реальных схемах максимальная частота
колебаний будет меньше, так как сопротивление R (рис. 6.19),
104
обеспечивающее подачу смещения на терморезистор, нельзя сде-
лать бесконечным. С учетом сопротивления R можно показать,
что колебания с частотой £о(ш<сотах) будут иметь место, если
D (Яо/Я«)Отах-“2
*\ 5^ *\СО
“шах-®2
(6-8)
Если это условие выполняется, тогда частота колебаний
__________________Г, (б9)
. х С Roo (Roo + Ro) т2 (Roo + R0)2 J	v
где C — емкость шунтирующего конденсатора.
Дифференцирующие цепочки. На рис. 6.20,а показана простая
дифференцирующая цепочка с поляризованным терморезистором,
а ее эквивалентная схема дана на рис. 6.20,6. Коэффициент пере-
дачи схемы по переменному напряжению
Кл =	= R1+Zt ,	(6.10)
д Ut R + Ri + 2Т
где ZT — полное сопротивление терморезистора, определяемое вы-
ражением (6.5).
Годограф коэффициента передачи такой цепочки представля-
ет собой полукруг, аналогичный полукругу для обычной диффе-
ренцирующей КС-цепочки.
Такая цепочка может работать в двух режимах. Если рабочая
точка выбрана так, что сумма Ki+Ko положительна, тогда вы-
ходной сигнал опережает по фазе входной сигнал на угол, всег-
да меньший 90° (рис. 6.21,а). Если же терморезистор смещен до-
Рис. 6.20. Схема опережения по фазе на терморезисторе с отрицательным ТКС
(а) и ее эквивалентная схема (б)
Рис 6.21. Годограф коэффициента передачи для схемы с опережением по
фазе:
а' Ri+Ro>O; б — Ri + Ro<O
105
статочно далеко за точку перегиба, так что сумма 7?i+/?o отри-
цательна, то опережение по фазе может достигать 180° (рис.
6.21,6).
Интегрирующие цепочки. Общий принцип построения интег-
рирующей цепочки с терморезистором, имеющим отрицательный
ТКС, иллюстрируется рис. 6.22. Коэффициент передачи по напря-
жению (или усиление) этой цепочки
(6.11)
Oil	Oj
где Кд — коэффициент передачи дифференцирующей цепочки, по-
казанной на рис. 6.20.
Постоянная времени интегрирующей цепочки
тэ
Rx + Ro
(6 12>
где Тэ — эффективная постоянная времени терморезистора и
Rx
, RAR + R1) .
Ro + Ri + R
Основным преимуществом фазосдвигающих цепочек с термо-
резисторами с отрицательным ТКС по сравнению со стандартны-
ми /?С£.-цепочками является возможность получения очень боль-
ших постоянных времени и их использования в схемах постоянно-
го и переменного тока. Кроме того, эти цепочки обладают особы-
ми свойствами, обусловленными отрицательным сопротивлением
и3	терморезистора по отношению к
Рис. 6.22. Схема фазозадержива-
ющей цепочки, содержащей тер-
морезистор с отрицательным ТКС
очень низкочастотным сигналам.
Большая (постоянная времени де-
лает эти схемы удобными для ста-
билизации систем автоматического
управления, имеющих низкие собст-
венные частоты. Например, их ис-
пользуют в системах управления са-
молетов и кораблей, в системах уп-
равления производственными про-
цессами, а также в схемах, где тер-
морезисторы уже используются в
качестве измерительных элементов
(регулирование температуры печей или стабилизация напряжения).
Их удобно также применять для изучения океанских волн, частоты
сердцебиений и дыхания, некоторых геофизических исследова-
ний [26].
106
Глава 7
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
КОСВЕННОГО ПОДОГРЕВА С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
ТКС
Терморезистор косвенного подогрева представляет собой бу-
синку из терморезистивного материала с большим отрицатель-
ным ТКС, окруженную обмоткой нагревателя с очень неболь-
шим ТКС. Нагреватель электрически изолирован от терморезиу
стора тонким слоем изоляционного цемента или стекла. Внутрен-
нее устройство, форма и корпус большинства современных тер-
морезисторов этого типа отличаются у различных изготовителей,
но конструктивное оформление можно
так как показано на рис. 7.1. Примеры
сторов косвенного подогрева приведены
схематически изобразить
выпускаемых терморези-
на рис. 2.7.
Рис. 7.1. Конструкция терморезистора косвен-
ного подогрева:
1 — нагреватель; 2 — бусинка; 3 — стеклян-
ная оболочка; 4 — керамический или стек-
лянный изолятор
Сопротивление любого бусинкового терморезистора определя-
ется составом его материала и температурой. У терморезисторов
косвенного подогрева температура бусинки зависит от температу-
ры окружающей среды, подводимой к ней мощности и мощности,
рассеиваемой нагревателем. Поскольку сама бусинка мала и на-
греватель находится с ней в хорошем тепловом контакте, незна-
чительные изменения мощности нагревателя вызывают большие
изменения сопротивления терморезистора.
7.1.	Статические характеристики
В целях упрощения будем считать, что бусинка, изолятор и
спираль нагревателя находятся при постоянной температуре Т,
а все остальные части прибора (выводы, стеклянный баллон и
т. д.) находятся при температуре окружающей среды Гокр, кото-
рая также постоянна.
Статические вольт-амперные характеристики дают соотноше-
ние между напряжением на терморезисторе и протекающим через
него током для различных мощностей нагревателя Рн (рис. 7.2).
Статические характеристики сопротивление — мощность пока-
заны на рис. 7.3; они показывают связь между сопротивлением
терморезистора R и мощностью Р, подводимой к бусинке, при
различных значениях мощности нагревателя Ря. В установившем-
107
ся режиме тело терморезистора находится в тепловом равнове-
сии. Это означает, что рассеиваемое тепло равно суммарной эле-
ктрической мощности, подводимой к прибору. Эта суммарная
мощность состоит из двух составляющих: электрической мощно-
сти Р, подводимой к бусинке, и электрической мощности Рв, под-
водимой к нагревателю. При этом некоторая часть мощности Р№
Рис. 7.2	Рис. 7.3
Рис. 7.2. Статические вольт-ампериые характеристики при различной мощнос-
ти нагревателя Рв, используемой в качестве параметра:
а — -Рв = 0; б — Рв=10 мВт; в — Рн=20 мВт; г — Рв=30 мВт; д—Рв=40 мВт
Рис. 7.3. Зависимости сопротивления от мощности для терморезистора со ста-
тическими вольт-амперными характеристиками, приведенными на рис. 7.2
а — Рв — 0; б — Рв=\0 мВт; в — Рв=20 мВт; г — Рв=30 мВт; д — Рв=40 мВт
теряется участками нагревателя, не имеющими непосредственно-
го контакта с бусинкой терморезистора. Следовательно, мощ-
ность, подводимая от нагревателя к бусинке, эквивалентна r]Prt
где ц— эффективность (КПД) нагревателя. Таким образом, ура-
внение стационарной мощности терморезистора косвенного подо-
грева можно записать в следующем виде:
Рт = Р+г1Рн.	(7.1)
Значение г] можно найти по двум значениям Р и Рв (т. е. Pi,
Phi и Pi, Рнз), которые дают одинаковую суммарную мощность
и, следовательно, одинаковое сопротивление терморезистора. От-
сюда имеем

(7.2)
	ri = -(P2-P1)/(PH2-PH1).	(7.3)
Переходя	в пределе к малым изменениям Р и Рн, получаем Л = —	.	(7.4> \ dPn ) R= const
108
Так как с помощью экспериментов установлено [1], что КПД
практически постоянен, то отпадает необходимость в непосредст-
венном измерении всех вольт-амперных характеристик и зависи-
мостей сопротивления от мощности для любого конкретного типа
терморезистора косвенного подогрева. Такой прибор можно адек-
ватно охарактеризовать, определив его КПД и еще одну харак-
теристику, например зависимость Я от Р при отсутствии тока в
нагревателе.
Как показано в 1(2], зависимость сопротивления от мощности
v терморезистора прямого подогрева можно с достаточной точно-
стью описать с помощью следующего аналитического выражения:
^=7?ооехр(/———У	(7.5)
\ С Г -j- 1 оКР /
где С' — энергетическая чувствительность терморезистора, К/мВт;
Токр — температура окружающей среды.
Для терморезистора косвенного подогрева мощность Р нужно
заменить суммарной мощностью Рт и, комбинируя (7.1) и (7.5),
получим
в
(7.6)
У? =7?ооехр. ,
|_ с (Р -р 'п Рн) + токр
Так как энергетическая чувствительность обратно пропорцио-
нальна коэффициенту рассеяния К, то (7.6) можно переписать
так:
В
—Р^ехр „	„
(Р	т] Рн)//( -р Tow _
(7.7)
7.2.	Динамические характеристики
Иногда терморезисторы косвенного подогрева применяют в
цепях обратной связи, и в этом случае изменение тока в цепи
нагревателя вызывает изменение тока в цепи бусинкового термо-
резистора вследствие изменения его сопротивления. В таких си-
туациях динамические характеристики прибора часто более суще-
ственны, чем статические.
В динамическом режиме часть мощности, подводимой к тер-
морезистору и нагревателю, идет на увеличение тепловой энер-
гии тела терморезистора. При этих условиях уравнение (7.1)
принимает вид
Р+пРп = Рт + ^.	(7.8)
at
Оно показывает, что электрическая мощность, подводимая к
терморезистору, идет на увеличение его тепловой энергии в еди-
ницу времени и частично рассеивается нагревателем. Так как теп-
ловая постоянная времени терморезистора x=dW/dPT, то уравне-
ние (7.8) можно записать так:
Р + т1Рн = Рт + т^ .	(7.9)
at
109
Если мощность, подводимая к самой бусинке, очень мала, что
имеет место в большинстве случаев, то (7.9) можно упростить:]
при=рт + та~^.	(7.10Я
at
Если известна мощность Рн в момент времени t, то Рт можно
найти прямым интегрированием уравнения (7.10), а сопротивле-
ние 7?т определяется по статической характеристике R—Р.
Если мощность нагревателя скачкообразно меняется от PHi до
Риз, то из уравнения (7.10) получаем
Л = П рчг + П (Л2—Ли) 1 —ехр —-- J •
(7.И)
Описанная методика служит основой для практического оп-
ределения тепловой постоянной времени терморезисторов косвен-
ного подогрева.
7.3.	Применение терморезисторов косвенного подогрева
Одним из самых первых применений терморезисторов косвен-
ного подогрева явилось их использование для регулирования ко-
эффициента усиления усилителей в каналах связи телефонных се-
тей [3]. В таких устройствах бусинковые терморезисторы прямо-
го подогрева включались в цепь обратной связи (рис. 7.4). Умень-
Влод
Рис. 7.4. Упрощенный контур об-
ратной связи с терморезистором
прямого подогрева для управле-
ния коэффициентом усиления
усилителя
шение выходного сигнала усилителя сопровождается уменьшени-
ем тока терморезистора, что ведет к снижению его температуры
и увеличению сопротивления. Увеличение сопротивления умень-
шает отрицательную обратную связь, что компенсирует измене-
ние выходного сигнала усилителя. Недостатком этой схемы явля-
ется зависимость выходного сигнала усилителя от температуры
окружающей среды. Для устранения этой зависимости в схему
ввели терморезистор косвенного подогрева, причем сам терморе-
зистор включался в цепь обратной связи, как и в предыдущем
случае, а цепь нагревателя питалась от источника постоянного
тока, чтобы получить стабильную контрольную температуру. Ком-
пенсацию изменений температуры окружающей среды выполнял
дисковый терморезистор, включенный в цепь нагревателя (рис.
7.5), причем диск находился в хорошем тепловом контакте с мон-'
тажной пластиной терморезистора косвенного подогрева. В та-
кой схеме температуру терморезистора косвенного подогрева
IbQ
тока
Рис. 7.5. Контур обратной связи с термо-
резистором косвенного подогрева и термо-
резистором прямого подогрева, компенси-
рующим изменения температуры окружа-
ющей среды
удавалось поддерживать с точностью до 0,5° С при изменении
температуры окружающей среды от 0 до 49° С.
Другой вариант устройства с ручным регулированием коэффи-
циента усиления усилителя передающей станции показан на рис.
7.6. Контрольный сигнал частотой 56 кГц передается по линии
связи, фильтруется, усиливается, выпрямляется и затем подается
ра вход генератора с частотой 5 кГц, выходной сигнал которого
через трансформатор поступает в нагревательную обмотку тер-
цорезистора косвенного подогрева. Изменение уровня контроль-
ного сигнала приводит к изменению температуры бусинки и, сле-
довательно, к уменьшению
или увеличению отрицатель-
ной обратной связи в линей-
ном усилителе, чтобы ком-
пенсировать изменение зату-
хания сигнала в линии свя-
зи под влиянием температу-
ры или других факторов.
Оба эти способа управле-
ния линейным усилителем
обеспечивают «плоское» ре-
гулирование, т. е. одинако-
вое усиление всех несущих
частот. В реальных системах
изменение затухания в кабе-
ле вследствие изменения
температуры по-разному
влияет на различные поло-
сы частот, и плоская харак-
теристика усиления не обес-
печивает требуемой коррек-
ции на частотах, удаленных
от частоты контрольного
сигнала (56 кГц). Поэтому
в схему был введен второй
контур обратной связи, в
котором сигнал с частотой
12 кГц обеспечивал подведе-
ние мощности к нагревателю
второго «дискриминирующе-
го» терморезистора косвен-
ного подогрева от генерато-
ра с частотой 3,25 кГц. Та-
ким образом, происходит
температурная компенсация на обоих краях полосы частот, что-
способствует совершенствованию общего контроля
Влияние изменения окружающей температуры на второй тер-
морезистор можно скомпенсировать, как и прежде, с помощью-
дискового терморезистора прямого подогрева. В некоторых систе-
111
Вход
Линейный
усилитель
Выход
Рис.
Генератор
5 к Гц
Лонгпрольньй1
срильтр,
56 кГц
Контрольный,
усилитель
7.6. Линейный усилитель с ручной
регулировкой усиления
контрольной частоты
изменением
мах передачи с промежуточным усилением применяют третий
терморезистор косвенного подогрева, на который подают конт-
рольный сигнал частотой 28 кГц для управления центральной
частотой полосы. На рис. 7.7 показана система с тремя контроль-
ными частотами. Современные промежуточные усилители суще-
ственно модернизированы по сравнению с показанными на ри-
сунке, но основные принципы регулирования коэффициента уси-
ления усилителей с применением терморезисторов косвенного по-
догрева сохраняются в современных наземных линейных (проме-
жуточных) усилителях в Европе [10] и США.
Рис 7 7 Линейный усилитель с управлением на трех частотах
Другое раннее применение терморезисторов косвенного подо-
грева относится к преобразователям переменного тока в постоян-
ный, в которых точное измерение переменного тока и напряжения
осуществляется измерением их прямых эквивалентов [4—6]. К
другим преобразователям подобного рода относятся электроста- 
тический вольтметр для измерения на частотах вплоть до 20 кГц,
термопреобразователи с термопарой, нагреваемой в вакууме, и
электродинамические вольтметры с зеркальной шкалой для из-
мерения на низких звуковых частотах.
В [4] описано применение двух идентичных терморезисторов
косвенного подогрева, включенных в мостовую схему (рис. 7.8).
Мост балансируют переменным резистором R2, включенным по-
следовательно с нагревателями терморезисторов RT1 и RTz, через
которые пропускают заданный постоянный ток. Затем нагрева-
тель терморезистора Rn включают в цепь переменного тока и ре-
гулированием тока восстанавливают баланс моста. Чувствитель-
ность моста определяют по обнаружению небольшого изменения
тока гальванометра А/§, вызываемого изменением сопротивления
одного бусинкового терморезистора &R при изменении тока его
нагревателя А/н. Из рис. 7.8 получаем
112
. (7Л2)
Rg (Ъ + Л)« + 2RRt (Rt+R)+b R [Я| +2	± Rs (Rt ± Я)]
По определению a=l/R(dR/dT), так что &R = aR\T.
Учитывая, «то \Т=ЛР/К=21аМ^н/К, можно написать
\	А7? = 2а/?7?Н/НА/Н//С.	(7.13)
Подставляя (7.13) в (7.12) и пренебрегая членам с AR в зна-
менателе, находим к
й Rs (Ri+R^RR^Rt+R)	К
где а зависит от рабочего тока, но для расчета чувствительности
может быть принят равным 0,03.
Рис. 7.8	Рис. 7 9
Рис. 7.8. Мостовая схема с терморезисторами косвенного подогрева в качест-
ве стандартных измерителей параметров на переменном токе по нх постоянным
эквивалентам
Рис 7 9. Принципиальная схема ваттметра [7]
Сравнение с вакуумной термопарой на частотах от 25 Гц до
2,5 кГц выявило различие в показаниях, не превышающее 0,02%.
Погрешность терморезисторного моста составила 0,01%, а неоп-
ределенность результатов измерения равнялась ±0,01%, что да-
ло суммарную погрешность в пределах ±0,025%.
Вуд [6] использовал два терморезистора косвенного подогре-
ва в мостовой схеме для измерения тока на частоте 7 МГц с
точностью ±2%. Ток высокой частоты пропускался через нагре-
ватель одного терморезистора, сопротивление которого умень-
шалось, что приводило к разбалансу моста. Сигнал разбаланса
усиливался и поступал в нагреватель второго терморезистора, в
результате чего баланс моста восстанавливался. Используя уси-
литель постоянного тока с очень большим коэффициентом уси-
ления, удавалось примерно уравнять токи в обоих нагревателях
для полного восстановления баланса моста, а ток высокой часто-
ты определяли измерением постоянного тока в нагревателе вто-
рого терморезистора.
113
Два терморезистора косвенного подогрева, включенные в мо-
стовую схему 1[7], послужили основой для создания ваттметра,
предназначенного для измерения мощностей сигналов заданной и
произвольной формы в диапазоне частот от 100 Гц до 10 МГц.
Этот прибор представляет собой усовершенствованный вариант
вольтметра для измерения среднеквадратических значений на-
пряжений '[8], в котором ламповый усилитель заменен транзис-
торным, что позволило исключить высоковольтный стабилизиро-
ванный источник питания постоянного тока. Принципиальная схе-
ма этого прибора приведена на рис. 7.9. Нагреватель терморези-
стора косвенного подогрева питается входным током I, а также
добавочным током разбаланса моста If, поступающим из контура
обратной связи. Прибор функционирует тай, что суммарная мощ-
ность нагревателей остается почти постоянной при изменении
входного сигнала, и поэтому измерительный прибор, включенный
на выходе усилителя, можно отградуировать непосредственно в
единицах входной мощности. В мостовую схему включен второй
терморезистор косвенного подогрева, который согласован с пер-
вым и служит для компенсации изменения температуры окружа-
ющей среды. Установлено, что надежная термокомпенсация в
диапазоне температур от 0 до 55° С в этом случае обеспечивает-
ся, если оба терморезистора поместить в общий герметичный ме-
таллический корпус с тепловой изоляцией, чтобы минимизиро-
вать кратковременные колебания температуры.
Два терморезистора косвенного подогрева в мостовой схеме
были использованы в другом ваттметре [9]. Преобразуя выход-
ной сигнал моста в цепочку импульсов постоянной амплитуды, ав-
торы смогли осуществить цифровую индикацию входной мощно-
сти. На рис. 7.10 показана принципиальная схема преобразова-
теля мощности постоянного или переменного тока в частоту.
Мощность, подводимая к нагревателю терморезистора /?тЬ вызы-
вает разбаланс моста, и усиленный сигнал разбаланса поступает
Рис. 7.10. Упрощенная схема преобразователя средиеквадратического значения
напряжения в частоту
114
в управляемый напряжением генератор, который выдает прямо-
угольные импульсы длительностью примерно 4 мкс и максималь-
ной частотой 130 кГц, направляемые в цифровой счетчик импуль-
сов. Часть выходного сигнала из контура отрицательной обратной
связи поступает через формирователь импульсов в нагреватель
терморезистора для восстановления баланса моста и отклю-
чения счетчика, когда число импульсов пропорционально началь-
ной входной мощности. Этот ваттметр имеет погрешность преоб-
разования постояннрго сигнала в переменный менее 0,05% в
диапазоне частот 20^-80 кГц и класс точности 0,05% для посто-
янных и переменных входных сигналов на частотах до 80 кГц.
Дальнейшее повышение точности может быть достигнуто приме-
нением более точно согласованных терморезисторов и заменой
ими неоткалиброванных промышленных приборов, использован-
ных в исходной аппаратуре.
Так как мощность, рассеиваемая нагревателем и терморези-
стором косвенного подогрева, зависит от давления газа внутри
стеклянной оболочки, то подобные модифицированные терморе-
зисторы косвенного подогрева в открытой оболочке можно ис-
пользовать в качестве простых вакуумметров и течеискателей в
вакуумных системах (рис. 7.11). Для проведения этих измерений
терморезистор можно включать в схему простого омметра (рис.
7.12) или в мостовую схему (рис. 7.13). Регулированием перемен-
Рис. 7.11. Изменение сопротив-
ления бусинкового терморезисто-
ра косвенного подогрева в зави-
симости от давления воздуха
(/в = 2'5 мА)
кого резистора Т?2 можно изменять пределы шкалы измеритель-
ного прибора, а также получить многопредельную шкалу и про-
калибровать ее непосредственно в единицах давления от 2-10“3
до 1 кПа.
Рис. 7.12. Схема ваку-
умметра, работающего
по принципу омметра
Рис. 7.13. Мостовая схе-
ма вакуумметра
115
Хотя настоящая глава посвящена, в основном, стандартным
бусинковым терморезисторам косвенного подогрева, она была бы
неполной без краткого упоминания других конструкций этих при-
боров. Одна из них представляет собой дисковый терморезистор
с отрицательным ТКС (рис. 7.14). Одной своей стороной он при-
креплен к металлической катушке, вокруг которой намотана об-
мотка нагревателя из изолированной медной проволоки, а дру-
гой стороной его крепят к латунному цилиндру, выполняющему
функцию охладителя. Весь узел помещают в корпус из анодирован-
ного алюминия, снабженный четырьмя выводами, к которым подсо-
единяют терморезистор и нагреватель. Это устройство специально
предназначено для использования в цепях управления; его боль-
шая тепловая масса обеспечивает подавление
колебаний или «качаний» в цепи обратной свя-
зи. Низкоомную обмотку нагревателя обычно
соединяют последовательно с серводвигателем,
рассчитанным на ток 0,5 А, для регулирования-
сопротивления терморезистора через контур об-
ратной связи.
Рис. 7 14. Поперечный разрез дискового терморезистора кос-
венного подогрева:
/—терморезистор, 2 — латунный цилиндр, 3 — обмотки нагревате-
ля, 4 — алюминиевый корпус, 5 — эпоксидная смола
Другой метод косвенного подогрева дискового терморезистора
с отрицательным ТКС заключается в том, что диск приводят в
хороший тепловой контакт с торцом среднего терморезистора
прямого подогрева с отрицательным ТКС. Мощность, подводимая
к стержневому терморезистору, нагревает как его самого, так И
дисковый терморезистор. Такие пары применяют в некоторых те-
левизионных приемниках, причем стержневой терморезистор
включают последовательно в цепь накала ламп, а дисковый
включают параллельно размагничивающим катушкам. При вклю-
чении стержневой терморезистор выполняет функцию защиты от
перегрузки и ограничивает ток в цепи подогревателей, пока их
температура не станет достаточной для включения полной мощ-
ности. В начальный период разогрева стержневого терморезисто-
ра дисковый терморезистор сохраняет высокое сопротивление, и
через размагничивающие катушки протекает максимальный ток,
обеспечивающий размагничивание. С повышением температуры
дискового терморезистора его сопротивление падает, ток начи-
нает течь через шунтирующий дисковый терморезистор и пере-
менное магнитное поле в катушках ослабевает. Терморезистор
прямого подогрева с положительным ТКС, включенный последо-
вательно с размагничивающими катушками, способствует даль-
нейшему уменьшению тока, так что в стационарном режиме че-
рез катушки течет ничтожно малый ток. Терморезистор прямого
подогрева с положительным ТКС применялся также в качестве
116
нагревателя для других дисковых терморезисторов косвенного
подогрева с отрицательным ТКС, с которыми он находился в хо-
рошем тепловом контакте.
Глава 8
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТКС
В предыдущих главах мы имели дело с терморезисторами,
изготовленными из оксидных смесей, которые кристаллизуются
с образованием кубической структуры или структуры шпинели и
обычно работают в интервале температур от —60 до +300° С.
Технология их изготовления стала уже классической, а основные
электрические характеристики и режимы работы этих приборов
стали общеизвестными за 35 лет их существования как промыш-
ленных изделий. Естественно, что за этот период времени были
созданы новые материалы и методы изготовления терморезисто-
ров, именно таким новым прибором и посвящена настоящая
глава.
Терморезисторы обладают принципиальным преимуществом
перед другими типами термочувствительных элементов, которое
заключается в более высокой чувствительности к изменениям тем-
пературы по сравнению с другими приборами для измерения тем-
пературы. Это преимущество успешно использовалось при низ-
ких температурах, но верхний рабочий предел 300° С в течение
многих лет не позволял терморезисторам конкурировать с таки-
ми термочувствительными элементами, как термопары, термо-
метры сопротивления, а также оптические пирометры. Поэтому,
естественно, были предприняты попытки создать терморезисто-
ры, способные работать при температуре 1000° С и выше. В этом
направлении был достигнут определенный прогресс, результатом
которого стало несколько типов высокотемпературных приборов,
способных работать в областях, традиционно принадлежавших
только термопарам и термометрам сопротивления. Теперь мы пе-
рейдем к описанию материалов и характеристик этих и других
экспериментальных терморезисторов.
Можно предположить, что вслед за созданием и промышлен-
ным освоением терморезисторов с положительным ТКС, способ-
ных резко изменять свое сопротивление при незначительном изме-
нении температуры, исследователи начнут поиск материалов с от-
рицательным ТКС, обладающих аналогичным свойством. Такие
материалы и приборы с быстрым переходом в низкоомное состоя-
ние при небольшом повышении температуры также нашли бы ши-
рокое применение, если бы удалось воспроизводимо управлять по-
ложением точки переключения сопротивления в нужном интервале
температур. В настоящее время промышленность выпускает бусин-
ковые и тонкопленочные терморезисторы прямого и косвенного по-
117
догрева с отрицательным ТКС, у которых точку переключения со-
противления можно перемещать в узком интервале относительно
температуры примерно 68° С. Пока эти приборы находят ограни-
ченное применение из-за узости диапазона температур переклю-
чения, но их разработка находится еще на ранних стадиях по срав-
нению с традиционными терморезисторами с отрицательным и поч
ложительным ТКС.
8.1. Высокотемпературные терморезисторы
Одна из первых попыток создать материалы, пригодные для
изготовления высокотемпературных терморезисторов с отрицатели
ным ТКС, была предпринята сотрудниками французской фирма
CSF [1]. Систематическое изучение смесей тугоплавких оксидов ।
металлов показало, что их температурные зависимости сопроти^
ления носят аномальный характер и поэтому они не годятся дли
изготовления терморезисторов. Затем внимание исследователе!
привлекли оксидные полупроводники n-типа, такие как ZnO, TiO2,
Та2О5, V2O5, и их смеси. Было установлено, что оксиды многова-
лентных металлов Ti, Та и V очень легко меняют валентность щ
более высокую или более низкую и поэтому химически неустойчи-
вы в требуемых температурных диапазонах. Оксидные полупровод-
ники p-типа, такие как NiO, не пригодны сами по себе, но в смеси
с оксидами щелочно-земельных металлов обнаружили полезны^
свойства. Экспериментальный терморезистор с высокой концентра!
цией оксида бария имел ТКС—0,5%/° С при температуре 1000° q
Фирмой CSF были изготовлены терморезисторы из смеси двух ту
гоплавких оксидов неизвестного состава, имеющие форму парада
лелепипеда размером 5X5X30 мм с платиновыми электродами я
проволочными выводами из стойкого к окислению сплава и рабо-
тающие при температурах соответственно 650 и 1150° С. Крива^
стабильности более высокотемпературного прибора показала, чт|
его сопротивление снижается примерно на 20% в течение первы?
5 суток, по затем оно стабилизируется и практически не меняется J
течение последующих 90-суточных испытаний. Их ТКС составляв
—0,8%°/С при 1000° С. Недостатком этих приборов является nd
обходимость защиты терморезистора от окружающей среды, кот<|
рая осуществлялась с помощью стеатитовой оболочки. Надо отмв
тить, что эти высокотемпературные терморезисторы не нашли при
мышленного применения.
Карбид кремния является высокотемпературным полупроводшй
ковым материалом, свойства которого могли бы послужить осно]
вой для создания высокотемпературных терморезисторов с отрМ
цательным ТКС. Этот материал в монокристаллической форм|
изучался американской фирмой Carborundum Company [2], кото?
рая запатентовала пять основных типов таких терморезисторов. К
ним принадлежат терморезисторы из чистого нелегированного SiCj
из SiC, компенсированного эквивалентными количествами приме-
сей п- и /?-типов для получения высокоомного материала; из болеё
118
лизкоомного материала p-типа, легированного элементами Ша
группы Периодической системы (т. е. В, А1 или Ga); из более
лизкоомного материала n-типа, легированного элементами Va
группы (Р или As), и, наконец, из карбида кремния с высокой
концентрацией бора, который увеличивает удельное сопротивление
карбида за счет деформации его кристаллической решетки. Элект-
рическими контактами служили две вольфрамовые проволоки, при-
соединенные к противоположным поверхностям кристалла карбида
кремния, и через них пропускали большой ток. При пропускании
такого тока температура в контактных зонах повышалась до
1950° С и выводы приваривались к поверхности карбида кремния.
Высокотемпературные терморезисторы из карбида кремния (со-
гласно рекламным проспектам) имеют параметр 8 = 12 500 К, со-
противление 700 Ом при 700° С и рабочую температуру до 900° С,
однако их промышленный выпуск еще не освоен.
Оксидные твердые растворы со структурой шпинели также ис-
следовались с целью их возможного использования при высоких
температурах, и были созданы дисковые терморезисторы для рабо-
ты при температурах вплоть до 1000° С [3]. Основой этого термо-
резистора служат оксиды Мп и Fe с примесью оксидов Mg, Со,
Ni и Zn. Способы изготовления в основном аналогичны тем, кото-
рые используются для обычных дисковых терморезисторов с от-
рицательным ТКС, за исключением того, что серебряные электро-
ды заменяются золотыми или платиновыми, чтобы устранить окис-
ление материала контактов при высоких температурах. В [3] при-
водятся 29 различных композиций, но ни одного промышленного
образца таких высокотемпературных терморезисторов пока не из-
готовлено. Один оксид со структурой шпинели, который успешно
применялся для изготовления терморезисторов с отрицательным
ТКС и рабочей температурой до 1000° С, представляет собой за-
кись— окись кобальта СО3О4. Из этого материала были изготовле-
ны толстопленочные терморезисторы путем нанесения трафарет-
ной печатью на подложку из оксида алюминия пасты, состоящей
из оксида кобальта с органическим связующим, и последующего
спекания пленки точно при 1300°С [4]. Температура спекания
весьма критична с точки зрения получения конечных свойств при-
бора. При слишком низкой температуре образуется в основном
СО2О3, а при слишком высокой температуре—СоО, причем ни од-
но из этих соединений не является чистым полупроводником. Плен-
ка СоО, полученная при температуре 1500° С, не чувствительна к
температуре, однако чувствительна к влажности и поэтому при-
водна для датчиков влажности. Контакты этого терморезистора
формируют нанесением и спеканием слоя платина—золото или
палладия. Толстопленочный терморезистор из оксида кобальта об-
ладает нормальной экспоненциальной температурной зависимостью
сопротивления с температурным коэффициентом, равным 2870 К
при изменении температуры от —20 до +1000° С. Эти приборы вы-
пускаются без выводов, что ограничивает их промышленное при-
менение температурами ниже 450° С.
119
Интересной системой, которая обладает стабильным электрц.
ческим сопротивлением при высоких температурах, является смес]
диоксида циркония и оксида редкоземельного металла. Такая сие
тема, состоящая из смеси ZrO2—У20з, была применена еще 1
1900 г. для изготовления катодов Нернста [5]. Хорошая ионнац
проводимость в этой системе при высоких температурах объясня-
ется [6] диффузией ионов кислорода через искаженную решетку
флюорита. Эти материалы не привлекали особого внимания вплоть
до середины 50-х годов, но в связи с разработкой твердых электро-
литов, проводимость которых обусловлена ионами кислорода
предназначенных для использования в устройствах для измерение
содержания кислорода и для высокотемпературных топливных эле
ментов, системы диоксид циркония—оксид редкоземельного эле
мента и ZrO2—СаО вновь начали изучать. Исследование терморе
зисторов из смеси диоксида циркония и оксида редкоземельной
элемента, начатое в конце 50-х годов, позволило установить, чт<
добавление в дисковые терморезисторы от 2 до 25 мае % оксид!
иттрия и применение платиновых электродов дает возможность ис
пользовать эти приборы при температурах вплоть до 1000° С [7];
Некоторые проблемы, связанные с присоединением выводов к пла-
тиновым электродам, были решены заменой диска стержневым тер-
морезистором. Промышленное освоение этого прибора задерживав
ется его большой инерционностью, и поэтому вместо него бьц
предложен малоинерционный бусинковый терморезистор [8, 9] d
сопротивлением 104 Ом при 750° С, температурным коэффициент
том, равным 12 500 К, и ТКС —1,2%/° С при этой температуре. ]
Советскими исследователями был создан бусинковый терморе]
зистор [10] на основе системы диоксид циркония — диоксид це|
рия с температурным коэффициентом 21 000— 22 000 К и conpoi
тивлением 5,75-105 Ом при температуре 650°С. Оба бусинковый
терморезистора предназначены для работы в диапазоне темпера-^
тур от 500 до 1000° С. Недавно был разработан [11] бусинковый^
терморезистор для интервала температур от 300 до 500° С, который?
долго оставался неосвоенным как обычными, так и высокотемпера-1
турными бусинковыми терморезисторами. Новый прибор изготов-1
лен из оксидной системы цирконий — празеодим и заключен в обо-'
лочку из сплошного стекла, чтобы исключить окисление или вос-
становление материала терморезистора под воздействием окружа-**
ющей среды. Терморезистор имеет В = 4700 К, сопротивление
35 кОм при 300° С и работает в диапазоне температур от 100 до,
600°С. Температурные характеристики сопротивления трех описан-!
ных бусинковых терморезисторов приведены на рис. 8.1.
Оксиды редкоземельных элементов без диоксида циркония так-
же использовались для изготовления высокотемпературных термо-
резисторов. В [12] сообщается о дисковых терморезисторах из ди^
оксидов иттрия и диспрозия с платиновыми электродами и платив
новыми проволочными выводами. Терморезистор из диоксида ит-
трия имел сопротивление 12,4 МОм при 500° С, которое снижалось
до 170 Ом при 1200° С, и В — 21 000 К. Прибор из диоксида дис-
120
уц озия имел сопротивление 1,64 кОм при 500° С, которое умень-
шалось до 13 Ом при 11200° С, и В —9000 К. Оба они отличались
лазкой воспроизводимостью калибровки по сопротивлению из-за
нестабильности электродов и оба материала оказались очень чув-
ствительными к содержанию кислорода в окружающей атмосфере.
рис 8.1. Температурные характери-
стики сопротивления трех типов бу-
синковых терморезисторов, изготов-
ленных из оксидных систем цирко-
ний — редкоземельный элемент и ра-
ботающих при температурах выше
300° С:
1 терморезистор из оксидов циркония и
церия, 2 — терморезистор из оксидов цир-
кония и иттрия; 3 — терморезистор из окси-
дов циркония и празеодима
Лучшей стабильностью обладали терморезисторы, изготовленные
из однофазного твердого раствора оксидов олова и титана. Они
имели форму коротких стержней с заделанными в них параллель-
ными платиновыми проволочными выводами [13]; их нестабиль-
ность не превышала ±5% при 800° С в течение 10-недельного ис-
пытания на старение. Правда, их нужно было помещать в оболочку
для защиты от воздействия окружающей атмосферы. Сопротивле-
ние этих приборов можно было варьировать, подбирая размер
стержней и расстояние между проводниками; типичное значение
сопротивления составляло 1000 Ом при 600° С; параметр В изме-
нялся в пределах 5000—6000 К. Терморезисторы из оксидов редко-
земельных элементов и оксидов олова и титана пока еще не на-
шли промышленного применения.
Самым последним из предложенных полупроводниковым мате-
риалом, пригодным для изготовления высокотемпературных тер-
морезисторов, является бор [14]. Стержни из чистого бора разре-
зают на кубики с длиной стороны 1 мм, а затем после травления
и промывки к ним с противоположных сторон присоединяют пла-
тиновые или никелевые проволочные выводы, нагревая их пропус-
канием тока в вакууме. Выделяющееся тепло вызывает сплавление
проволочных выводов с бором, благодаря чему контакты получа-
ются омическими. Сплав бора и платины дает надежный контакт
при температурах до 650° С, а сплав бора и никеля — до 990° С.
Изготовленные таким способом приборы имеют обычную линейную
зависимость 1п/? от \/Т в интервале температур от 200 до 700° С и
£ = 9100 К- Ниже 200° С сопротивление этих приборов зависит от
Примесей и меняется в широких пределах от образца к образцу.
Гермоциклирование в течение 1000 ч в вакууме при температурах
По 900° С практически не изменяло характеристики терморезисто-
121
ров, тогда как их стабильность при аналогичном термоциклиров;
нии на воздухе была довольно плохой. Нанесение обычной кер;
мической глазури восстанавливало стабильность на воздухе njj
температурах до 650° С, а герметизация прибора в зонде из нерж;
веющей стали под вакуумом сохраняла хорошую стабильность пр
температурах до 900° С. Промышленное освоение терморезисторс
из бора еще не начато.
К основным областям применения высокотемпературных терме
резисторов относятся измерение и регулирование температуры, '
также индикация и защита от перегрева. Методы и схемы включе
ния практически не отличаются от тех, которые применяются дл!
обычных терморезисторов, за исключением выбора изоляторов 1
герметиков. Эту операцию нужно выполнять с особой тщатель
ностью, помня, что при температурах порядка 1000° С некоторы
тугоплавкие материалы сами становятся полупроводящими. В от
личие от обычных приборов, высокотемпературные терморезисто-
ры выгодно использовать в газовых расходомерах. Способность ра-
ботать при повышенных температурах в стабильных окружающих
условиях означает возможность достижения более высокой чувст-
вительности.
8.2. Переключающие терморезисторы с отрицательным ТКС
Отмеченный с начала 60-х годов рост применения терморезис;
торов с положительным ТКС, характеризующихся большим изм^
нением сопротивления в узком интервале температур, продемонс^
рировал их преимущества как приборов точного регулирования |
ограниченном интервале температур или для тепловой защиты. Ой
ним из результатов такого повышенного внимания явился поис*
материалов с отрицательным ТКС и столь же резким изменение^
температурной характеристики сопротивления. Очевидно, что эти
ми свойствами не могут обладать материалы, электропроводносД
которых точно соответствует одной из трех классических категй
рий: металлы, полупроводники или диэлектрики. Поэтому основ
ное внимание уделялось материалам, механизм проводимости кото
рых резко меняется вследствие различных структурных превращу
ний. Такие превращения должны быть обратимыми предпочтитель!
но в узком интервале температур, чтобы избежать большого гисЧ
резиса на температурных характеристиках проводимости при ш
гревании и охлаждении.
На основании изучения свойств оксидов металлов переходно^
группы было высказано предположение [15] о том, что электрон-1
ные свойства могут изменяться при сильном взаимодействии ка
тионов металла, находящихся в октаэдрических ячейках криста^
лической решетки. Это взаимодействие, судя по всему, может быр|
достаточно сильным, если соседние октаэдры имеют общую грай
или ребро. Поэтому, зная кристаллическую структуру, можно npejj
сказать, в каких материалах скорее всего будет происходить Н
менение характера проводимости. Наиболее привлекательны окей
122
дЫ со структурой корунда (П20з, V2O3, Сг^О3 и Fe2O3) и структу-
рой рутила (TiO2, VO2, СгО2 и МпО2), так как их октаэдры име-
jot общую грань (корунд) или общее ребро (рутил). Были обна-
ружены аномалии температурной характеристики удельного сопро-
тивления у Ti2O3 при температуре примерно 200° С [16, 17], у
V2O3 при температуре —123° С [17, 18] и у VO2 при температуре
67° С [17]. Аномалии поведения удельного сопротивления V2O3 и
Т120з вызывали чцсто академический интерес, так как первый ок-
сид имеет слишком низкую температуру изменения проводимости
(—123°С), а у второго слишком мало само изменение удельного
сопротивления (на два порядка величины), чтобы его можно было
использовать практически. Только оксид VO2 привлек внимание
разработчиков, так как его удельное сопротивление изменяется на
четыре порядка при 67° С. Проводились обширные исследования
химических, структурных и других свойств VO2, а также техно-
логии изготовления приборов из этого материала, причем в пери-
од между 1965 и 1971 гг. было опубликовано более 80 статей по
этим проблемам.
В одной из самых ранних работ по диоксиду ванадия [19] опи-
сываются бусинковые терморезисторы на основе этого материала,
которые получили название «резисторов с критической температу-
рой», или «критических терморезисторов». Эти приборы изготавли-
вают спеканием смеси пятиокиси ванадия с кислотными оксидами
(оксиды В, Р или Si) или с основными оксидами (оксиды Mg, Са,
Sr, Ba, La или РЬ) или с обоими оксидами в восстановительной
атмосфере. В процессе экспериментов обнаружились большие раз-
бросы значений сопротивления и скачки сопротивления при одной
Т’нс. 8.2. Типовая температурная характеристика терморезистора из VO2 со
скачкообразным изменением сопротивления, иллюстрирующая температурный
гистерезис:
1 охлаждение; 2 — нагревание
Т’ис. 8.3. Статическая вольт-амперная характеристика терморезистора из УО2,
иллюстрирующая скачок сопротивления
123
фиксированной температуре (67°С). На рис. 8.2 и 8.3 приведен^
типовые температурные характеристики сопротивления и воль£
амперные характеристики бусинковых терморезисторов прямого
подогрева. Промышленные типы критических терморезисторов
готовляют в виде незащищенных бусинок на платиновых или пал-
ладиевых проволоках или бусинок, приваренных к более прочным
проволочным выводам, и герметизируют в узкой стеклянной труб-
ке или металлическом корпусе; выпускают также терморезисторы
косвенного подогрева в больших стеклянных баллонах. Все эти бу-
синковые приборы имеют гистерезис на температурной характерис-
тике сопротивления при нагревании и охлаждении. У большинства
промышленных приборов ширина петли гистерезиса приблизитель-
но равна 3° С, хотя варьированием технологии изготовления эту
петлю можно сделать шире.
Первые сведения о тонкопленочном терморезисторе из диоксид
да ванадия относятся к 1967 г. [20]. Эти пленки осаждали реак-
тивным распылением ванадия в кислороде при давлении примерно
IO-2 Па на стеклянные пластинки. Далее их подвергали термообра^
ботке в кислороде при температуре 500° С для превращения окси-
да ванадия в диоксид, имеющий скачок удельного сопротивления
на температурной характеристике. Удельное сопротивление этих
критических терморезисторов менялось скачком на три порядка ве-
личины, и ширина петли гистерезиса составляла от 5 до 15° С. Се-
рийные тонкопленочные критические терморезисторы с прямым
подогревом выпускаются с двумя выводами, а с косвенным подо-
гревом— с четырьмя выводами; обычно их монтируют в транзис-
торном корпусе или в корпусе из литьевого пластика.
Одним из основных недостатков терморезисторов из диоксида
ванадия является то, что температура скачкообразного изменения
удельного сопротивления всегда равна 67° С, что связано со свой-
ствами самого материала. Предпринимались попытки как-то изме*
нить эту температуру введением различных примесей, образую-
щих оксидные соединения или твердые растворы. В монокристал-
лических материалах {21] добавление алюминия, хрома, кобальта
и железа вызывало сдвиг температуры перехода лишь до 72° С, а
добавление ниобия снижало ее примерно до 50° С. Аналогичные
результаты получены для поликристаллических бусинковых термо-
резисторов, но добавление кобальта и железа понижало, а не по-
вышало температуру перехода [22]. Оказалось, что сдвиг темпе-
ратуры зависит от концентрации вводимых примесей и может со-
ставлять приблизительно 20° С по обе стороны от температуры
67° С. К сожалению, большой сдвиг температуры перехода сопро-
вождается одновременным уменьшением «скачка» сопротивления.
Увеличивая концентрацию легирующей примеси, можно в принци-
пе сгладить скачок сопротивления и получить почти нормальную
характеристику прибора с отрицательным ТКС. Температуру пере-
хода диоксида ванадия можно достаточно эффективно изменить пу-
тем частичного восстановления VO2 до его низшего оксида VsQ^
[23]. Восстановление осуществляют отжигом пленки УОг при теМ'
11/24
пературе выше 600° С (обычно 1000° С) в восстановительной атмо-
сфере (С'О2—Н2 или СО—СО2). Получающаяся пленка V3O5 изме-
няет свое сопротивление примерно на 1,5 порядка при температуре
140° С. Легирование исходной пленки диоксида ванадия германи-
ем (2%) понижает температуру перехода в пленке V3O5 примерно
до 120° С.
Применение терморезисторов с отрицательным ТКС из диокси-
да ванадия по существу аналогично применению терморезисторов
с отрицательным и положительным ТКС. Их можно использовать
в системах тепловой сигнализации и переключателях, приемниках
инфракрасного излучения, устройствах временной задержки, гене-
раторах низкой частоты и т. д. Особенности характеристик термо-
резисторов с отрицательным ТКС из диоксида ванадия и их пре-
имущества нагляднее всего проявляются в датчиках температуры и
генераторах низкой частоты.
Глава 9
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС
ИЗ ПРОСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
У всех полупроводниковых материалов, предназначенных для
изготовления терморезисторов, удельное сопротивление должно
обязательно зависеть от температуры. Для подавляющего большин-
ства терморезисторов разработаны специальные композиции, кото-
рые увеличивают их чувствительность и максимизируют отклик на
изменение температуры. В некоторых ситуациях, например при тер-
мокомпенсации электронных схем, температурная чувствительность
этих композиций оказывается слишком высокой, и ее приходится
снижать во избежание чрезмерной коррекции. Следовательно,
здесь нужны материалы с меньшей чувствительностью к изменению
температуры, и этому требованию идеально отвечают такие прос-
тые полупроводники, как кремний и германий.
Типовая зависимость удельного сопротивления монокристалли-
ческого кремния и германия от температуры приведена на рис. 9.1.
Эту кривую можно разделить на три области, две из которых име-
ют большой отрицательный ТКС, а третья, средняя, — небольшой
положительный ТКС. Обе области с отрицательным ТКС обуслов-
лены собственной и примесной проводимостью полупроводникового
материала. В промежуточной обедненной области с положитель-
ным ТКС изменение удельного сопротивления зависит от измене-
ния подвижности носителей заряда с температурой при постоянст-
ве числа этих носителей. В германии переход от области с положи-
тельным ТКС к области собственной проводимости с отрицатель-
ным ТКС происходит в диапазоне температур 0—80°С, так что
полезный интервал с положительным ТКС оказывается слишком
узким для большинства практических применений терморезисто-
ров. Однако в кремнии область с положительным ТКС простира-
125
ется от —60 до +150 С и совпадает с рабочим интервалом резне-
торов с низким ТКС. Низкотемпературная примесная область с от-
рицательным ТКС в германии пригодна для криогенных примене-
ний, и сейчас имеются германиевые термометры, работающие
Рис. 9.1. Температурная характеристи-
ка удельных сопротивлений германия
и кремния в широком интервале тем-
ператур
при криогенных температурах.
Кремний может иметь элек-
тронную (n-тип) или дырочную
(p-тип) проводимость в при-
месной области. Тип проводи-
мости определяется валентно-
стью легирующей примеси,
вводимой в материал. Трехва-
лентные элементы (А1, В, Ga
и др.) обеспечивают проводи-
мость p-типа, а пятивалентные
элементы (Р, As, Sb и др.) да-
ют материал с проводимостью
n-типа. На рис. 9.2 построены
температурные характеристики
удельного сопротивления крем-
ния п- и p-типов с различны-
Рис. 9 2. Температурные характеристики удельного сопротивления кремния И-
и p-типов в области обеднения; концентрация легирующей примеси взята в
качестве параметра:
а — n-тип; б — р-тип
126
ми концентрациями легирующих примесеи для диапазона тем-
ператур, соответствующего положительному ТКС. В этой
области удельное сопротивление определяется концентрацией
примеси, но изменение удельного сопротивления с темпера-
турой не зависит от концентрации примеси, а зависит только от
изменения подвижности носителей заряда с температурой. При
повышении температуры тепловые колебания кристаллической
решетки увеличиваются, что влечет за собой увеличение рассея-
ния носителей заряда на этих колебаниях, сопровождаемое умень-
шением их подвижности. Подвижность электронов и дырок в
кремнии п- и p-типов уменьшается с температурой соответствен-
но как Т~2’5 и Г-2’7; следовательно, ТКС для кремния п-типа
ап = 2,5/7	(9.1)
и для кремния р-типа
ар = 2,7/7.	(9.2)
Выражения	(9.1)	и	(9.2) дают максимальные	теоретические
значения а при	комнатной	температуре	(300 К),	равные	0,83%/° С
для кремния n-типа и 0,9%/° С для кремния p-типа. На практи-
ке эти значения ТКС почти не достижимы, и в реальных прибо-
рах из материала обоих типов проводимости значение ТКС со-
ставляет приблизительно 0,77%/° С.
9.1. Изготовление и свойства терморезисторов
Исходным материалом для изготовления терморезисторов с
положительным ТКС служит монокристаллический кремний, по-
лучаемый выращиванием или зонной перекристаллизацией по
стандартной методике и содержащий известную примесь с конт-
ролируемой концентрацией, равномерно распределенной по всему
кристаллу. После отрезания торцевых участков слитка, в которых
концентрация примесей может меняться, получается цилиндриче-
ский кристалл диаметром 20—50 и длиной 100—300 мм, который
проверяют на соответствие техническим требованиям по удельно-
му сопротивлению. Далее кристалл режут на пластины толщиной
2 мм, поверхности которых шлифуют до получения заданной плос-
костности и параллельности. В случае структур с торцевыми кон-
тактами шлифованные поверхности травят и на них наносят
электроды, как правило, химическим осаждением никеля. Струк-
туры другой конфигурации травят на более поздних стадиях тех-
нологического процесса. После этого пластины устанавливают
строго горизонтально и режут в двух взаимно перпендикулярных
направлениях для получения кубиков с длиной стороны 2 мм или
брусков размером 2X2X5 мм. Конечные размеры можно варьи-
ровать для получения требуемого сопротивления терморезисто-
ров, изготовленных из исходных материалов с несколько отличаю-
щимися удельными сопротивлениями. Конечные стадии техноло-
гического процесса отличаются у различных изготовителей и за-
127
висят от предпочтительной конфигурации приборов. Однако общи-
ми для всех операциями являются припаивание проволочных вы-
водов к контактным поверхностям и герметизация прибора смо-
лой для увеличения его механической прочности. В других кон-
струкциях кремниевый брусок или пластину снабжают механиче-
скими контактами, положение которых фиксируют частично рас-
плавленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые
медные выводы присоединяют прямо или косвенно к торцевым
металлическим контактам. На рис. 9.3 показаны три различные
конструкции терморезисторов.
Рис. 9.3. Три типа конструкции кремниевых терморезисторов с положительным
ТКС:
/ — вывод; 2 — смола, 3— элемент; 4 — никелевое покрытие; 5 — припой; 6 — стекло; 7 —
молибденовый охладитель; 8 — керамическая трубка; 9 — золоченый контакт, 10 — вывод с
торцевым колпачком
Кремниевые терморезисторы с положительным ТКС имеют со-
противление от >10 Ом до 10 кОм при температуре 25° С, обычно
соответствующее стандартному ряду Е12 с допусками на сопро-
тивление 5, 10 и 20%; ТКС изменяется от 0,7 до 0,8% при темпе-
ратуре 25° С, и приближенное соотношение между сопротивлени-
ем и температурой можно выразить так:
Rt =7?25(Т/298)2-з,	(9.3)
где Rt и 7?25 — сопротивления терморезистора соответственно при
температурах Т (в градусах Кельвина) и 298 К.
Рабочий интервал температур большинства приборов изменя-
ется от —65 до +150° С, а у некоторых из них верхний предел
поднят до +200° С. Поскольку основные применения кремниевых
терморезисторов с положительным ТКС не связаны с режимом
работы при нулевой мощности, то зависимость сопротивления от
128
выделяемой мощности и кривая отклонения от номинальной тем-
пературы играют более важную роль, чем температурная харак-
теристика сопротивления. Эти характеристики отличаются друг
от друга у различных изготовителей, так как коэффициент рас-
сеяния зависит от метода герметизации и размеров корпуса.
Обычно рассеиваемая мощность лежит в пределах от 0,125 до
0,25 Вт, а у некоторых приборов она достигает приблизительно
1 Вт, причем коэффициент рассеяния меняется от 1 до 11 мВт/0 С,
если приборы не снабжены охладителями.
9.2. Применение кремниевых терморезисторов
Кремниевые транзисторы способны работать в интервале тем-
ператур от —65 до +200° С, но их параметры чувствительны к
изменению температуры. Для поддержания постоянства режима
работы схемы в широком интервале температур необходима ка-
кая-то форма компенсации, чтобы стабилизировать статическую
рабочую точку. Нестабильность возникает в основном из-за из-
менения трех параметров транзистора: обратного тока коллекто-
ра /дбо, статического коэффициента передачи тока транзистора
в схеме с общим эмиттером Лгы и прямого напряжения эмиттер—
база Дэв- Г1ри малом токе коллектора ток растет с темпе-
ратурой по закону, близкому к экспоненциальному, г. е.
/кБо^ое^-Ч	(9.4)
где До = /кбо при комнатной температуре (25° С); Т и То — соот-
ветственно рабочая и комнатная температуры в ° С; k — коэффи-
циент, меняющийся от 0,06 до 0,094.
Такое увеличение /Дбо как бы «скрадывает» линейное измене-
ние ДэБ и эффекты, связанные с h2i при высокой температуре.
При низких температурах ток /КБо очень мал у большинства
кремниевых транзисторов, так что начинают доминировать неста-
бильности, вызываемые изменениями ДЭБ и h2l с температурой.
Адекватная компенсация изменений коэффициента h2l обычно
достигается применением отрицательной обратной связи, которая
улучшает стабильность и линейность, правда, за счет снижения
коэффициента усиления по постоянному току. Изменение Дэв с
температурой корректируется включением в эмиттерную цепь
кремниевого терморезистора с положительным ТКС. С помощью
схемы, показанной на рис. 9.4, были проведены сравнительные ис-
пытания постоянного резистора и кремниевого терморезистора со-
противлением 75 Ом каждый, результаты которых (рис. 9.5) ил-
люстрируют достижимую степень термокомпенсации. Дальнейшее
совершенствование возможно при включении постоянных резисто-
ров последовательно или параллельно кремниевому терморезисто-
ру с положительным ТКС. Аналогичная компенсация достигается
и при введении глубокой отрицательной обратной связи.
Рисунок 9.6 иллюстрирует принцип компенсации смещения в
специальном регуляторе напряжения, в котором входное напря-
5—78	129
жение постоянного тока меняется от 20 до 100 В, и на выходе не-
обходимо получить постоянное напряжение 14 В при минималь-
ной рассеиваемой мощности и минимальном числе компонентов.
Если коллекторный ток транзистора Т\ начинает расти, то тран-
зистор нагревает кремниевый терморезистор, находящийся с ним в
хорошем тепловом контакте. Последний в свою очередь изменяет
смещение так, чтобы уменьшить ток коллектора, что делает тран-
зистор Т\ источником постоянного тока. Опорное напряжение
14,7 В обеспечивается стабилитроном, так что транзистор Т2 под.
Рис. 9.5. Температурная зависимость кол-
лекторного тока транзистора из схемы,
показанной на рис. 9.4
Рис. 9.4. Схема про-
верки температурной
компенсации
Медленно изменяющееся
постоянное напряжение
от 20 до 100 В
Рис. 9.6. Схема ре-
гулятора напряже-
ния постоянного то-
ка
держивает постоянное напряжение 14
между коллектором и эмиттером.
Другие применения кремниевых термо
резисторов с положительным ТКС вклкз
чают пожарную сигнализацию, измерение
уровня жидкости, регулирование температур
ры генераторов и защиту от тепловых пере-
грузок. Электронные термометры, содержа-
щие кремниевые терморезисторы с положи-
тельным ТКС в качестве датчиков темпера
туры, обладают почти линейной завис®
мостью выходного сигнала от температуры
Следовательно, шкалы таких приборов дл!
измерения температуры могут быть боле<
растянутыми по сравнению с теми, в кото
рых используются терморезисторы с боле;
высоким отрицательным ТКС.
130
Глава 10
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС И ИХ ОСНОВНЫЕ
СВОЙСТВА
10.1.	Историческая справка
В 1956 г. Сауэр и Флэшей впервые сообщили о существовании
положительного ТКС у титаната бария, содержащего небольшое
количество лантана [1]. Температурная зависимость сопротивле-
ния этого материала имела участок с положительным ТКС в ин-
тервале температур от 50 до 225° С, и максимальный ТКС был
равен 14%/° С при температуре примерно 120° С. Твердый раст-
вор титаната стронция и бария, легированный лантаном, имел
положительный ТКС в интервале температур от —50 до +110° С
и максимальный ТКС 9%/°С при температуре 25°С. Легирование
обоих материалов лантаном приводило к образованию полупро-
водника n-типа с регулируемой валентностью, т. е. эта ситуация
аналогична наблюдаемой в отношении оксидов с отрицательным
ТКС, и аномальный участок на температурной характеристике с
положительным ТКС обусловлен фазовым переходом кубической
кристаллической решетки в тетрагональную. В лабораториях фир-
мы Philips в Голландии проводилось независимое изучение этих
материалов, о чем свидетельствует патент, опубликованный в
1957 г. 1[2].
В 1959 г. Сабури [3] исследовал поведение различных приме-
сей в титанате бария и обнаружил существование области с поло-
жительным ТКС в окрестности температуры 120° С и уменьшение
сдельного сопротивления при комнатной температуре после вве-
дения таких примесей, как La, Се, Nd, Pr, Sm, Та, Nb, Bi, Sb.
Введение других примесей (Ag, Со, Ga, Mo, Th, V, W, Zn) не сни-
жало удельного сопротивления титаната бария при температуре
25° С и не вызывало появления области с положительным ТКС.
Влияние сверхстехиометрических Ва и Ti на температурные зави-
симости сопротивления изучалось на материалах, легированных
Се и La, и определялось на переменном токе в широком интерва-
ле температур и частот. Было установлено, что титанат бария
приобретает полупроводниковые свойства за счет образования
ионов Ti3+ в результате взаимодействия Ti4+ с легирующими при-
месями. Проводимость n-типа является следствием переноса
электронов между атомами титана, находящимися в двух раз-
личных валентных состояниях в В-положениях кристаллической
решетки титаната бария со структурой типа перовскита:
Ti4+~>Ti3+-^Ti3+	Ti4+.
5*
131
Попытки объяснить одновременное появление аномальной об'
ласти с положительным ТКС не предпринимались.
Работы, опубликованные в последующие несколько лет, мож-
но разделить на две категории. Одна посвящена в основном со-
ставу и получению исходных материалов для изготовления прибо-
ров с положительным ТКС [4—6], а также началу их примене-
ния [7—9], так как совершенствование технологии изготовления
приборов позволило улучшить контроль параметров материалов.
В этот период было исследовано влияние примесей [10, 11], пар-
циального давления кислорода [12—14] при спекании и состава
материала электродов [14, 15]. Из числа статей, опубликованных
после 1968 г, очень немногие посвящены получению поликристал-
лических керамических материалов с положительным ТКС, так
как основное внимание было обращено на создание пленочны>
терморезисторов. Несмотря на видимый успех в этой области [16
17], массовое производство тонкопленочных приборов еще не на-
лажено.
В работах второй категории изучается аномальное поведение
терморезисторов с положительным ТКС и дается объяснение ме-
ханизма, приводящего к появлению необычных температурных ха]
рактеристик сопротивления. Гудмэн [18] показал, что положи-
тельный ТКС возникает только в поликристаллических материа-
лах и отсутствует в монокристаллических образцах идентичного
состава Отсюда был сделан вывод о том, что данное явлений
связано с межкристаллитными границами, и высказано предпо]
ложеяие о существовании обедненного электронами слоя на по]
верхности кристаллов Периа и др. [19] выдвинули гипотезу, со1*
гласно которой электрическое сопротивление межкристаллитные
контактов не является омическим, зависит от давления, и по сво-
ей структуре контакты эти напоминают угольный порошок, ио
пользуемый в микрофонах. Резкое изменение удельного сопро-
тивления при температуре, соответствующей точке Кюри, объяс
няется воздействием механических напряжений на межкристал-
литные контакты, когда имеет место прерывистый переход струю
туры от кубической в тетрагональную. Более поздние исследова?
ния [20, 21] показали, что это явление вызывается наличием
барьерных слоев на межкристаллитных границах, которые в зна-
чительной мере изменяются вследствие исчезновения сегнетб
электрической поляризации при нагреве материала до температу
ры выше сегнетоэлектрической точки Кюри.
Первое промышленное «признание» терморезисторов с полб
жительным ТКС относится в 1964 г., когда их стали применять
для защиты электродвигателей от перегрева и для индикация
уровня топлива в резервуарах систем центрального отопления. |
связи с широким распространением в Европе цветного телевиде
ния их также стали применять в качестве основных элементов
цепей размагничивания цветных кинескопов. За последнее десЯ
тилетие область применения терморезисторов с положительны!
ТКС значительно расширилась благодаря их использованию в оГ
S32
раничителях тока, устройствах защиты от перенапряжения и ко-
роткого замыкания, устройствах задержки и в искрогасителях, а
также в системах измерения и регулирования температуры. Это
привело к многообразию их конструктивных исполнений.
10.2.	Химические свойства и кристаллическая
структура материалов
Основным материалом для изготовления всех переключающих
терморезисторов с положительным ТКС служит титанат бария.
Стехиометрический титанат бария представляет собой диэлектрик
с высокой диэлектрической проницаемостью, который широко ис-
пользуется в виде керамики при изготовлении миниатюрных кон-
денсаторов и в монокристаллической форме для изготовления пе-
реключающих приборов на сегнетоэлектрических доменах.
Титанат бария BaTiO3 принадлежит к группе оксидов с общей
формулой АВОз, где А — двухвалентный элемент, образующий ок-
сиды типа АО (например, BaO, CaO, SrO, РЬО и т. д.), и В— че-
тырехвалентный элемент, образующий оксиды типа ВО2 (напри-
мер, TiO2, NbO2, ZrO2, HfO2 и т. д.). Эта группа оксидных соеди-
нений кристаллизуется со структурой перовскита, имеющего псев-
докубическую ромбическую решетку, показанную на рис. 10.1. В
этой структуре атомы ме-
талла занимают два ,различ-
ных положения. Катионы В
расположены в вершинах
кубической решетки, и каж-
дый из них окружен шестью
атомами кислорода, образу-
ющими октаэдр. Катионы А
расположены в центре куба,
и каждый из них окружен
двенадцатью равноудален-
ными атомами кислорода.
Чтобы образовать структуру
перовскита, атомы А в ок-
сиде должны быть крупнее
соотношение [22]
Рис. 101. Кристаллическая структура пе-
ровскита
атомов В, т. е. должно выполняться
гА + '-в = ^К2 (гв + г0),
(Ю.1)
где Гд, гв и го — радиусы ионов А, В и О; t— коэффициент, изме-
няющийся от 0,85 до 1,05.
По мере охлаждения кристалла титаната бария с кубической
структурой от температуры 125° С в нем происходят фазовые пре-
вращения при определенных температурах. Сначала при темпера-
туре 125° С кубическая структура превращается в тетрагональ-
ную, поскольку атомы В в параллельных плоскостях смещаются в
одном направлении и несколько сближаются друг с другом, а
атомные плоскости несколько раздвигаются. Отношение осей с/а
133
изменяется от 1 для более высокотемпературной кубической фа-
зы до 1,0098 при комнатной температуре. Поскольку кубическая
структура переходит в тетрагональную, то кристалл титаната ба-
рия становится спонтанно-поляризованным. Поляризация проис-
ходит потому, что шесть энергетически выгодных положений ка-
тиона Ti4+ в октаэдре TiO5 не совпадают с его геометрическим
центром (рис. 10.2). Так как ион Ti4+ достаточно мал, чтобы со-
вершать обнаружимые перемещения в пределах октаэдра, то он
может занимать любое из этих шести положений. При температу-
рах выше 125° С тепловая энергия кристалла оказывается достаточ-
ной для того, чтобы титан мог произвольно занять любое из этих
шести положений, и поэтому чаще всего он располагается в центре
октаэдра. Однако при температуре ниже точки фазового перехода
имеющаяся энергия недостаточна для перемещения в какое-либо
из этих шести положений, и атом титана фиксируется в опреде-
ленном положений ближе к одному из атомов кислорода, образуя
с ним диполь. Схематически эта ситуация изображена на рис. 10.3
[23].
Рис. 10.2. Возможные поло-
жения иона титана в октаэд-
ре TiOe титаната бария
Рис. 10.3. Положения атомов
в тетрагональной решетке
ВаТЮз
Дальнейшее понижение температуры вызывает еще два фазо-
вых перехода в структуре титаната бария: сначала из тетраго-
нальной в орторомбическую при температуре 5° С, а затем в ром-
боэдрически ю при температуре —90° С. Эти два превращения не
существенны для терморезисторов с положительным ТКС, так как
они не сопровождаются значительным изменением поляризации и,
следовательно, механизма проводимости. Основное значение име-
ет высокотемпературный переход от кубической структуры к тет-
рагональной, так как именно при этой температуре, называемой
сегнетоэлектрической точкой Кюри, на характеристике с положи-
тельным ТКС появляется аномальный участок и одновременно
возникает спонтанная поляризация.
Некоторые другие титанаты, кристаллизующиеся со структу-
рой перовскита, также характеризуются аналогичными перехода-
ми от кубической структуры к тетрагональной, но уже при дру-
134
гих температурах. В титанате свинца он происходит при темпера-
туре 490° С, а в титанате стронция при —250° С. Эти материалы
образуют твердые растворы с титанатом бария, и положение их
точки Кюри определяется молекулярным соотношением компонен-
тов в твердом растворе. На рис. 10.4 показано изменение положе-
ние. 10.4. Температура фазового
перехода в твердых растворах (Ва,
Sr)TiO3
Рис. 10.5. Температура фазового
перехода в твердых растворах (РЬ,
Ba)TiO3
ния точки Кюри в твердом растворе титаната бария и стронция
[24], а на рис. 10.5 показана аналогичная зависимость для тита-
натов бария и свинна [25]. Если допустить, что появление ано-
малии на характеристике с положительным ТКС для титаната ба-
рия при температуре 120° С связано с сегнетоэлектрической точ-
кой Кюри, то положение этой характеристики можно изменять за
счет образования твердых растворов с титанатами стронция или
свинца. Эту методику используют на практике.
10.3.	Механизм электропроводности
Чистый стехиометрический титанат бария является диэлектри-
ком с удельным сопротивлением более 1010 Ом-см при комнатной
температуре. Если сделать так, что некоторые катионы в титана-
те бария, в частности катионы Ti4+, будут изменять свою валент-
ность, тогда между двумя ионами, имеющими разный заряд и
находящимися в одинаковых положениях в кристаллической ре-
шетке, может возникнуть электронная проводимость. В титанате
бария такое изменение валентности можно вызвать двумя различ-
ными способами. Первый реализуется путем высокотемпературно-
го отжига материала в восстановительной атмосфере, вследствие
чего в кристаллической решетке образуются вакансии кислорода.
Чтобы сохранить электронейтральность материала, потеря каждо-
го иона кислорода О2~ должна сопровождаться изменением ва-
лентности двух катионов Ti4+ с 4 на 3. Это условие записывается
так:
Ba Ti4+ О3— к О -> Ba Ti4+ Ti|+ О3
v	1 ~~-z> v л л v л
135
Цвет титаната бария изменяется при этом от почти белого, ти-
пичного для стехиометрического материала, до серо-голубого, что
подтверждает наличие ионов Ti3+.
Другой способ создания проводимости заключается в замеще-
нии бария трехвалентными элементами или, наоборот, замещении
титана пятивалентными элементами. Эти два варианта можно про-
иллюстрировать на примере замещения 'бария лантаном и титана
танталом:
BaTi4+ О3 + xLa—хBa->Baf+ La3+ ТР+ Tif+.О3;
Ba Ti4+ О3 + х Та—х Ti	Ва Та3+ Ti3+ Ti4+2x О3.
Ясно видно, что электрическая нейтральность материала вос-
станавливается в результате превращения части ионов Ti4+ в
ионы Ti3+, а это создает условия для возникновения проводимо-
сти между данными ионами, находящимися в В-положениях крис-
таллической решетки. Увеличение концентрации замещающей
примеси вызывает рост проводимости только до определенного
значения х, примерно равного 0,2—0,3 ат. % от замещающего эле-
мента. При превышении этого порога проводимость снова умень-
шается. Рисунок 10.6 [21] иллюстрирует взаимосвязь между про-
водимостью и концентрацией замещающей примеси, выраженной
в мольных процентах замещающего оксида, для трех различных
замещающих элементов. Аналогичный эффект наблюдался при за-
мещении лантаном [26]. С повышением концентрации замещаю-
>	щей примеси голубая окрас-
Рис. 10.6. Зависимость проводимости от
концентрации легирующей примеси
ка материала исчезает и он
становится 'белым. Полага-
ют, что уменьшение прово-
димости при повышенной
концентрации примеси в слу-
чае замещения бария ланта-
ном объясняется появлением
двойных акцепторных лову-,
шек, образующихся в ре-
зультате возникновения свя-
зи между двумя ионам)]
La3+ в соседних положениях
кристаллической решетки 'й
вакансией бария. Увеличение концентрации лантана сопровожда-
ется увеличением концентрации таких ловушек и соответствую-
щим уменьшением числа свободных электронов.
Поведение сурьмы как замещающей примеси представляет чис-
то практический интерес [27, 28]. Если сурьма замещает титан в
титанате бария (т. е. BaTii^xSbxO3), то проводимость отсутству-.
ет, так как сурьма находится в В-положениях в виде равных ко-
личеств ионов Sb3+ и Sb5+, и ионы Ti3+ не образуются. Замещение
136
бария сурьмой (т. е. Bai-xSbxTiO3) ведет при малых х к появле-
нию ионов Ti3+ и образованию соединения
Ba^Sb’+jTiJ+Tij+JO,,
которое в соответствии с постулированным механизмом обладает
более высокой проводимостью. При больших значениях х сурьма
начинает замещать титан, вызывая его осаждение по границам
зерен. В результате получается соединение
Ba*+aSb3+(Sb3+ Sb3+Tit+„_2B)O3,
в котором ионы Ti3+ не образуются и проводимость отсутствует.
Реальные композиции для терморезисторов с положительным
ТКС легируют только небольшими концентрациями примесей, что-
бы получить требуемую проводимость. Наиболее широко применя-
емыми примесными элементами для терморезисторов с положи-
тельным ТКС являются сурьма, лантан, церий, тантал и иттрий.
Объяснение аномального поведения температурной характе-
ристики сопротивления. Чтобы выяснить причину резкого увеличе-
ния сопротивления в точке Кюри, необходимо объяснить высоко-
омное состояние при температурах выше точки Кюри и причину
перехода из низкоомного состояния в высокоомное. Большое
удельное сопротивление при температуре выше точки Кюри при-
писывалось [20, 21] существованию барьерного слоя объемного
заряда толщиной d (рис. 10.7) на поверхности зерен (кристалли-
тов) титаната бария. Толщина слоя
(10.2)
Рис. 10.7. Зонная модель барьерного слоя
137
где Na----число занятых поверхностных состояний и % — кон-
центрация донорной примеси в объеме материала.
Согласно уравнению Пуассона высота потенциального барье-
ра
(Ю.З)
2 ее0
Среднее удельное сопротивление растет за счет этих барьеров
примерно пропорционально ехр(-фо/&Т) по сравнению с объемным
удельным сопротивлением. По данным измерения удельного со-
противления при температуре выше точки Кюри высота барьера
оказывается приближенно равной 0,55 эВ. Повышение потенци-
ального барьера при температуре выше точки Кюри и, следова-
тельно увеличение удельного сопротивления вызываются умень-
шением диэлектрической проницаемости в соответствии с законом
Кюри — Вейса:
^Ф = с/(Т~ТС),	(10.4)
где Тс — температура в точке Кюри; Т — действительная темпера
тура и С — постоянная.
Описанное поведение материала иллюстрируется рис. 10.8. По-
тенциальный барьер -фо будет повышаться до тех пор, пока энер-
гия поверхностных состояний не совпадет с уровнем' Ферми в
этом случае NA- начнет уменьшаться вследствие реэмиссии элек-
тронов в объем. Таким образом, значение -фо асимптотически при-
ближается к Еа—£, где Еа — энергия активации поверхностных
состояний. Такое поведение соответствует реальной, температур-
ной характеристике удельного со-
противления материалов с поло-
жительным ТКС, которая имеет
максимум, когда энергия акцеп-
торных состояний достигает уров-
ня Ферми У обычных материа-
Рис. 10 8 Температурные зависимо-
сти диэлектрических проницаемос-
тей ВаТЮз и удельного сопротив-
ления легированного ВаТЮ3:
р —керамика из ВаТЮз, легирован-
ного 0,1 % ЗЬгОз; е — керамика в
слабом переменном поле; гЭф$ — ке-
рамика в сильном переменном поле
лов с положительным ТКС максимальное увеличение удельного
сопротивления достигает четырех порядков величины, и рассчи-
танная исходя из этого энергия активации поверхностных состоя-
ний примерно составляет 0,9 эВ [20]. При использовании специ-
альных технологических приемов и легировании сурьмой удельное
сопротивление можно увеличить на девять порядков, что соответ-
ствует энергии активации, примерно равной 2 эВ [21]. Наличие
138
барьерного слоя в керамике из титаната бария было наглядно
подтверждено методом декорирования [29] и спектроскопическим
изучением электронной эмиссии, вызываемой ионной бомбардиров-
кой [30, 31].
Хейванг [21] нашел, что для температур ниже точки Кюри ме-
тодику расчета высоты потенциального барьера необходимо из-
менить, чтобы учесть частичную компенсацию отрицательного за-
ряда, накапливаемого на поверхностных состояниях за счет вер-
тикальной составляющей спонтанной поляризации [26]. Автор
[26] предположил также, что в сегнетоэлектрическом состоянии
спонтанная поляризация на внут-
реннем конце чередующихся доме-
нов может эффективно нейтрализо-
вать заряд на поверхностных состоя-
ниях и тем самым ликвидировать
потенциальный барьер в этих обла-
стях. Доменная структура на грани-
цах зерен показана на рис. 10.9.
Зная величину спонтанной поляри-
зации и концентрацию доноров, мож-
но рассчитать глубину проникнове-
ния доменов относительно поверх-
ности зерна. Она получается равной
0,1 мкм, т. е. совпадает с толщиной
барьерного слоя.
Рис. 10.9. Конфигурация доменов
на границах зерен н затухание по-
ляризации внутри зерен
Хотя теория Хейванга объясняет многие известные факты, ка-
сающиеся положительного ТКС в поликристаллическом полупро-
водниковом титанате бария, она не дает исчерпывающего объяс-
нения всех данных, относящихся к поверхностным состояниям в
сегнетоэлектриках. Миллер _£42] установил, что даже после внесе-
ния поправок в модель Хейванга, учитывающих известные изме-
нения концентрации доноров в барьерном слое и в распределении
поверхностных состояний по энергии, между теоретическими и
экспериментальными данными сохраняется большое расхожде-
ние. Некоторые из этих несоответствий были объяснены тем, что
часть поверхностей раздела между зернами остается в сегнето-
электрическом состоянии при температуре выше номинальной точ-
ки Кюри. Надо полагать, что в ближайшие годы будет предложе-
на более точная модель барьерного слоя, которая дает удовлет-
ворительное обьяснение всех известных эффектов, наблюдаемых в
полупроводниковом титанате бария с положительным ТКС.
Модель барьерного слоя [21] используется для объяснения не
только аномалии характеристики с положительным ТКС, но и за-
висимости удельного сопротивления полупроводникового титаната
<139
бария от прикладываемого напряжения, которая показана на рис.
10.10. Если на один барьер подано напряжение U, то его высота
уменьшится, как это показано на рис. 10.7,6. Чем меньше размер
зерен, тем меньше это локальное напряжение при данной напря-
женности внешнего поля Е, и поэтому у крупнозернистого мате-
риала удельное сопротивление снижается при меньших Е, чем у
мелкозернистых материалов. Эта зависимость от напряжения
проявляется сильнее при температуре выше точки Кюри, потому
что высокий потенциальный барьер понижается больше, чем низ-
кий. Другой характеристикой, которая объясняется моделью барь-
ерного слоя, является зависимость сопротивления материала от
частоты, на которой проводится измерение (рис. 10.11). Так как
барьеры на границах раздела помимо нелинейного сопротивления
обладают также емкостью, включенной параллельно этому сопро-
тивлению, то шунтирующий эффект емкости увеличивается с по-
вышением частоты измерения. Такая частотная зависимость огра-
ничивает применимость эффекта аномального изменения сопро-
тивления титаната бария частотами ниже примерно 100 кГц
Рис. 10.10. Зависимости
удельного сопротивле-
ния полупроводниковой
керамики из ВаТЮз от
напряженности внешне-
го поля
Рис. 10.11. Частотные
зависимости удельного
сопротивления при тем-
пературах выше и нн-.
же точки Кюри
Факторы, влияющие на температуру и величину изменения по-
ложительного ТКС. Хорошо известно, что большое увеличение со-
противления с температурой, характерное для терморезисторов с
положительным ТКС, происходит в точке Кюри или при очень,
близкой к ней температуре. Известно также, что температуру Кю*
ри данного материала, например титаната бария, можно изменить
добавлением второго материала, имеющего аналогичные характе-
ристики, но другую температуру Кюри, за счет образования меж-
ду ними кристаллических твердых растворов (см. рис. 10 4 и 10.5).
Частичным замещением титаната бария титанатом стронция илй
свинца точку Кюри можно сместить относительно '125° С в ту илй
другую сторону. Величина смещения зависит от концентраций
замещающего материала. Эндрич [33] описал лабораторные об-
140
разцы терморезисторов с положительным ТКС, обладающие рез-
ким увеличением сопротивления в интервале температур от —100
щ +380° С, их характеристики показаны на рис. 10.12. Было об-
наружено, чго по мере смещения точки Кюри относительно 125° С
при добавлении титаната стронция или свинца крутизна положи-
ло -100 S0 0 50 100 150 200 250 000 350 ООО 050
Температура, °C
Рис 1012. Температурные характеристики удельного сопротивления терморе-
зисторов с положительным ТКС, изготовленных спеканием в лабораторных ус-
ловиях.
Распределение кривых зависит от состава материала, о чем можно судить по значениям
индексов х и у
тельной характеристики уменьшается Серийные терморезисторы
из чистого титаната бария часто имеют ТКС свыше +60%/° С,
тогда как у материалов с точкой Кюри 60 и 180° С он обычно бли-
зок к +15%/° С. У материалов с точкой Кюри —30° С ТКС часто
падает до +8%/° С. Такое изменение ТКС обычно ограничивает
выбор материалов для промышленных терморезисторов с положи-
тельным ТКС значениями температур Кюри от —30 до +230° С.
Для увеличения крутизны температурной характеристики бы-
ли разработаны различные технологические операции, но наиболь-
ший интерес представляет обработка галогенами [34] Образцы
титаната бария, легированного ниобием, обрабатывали галогена-
ми или галоидными соединениями, выделяющими галогены при
температуре от 800 до 1000° С Было обнаружено, что фтор и бром
увеличивают ТКС и максимальное сопротивление, тогда как йод
не дает никаких положительных результатов. Аналогичные ре-
зультаты были получены для легированных ниобием твердых раст-
воров титанатов бария — стронция, бария — свинца и бария —
стронция — кальция Эти эффекты объясняются увеличением плот-
ности поверхностных состояний при наличии галогенов по сравне-
нию с обычным прокаливанием на воздухе. В других исследова-
ниях [12—14] увеличение ТКС достигалось, в основном, за счет
141
регулирования парциального давления кислорода в технологиче-
ской атмосфере на стадиях спекания и охлаждения.
В [10] изучалось влияние концентрации примесей на удель-
ное сопротивление при комнатной температуре, ТКС и точку Кю-
ри титаната бария, легированного лантаном. Оказалось, что ок-
сиды циркония, кальция и кремния в концентрациях до 10~4%
практически не влияют на электрические параметры материала,
но при большей концентрации оксид циркония снижает ТКС и
температуру Кюри. При концентрации оксида циркония 10 мае.%
температура Кюри снижается до 70° С, а ТКС — до 8%/°С. До-
бавление оксида кальция с концентрацией от 1 до 10 мае % не-
сколько повышает температуру Кюри, не меняя других парамет-
ров. Оксид алюминия с концентрацией до 5 -10~4 % увеличивает
удельное сопротивление материала при комнатной температуре,
но очень слабо изменяет температуру Кюри и ТКС. Увеличение
концентрации оксида алюминия до 1О~зо/о повышает удельное со-
противление при комнатной температуре в 20 раз, а аномальный
участок с положительным ТКС совершенно исчезает Оксиды же-
леза и магния прежде всего увеличивают удельное сопротивление
при комнатной температуре, но его значение можно восстановить
повышением концентрации лантана.
В [И] предложен интересный способ устранения отрицатель-
ного влияния примесей в исходных материалах, используемых для
изготовления титаната бария, преднамеренным введением конт-
ролируемых количеств других примесей. Например, оксиды алю-
миния и кремния часто считаются вредными примесями, но вмес-
те с оксидом титана они позволяют получить высокий ТКС и при-
дают полупроводниковые свойства нелегированному титанату ба-
рия, изготовленному из исходных материалов, содержащих приме-
си Мп, Ge, Mg, Си и Zn, которые обычно ухудшают полупровод-
никовые свойства. С учетом этого примеси делятся на две группы,
действие одной из которых противоположно действиям другой. Это
позволяет использовать низкосортные исходные материалы, кото-
рые, как правило, считают слишком «грязными» для производства
терморезисторов с положительным ТКС.
Атомы примесей в полупроводящей керамике из титаната ба-
рия не только изменяют его удельное сопротивление, но и влияют
на крутизну температурной характеристики сопротивления. Эле-
менты первой переходной группы (Мп, Fe, Ni, Со) играют особо
важную роль с точки зрения изменения величины положительно-
го ТКС. Установлено [35], что добавление небольшого количест-
ва оксида марганца увеличивает положительный ТКС титаната
бария, легированного оксидами редкоземельных элементов, висму-
та или сурьмы. Матсуока и др. [36, 37] подтвердили этот вывод в
отношении титаната бария, легированного ниобием и содержащего
от 0,095 до 0,18 мол.% диоксида марганца. Уеока [38] провел все-
стороннее исследование влияния элементов первой переходной
группы и других элементов на температурную характеристику со-
противления титаната бария, легированного неодимом. Из рис.
142
10.13 видно, что эффективность ионов Мп, Fe, Сг в отношении уве-
личения крутизны и степени изменения удельного сопротивления
постепенно ослабевает, тогда как ионы Ni и Со оказывают незна-
чительный эффект. Ионы В, Al, Si постепенно снижают ТКС и
наклон температурной характеристики. Как и ожидалось, степень
изменения удельного сопротивления зависит от концентрации эф-
фективных ионов. Если эта концентрация становится выше неко-
торого порогового значения (около 3- 1О 4о/о для Мп и 10 4% для
Fe), то керамика теряет свои полупроводниковые свойства и пре-
вращается в диэлектрик.
Рис. 10.13. Температурные
характеристики удельного
сопротивления полупровод-
никовой керамики из
ВаТЮ3, легированного не-
одимом до различной кон-
центрации:
а — ярко выраженная, б — слабо
выраженная (цифры соответст-
вуют концентрациям примеси в
мольных процентах)
а)
Перечень всех примесей, применяемых для улучшения элект-
рофизических свойств полупроводниковой керамики, предназна-
ченной для терморезисторов с положительным ТКС, был бы слиш-
ком громоздким. Так, в патенте [39] рекомендуется добавлять ок-
сиды титана, ниобия или иттрия, алюминий, оксид кремния, мар-
ганец, литий (в виде карбоната), сурьму или висмут в чистый ти-
танат бария или в титанат бария, легированный стронцием или
свинцом. Каждая примесь сама по себе или в сочетании с други-
143
ми играет различную роль в керамике Ниобий или иттрий прида-
ют полупроводниковые свойства; алюминий, оксид кремния и ти-
тан образуют жидкую фазу при спекании и определяют размер
зерен, а также уменьшают чувствительность к напряжению при
температуре выше точки Кюри; карбонат лития уменьшает удель-
ное сопротивление и увеличивает его изменение в области с поло-
жительным ТКС; марганец увеличивает наклон температурной
характеристики и, наконец, сурьма или висмут улучшают однород-
ность материала и регулирует размер зерна. Процесс изготовле-
ния материала становится более сложным, если внесение приме-
сей проводится на различных стадиях. Думается, что полупровод-
никовые материалы с положительным ТКС будут значительно ус-
ложняться по мере расширения наших знаний о тех функциях, ко-
торые выполняют различные примеси в титанате бария. /
Хотя точный механизм воздействия ионов примесей на различ-
ные участки температурной характеристики сопротивления термо-'
резисторов с положительным ТКС пока неизвестен, процесс обра-
зования акцепторных уровней в титанате бария при замещении'
Ва2+ одновалентными ионами (Na+) и Ti4+ трехвалентными (М.п®+,'
Fe3+, Ga3+), безусловно, играет важную роль. По мере изучения-
структуры и поведения материалов с донорными примесями все
больше внимания будет уделяться исследованию дефектов струк-
туры титаната бария, вызываемых низким парциальным давлени-
ем кислорода при высокотемпературной обработке [40], а также
образованию акцепторных уровней при легировании [41, 43] По-
нимание роли примесей в материалах с положительным ТКС по-
зволит не только создать новые приборы с улучшенными характе-
ристиками, но и расширить области их применения.
Глава 11
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС
Для терморезисторов с положительным ТКС характерна более
тесная связь между технологией изготовления и вытекающими
отсюда свойствами приборов, чем для терморезисторов с отрица-
тельным ТКС При изготовлении терморезисторов с отрицатель-
ным ТКС правильно выбранный состав и приемлемая чистота ис-
ходных материалов позволяют избежать таких дефектов, как
растрескивание в дисковых приборах. Получаемый в результате
керамический прибор обладает удельным сопротивлением и ТКС,
близкими к заданным. У терморезисторов с положительным ТКС
низкотемпературное удельное сопротивление, положение, крутизна
и протяженность участка с положительным ТКС, а также чувст-
вительность к приложенному напряжению критически зависят от
стехиометрии и состава исходных материалов, а также от темпе-
ратуры, продолжительности и состава атмосферы в процессе спе-
144
кания Такое различие в требованиях к степени точности регули-
рования параметров процесса изготовления двух типов терморе-
зисторов объясняется тем, что основные свойства терморезисторов
с отрицательным ТКС определяются явлениями в объеме полупро-
водникового материала, тогда как свойства терморезисторов с по-
ложительным ТКС зависят прежде всего от поверхностных явле-
ний на границах зерен в поликристаллической керамике. Так как
поверхность зерен подвержена сильному влиянию различных при-
месей, прочно входящих в кристаллическую структуру, или изме-
нений состава атмосферы при спекании, то это требует более
жесткого контроля параметров на всех этапах производственного
процесса, чтобы гарантировать воспроизводимость химических и
электронных состояний на границах раздела зерен
1.1. Технология изготовления
Методика изготовления терморезисторов с положительным
ТКС аналогична описанной ранее для терморезисторов с отрица-
тельным ТКС; схема последовательности технологических опера-
ций приведена на рис 11 1.
Процесс изготовления начинается с подбора высокочистых ис-
ходных материалов, обладающих высокой реакционной способно-
стью друг к другу, чтобы гарантировать воспроизводимость полу-
чаемой керамической массы, которая гомогенна по отношению к
образующим ее компонентам и к низкой концентрации примесей.
Для достижения высокой реакционной способности предпочтение
обычно отдают соединениям бария (а также стронция и свинца),
титана и примесям, которые образуют оксиды при нагревании, а
не самим оксидам. Одним из распространенных исходных мате-
риалов является титанил-оксалат бария, получаемый взаимодей-
ствием хлористого бария, четыреххлористого титана и щавелевой
кислоты и разлагающийся при обжиге с образованием титаната
бария. Другими исходными материалами являются карбонат бария
и диоксид титана (в двух модификациях’ рутил и анатаз) с ле-
гирующими оксидами или оксалатами Все материалы должны
быть высокочистыми, особенно в отношении щелочных металлов,
а также металлов переходной группы, т. е. железа, кобальта и ни-
келя Соединения бария обычно содержат и некоторое количество
стронция в качестве примеси, что допустимо, ибо при необходи-
мости его влияние на температуру переключения можно скомпен-
сировать добавлением соединений свинца Однако концентрация
примеси должна быть известна, чтобы не нарушить стехиометрии
материала Точный состав зависит от требуемой температуры пе-
реключения (стронпий или свинец используют для замещения ба-
рия в ВаТ1О3) и от тех примесей, которым отдает предпочтение
сам изготовитель
Наиболее распространенными легирующими примесями явля-
ются лантан, церий, тантал и иттрий, хотя можно использовать
145
почти все редкоземельные элементы. Легирующие примеси вводят
в количестве от 0,2 до 0,3 ат.%, например Вао,997Сео,оозТЮ3. На
практике часто допускается небольшой избыток титана в исход-
ной смеси, что делается по двум соображениям. Во-первых, чтобы
уменьшить вероятность образования тугоплавкой фазы Ba2TiO4
___ Дробление
и измельчение
_ Фильтрация
и сушка
_ Добавление
связующего
_ Прессование
или экструзия
- Спекание
Рис. 11.2. Влияние степени нестехи-
ометричности на удельное сопро-
тивление
Серо голубил полупроводящая
керамика
Химическая
- металлизация
или серебрение
— Термообработка
Присоединение
- проволочных
выводов
Терморезистор с поло
жительным ТЙС
Рис. 11.1. Технологическая карта
производства терморезисторов с по-
ложительным ТКС
там, где имеется избыток бария в BaTiO3, и, во-вторых, чтобы
обеспечить небольшой избыток диоксида титана в конечном ма-
териале. Этот избыток реагирует с BaTiOg и образует BaTi2O5, ко-
торый существует в жидкой фазе при высокой температуре и спо-
собствует спеканию. Было также установлено, что минимальным
удельным сопротивлением обладают составы с небольшим избыт-
ком TiO2 и что избыток бария сильнее увеличивает минимальное
удельное сопротивление, чем эквивалентный избыток титана. По-
этому при избытке титана достигается более точное регулирование
146
)дельного сопротивления, чем при избытке бария. Рисунок 11.2
иллюстрирует этот эффект в титанате бария, легированном цери-
ем [1].
..Смешивание исходных оксидов или карбонатов обычно прово-
дят в шаровых мельницах с использованием деионизованной во-
ды в качестве жидкой фазы, при этом необходимо принимать ме-
ры по предотвращению загрязнения смеси из мельницы и шаров.
Для минимизации загрязнения используют муллитовые шары [2]
и полиэтиленовые барабаны [3]. После смешивания суспензию
фильтруют, сушат и прокаливают на воздухе при температуре
900—1200° С в течение 1—2 ч. Во время этого процесса исходные
соединения разлагаются до окислов с высокой химической актив-
ностью, 'которые взаимодействуют друг с другом с образованием
белого непроводящего титаната бария в виде порошка или полу-
спеченной плотной массы. Длительность, температуру и физиче-
ское состояние исходного материала во время прокаливания мож-
но изменять, чтобы регулировать размер зерен в готовой спечен-
ной керамике. Белый титанат бария размалывают до мелких час-
тиц и затем измельчают в мельнице для восстановления реакци-
онной способности и однородности. Обычно время размола состав-
ляет от 4 до 48 ч в зависимости от типа мельницы, времени и тем-
пературы прокаливания.
К белому порошку титаната бария добавляют связующее, и
полученную массу механически спрессовывают в виде так назы-
ваемого «зеленого» тела (заготовки). Было обнаружено [1], что
давление при прессовании заготовок влияет на удельное сопро-
тивление, диэлектрическую проницаемость и угол полного сопро-
Рис. 11.3. Влияние
давления при прес-
совании на удельное
сопротивление, ди-
электрическую про-
ницаемость н угол
полного сопротив-
ления:
/ — удельное сопротивле
ние при 25°С; 2 — ди-
электрическая проницае
мость при 25°С, 3 — угол
полного сопротивления
при 25°С
тивления конечного продукта (рис. 11.3). Исследование под микро-
скопом показало, что с увеличением давления размер зерен уве-
личивается, чем и объясняются указанные эффекты. На практике
обычно используют давление при прессовании от 0,5 до 4 тонн/см2.
147
Заготовки спекают в электропечах при температуре от 1300 до
1400° С в течение времени до 2 ч в зависимости от состава смеси.
Температура и время сильно влияют на свойства конечного про-
дукта Повышение температуры спекания приводит к снижению
удельного сопротивления материала при комнатной температуре,
так как происходит более полный его переход в полупроводнико-
вую фазу При оптимальной температуре спекания образуется ма-
териал с минимальным удельным сопротивлением С дальнейшим
повышением температуры спекания размер зерен увеличивается с
температурой, что приводит к росту удельного сопротивления.
Крутизна участка с положительным ТКС на температурной харак-
теристике сопротивления уменьшается при укрупнении зерен с
увеличением времени или температуры спекания На практике
варьирование между временем спекания и максимальной темпе-
ратурой используют в качестве параметра, обеспечивающего по-
лучение заданных конечных характеристик Чаще всего спекание
проводят на воздухе Исследования в атмосфере с высоким и низ-
ким содержанием кислорода по сравнению с воздухом показали,
что удельное сопротивление и положительный ТКС увеличиваются
при содержании кислорода выше 21 % и уменьшаются при более
низком его содержании относительно воздуха
До сих пор мало внимания уделялось вопросу выбора поверх-
ности подложки для спекания заготовок из титаната бария Са-
бури [3] предлагает использовать капсулы из материала с высо-
ким содержанием оксида алюминия или оксида циркония, но не
приводит никаких подробностей Из практики известно, что несу-
щая поверхность оказывает существенное влияние на характерис-
тики готовых приборов и служит не просто инертной подложкой
для заготовок, особенно тогда, когда в исходный материал специ-
ально добавляется диоксид кремния или избыток оксида титана
для образования жидкой фазы во время спекания. Число и размер
пор в несущей поверхности определяют количество жидкой фазы,
удаляемой из слоев, окружающих зерна титаната бария, а сле-
довательно, и количество второй базы в охлажденном материале.
Контроль и обновление поверхности, контактирующей с заготов-
ками, во многом способствуют обеспечению воспроизводимости
свойств терморезисторов с положительным ТКС, изготавливаемых
из данного исходного материала
После опекания заготовки проверяют на соответствие требуе-
мым характеристикам Для этого используют временный контакт
из амальгамы индия или сплава индия и галлия, который «вти-
рают» в поверхности керамики После проверки отдельных образ-
цов на приборы всей партии наносят постоянные контакты. Наи-
более распространенным материалом для постоянных контактов,
обладающих хорошей адгезией и низким сопротивлением, явля-
ется химически осаждаемый никель [4], который сначала был ус-
пешно опробован на полупроводниковых приборах [5] Этот про-
цесс заключается в сенсибилизации поверхности путем погруже-
ния в раствор двуххлористого олова и последующего осаждения
148
никеля при погружении в раствор, содержащий никель. Получен-
ную в результате пленку подвергают термообработке три темпера-
туре около 400° С в инертной среде или вакууме для превращения
фосфида никеля в металлический никель, дающий хороший оми-
ческий контакт. Другими контактными материалами служат твер-
дые сплавы галлия [6] или выпускаемые серийно серебряные пас-
ты со специальными добавками, обеспечивающими омический кон-
такт с полупроводниковым керамическим материалом n-типа. По-
мимо указанных контактов применяют также металлы, осаждае-
мые в вакууме Так как электроды должны покрывать только про-
тивоположные плоские поверхности дисков или торцы стержней, то
края дисков и центральные участки стержней приходится маски-
ровать В другом варианте дисковый прибор целиком покрывают
электродным материалом, который затем удаляют при шлифова-
нии поверхности по краям или бесцентровым шлифованием. В
этом случае полностью металлизированные диски можно резать
на блоки, содержащие несколько терморезисторов с положитель-
ным ткс.
На последнем этапе изготовления терморезисторов с положи-
тельным ТКС к ним присоединяют выводы, как правило, пайкой,
но иногда с помощью эпоксидной смолы, содержащей металл в
качестве наполнителя Материалом для выводов обычно служит
голая одножильная или многожильная изолированная облужен-
ная или посеребренная медная проволока, но применяют также
никелевую проволоку Дисковые приборы поставляются неизоли-
рованными или чаще изолированными слоем эпоксидной или си-
ликоновой смолы, выдерживающей максимальную рабочую тем-
пературу приборов или температуру перегрева. Некоторые типы
Рис 114 Терморезисторы с положительным ТКС разных фирм-изготовителей
149
терморезисторов с гибкими выводами, используемые для тепло-
вой защиты электродвигателей, снабжают дополнительной изоля-
цией в форме термоусаживающейся трубки из поливинилденфто-
рида или фторопласта, которую надевают на диск и выступающие
участки выводов. На рис. 11.4 показаны некоторые промышленные
типы терморезисторов с положительным ТКС.
В последнее время появились новые конструкции терморезис-
торов с положительным ТКС, что связано с расширением сферы
их применения. Одним из примеров такой конструкции может
служить прибор, применяемый для размагничивания кинескопов
цветных телевизиров. Первоначально1 он представлял собой диск
диаметром 10—18 мм и толщиной 7—10 мм с проволочными выво-
дами. Эти приборы довольно часто выходили из строя из-за рас-
трескивания диска во время присоединения выводов, а также во
время работы из-за сильных температурных градиентов, вызывае-
мых большими начальными токами при включении. Указанные
трудности были преодолены с помощью дисковых терморезисто-
ров без выводов, но с механическими контактами, помещенных в
пластмассовый или металлический корпус. Позднее было установ-
лено, что двойной терморезистор с положительным ТКС с тремя
выводами (рис. 11.5) имеет более высокие рабочие параметры и
позволяет снизить стоимость размагничи-
1 вающих катушек по сравнению с двумя
-2 обычными терморезисторами. В современ-
ных цветных телевизорах он постепенно вы-
тесняет одиночные терморезисторы с поло-
? жительным ТКС.
Рис. 115. Конструкция двойного терморезнстора с
положительным ТКС для размагничивания цветных
кинескопов:
/ — корпус, 2 — терморезисторы с положительным ТКС, 3 —
пружинные контакты; 4 — пластиковое основание
11.2. Электрические характеристики
Электрические свойства терморезисторов с положительным
ТКС определяются крутизной участка с положительным ТКС на
температурной характеристике сопротивления. Этот участок вмес-
те с вольт-амперной характеристикой определяет весь тот комп-
лекс свойств, который необходим для применения данного типа
терморезисторов. Так как поведение сопротивления на этом участ-
ке является аномальным, то мы не располагаем простыми выра-
жениями, описывающими свойства такого терморезистора во всем
его рабочем диапазоне. Поэтому лучше всего пользоваться при-
ближенными формулами, которые справедливы только для огра-
ниченного участка рабочего диапазона.
Температурные характеристики сопротивления. Зависимость
сопротивления терморезистора от температуры (относительно его
значения при комнатной температуре), а также крутизна области
U50
Температура
с положительным ТКС могут изменяться в очень широких преде-
лах, что подтверждается экспериментальными данными, приведен-
ными на рис. 10.12. Каждую температурную кривую сопротивле-
ния можно рассматривать как разновидность основной характе-
ристики, показанной на рис. 11.6. Последняя состоит из участка
с отрицательным ТКС, простирающегося до температуры Тв,
участка с положительным ТКС, расположенного между темпера-
турами Тв и ТР с максимальным ТКС при температуре Тс, и вто-
рого участка с отрицательным ТКС при температуре выше ТР. В
области между Тв и ТР логарифм сопро-
тивления приблизительно пропорциона- 1*11
лен температуре, следовательно,
log R = А' Т + А",	(11.1) 1|
где А' и А" — постоянные.	I §
Скорость изменения сопротивления с |
температурой определяется из вираже-
ния	§ I
d[f{RA = d[A'T+A"]	*
dT	dT
Рис. 11.6. Классическая
ИЛИ	температурная характери-
।	d р	стика удельного сопротив-
------- = А'.	(11.2) ления терморезистора с по-
R	d Т	ложительным ТКС
Так как температурный коэффициент
1 d R
а=---------------------------,
R dT
то, заменив в (11.1) постоянную А' на а, получим
log£=aT + B,	(11.3)
где В—постоянная.
Если R\ и R2 — значения сопротивлений при температурах Т\
и Т2 в интервале между Тв и ТР, то
(% — >303 log R±	(114)
При температурах выше ТР и ниже Тв зависимость сопротив-
ления от температуры приближенно подчиняется обычному зако-
ну для терморезисторов с отрицательным ТКС:
log R = В'/ТВ".	(11.5)
Дифференцируя это выражение по Т, получаем
(П.6)
R d Т Т2
Поскольку (1/7?) (dR/dT) =a, то отсюда
а = — В'1Т\	(11.7)
где постоянная В' соответствует постоянной материала В у тер-
морезисторов с отрицательным ТКС.
151
Следует отметить, что все приведенные выражения являются
лишь приближенными и не могут быть использованы для точных
практических расчетов сопротивления в широком интервале тем-
ператур. Обычно точные сведения получают графическим построе-;
нием на основе экспериментальных данных.
До сих пор еще не согласован вопрос о какой-то стандартной
температуре, которую можно было бы использовать для определе-
ния начала резкого изменения положительного ТКС терморезис-
торов. В настоящее время приняты два определения. Согласно
одному из них в качестве стандартной рекомендуется температу-
ра, соответствующая максимальному положительному наклону
температурной характеристики сопротивления; на эксперименталь-
ных кривых эта температура часто соответствует точке переги-
ба. По другому определению за стандартную температуру прини-
мается та, при которой сопротивление прибора равно его удвоен-
ному минимальному значению. Если говорить о реальных прибо-
рах, то ни одно из этих определений не является удовлетвори-
тельным, поскольку обе указанные температуры трудно опреде-
лить. Потребители терморезисторов с положительным ТКС долж-
ны обращать особое внимание на температуру, указываемую тем
или иным изготовителем, так как у приборов с одинаковыми тем-
пературными характеристиками температуры скачкообразного из-
менения сопротивления могут отличаться друг от друга даже на
20° С, если они определялись различными методами. В реальных
условиях потребителю и изготовителю следует сообща устанав-
ливать пределы сопротивления при двух температурах на участке
температурной характеристики с положительным ТКС, которые
лежат внутри критического интервала рабочих температур.
Все измерения сопротивления и его температурной характе-
ристики нужно выполнять при каком-то заданном напряжении,
так как сопротивление терморезистора с положительным ТКС за-
висит до некоторой степени от прикладываемого к нему напряже-
ния. Этим эффектом, который иногда называют варисторным,
можно управлять, регулируя состав и структуру материала или
режим опекания. На рис. 11.7 показаны температурные характе-
ристики сопротивления промышленных резисторов с положитель-
ным ТКС [7], снятые при двух значениях напряженности элект-
рического поля. Видно, что чувствительность по напряжению ма-
ла при низких температурах, но становится значительной при тем-
пературах выше точки Кюри для данного материала. Поэтому
сопротивление при большой напряженности поля измеряют в им-
пульсном режиме, чтобы избежать саморазогрева. Если опреде-
лять чувствительность по напряжению как отношение максималь-
ного сопротивления при напряженности поля Е к максимальному
сопротивлению при напряженности Е=1 В/мм, тогда кривая, по-
строенная на рис. 11.8, демонстрирует изменение чувствительно-
сти по напряжению прибора, температурные характеристики со-
противления которого приведены на рис. 11.7, в зависимости от
напряженности внешнего поля.
152
Чувствительность по напряжению можно также определить с
помощью эквивалентной схемы реального терморезистора с поло-
жительным ТКС. Она состоит из идеального терморезистора с по-
ложительным ТКС, не обладающего чувствительностью, и вклю-
ченного параллельно ему идеального варистора, как это показа-
Рис. 11.7. Влияние напря-
женности внешнего поля на
температурную зависимость
сопротивления
Рис. 11.8. Вольтовая чувствитель-
ность терморезистора, для которого
зависимость сопротивления от тем-
пературы построена на рис. 11.7
но на рис. 11.9. Вольт-амперные характеристики терморезистора
с положительным ТКС и двух идеальных приборов приведены на
рис. 11.10. Ясно, что характеристика реального терморезистора с
положительным ТКС совпадает с кривой для идеального термо-
Идеальный. Варистор U^cfl')11
Меальный терморезистор U-l’ft
Рис. 11.9. Представле-
ние терморезистора с
положительным ТКС в
виде «идеальных» эк-
вивалентных элементов
Рис. 11.10. Сравнение вольт-амперных ха-
рактеристик реального терморезистора с
положительным ТКС и «идеальных» эле-
ментов:
1 — идеальный терморезистор с положительным
ТКС; 2 — идеальный варистор
резистора с положительным ТКС при малых напряжениях, где
действует линейный закон, и совпадает с характеристикой иде-
ального варистора, где зависимость от напряжения становится
более эффективной. Чувствительность по напряжению терморезис-
153
тора с положительным ТКС можно рассчитать >по данным импуль
сных измерений в двух точках (£ЛА) и (£73/з), лежащих выпи
точки пересечения характеристик двух идеальных элементов:
в = 1?g^~10g,n	(11-8)
log (/3— C/s)
и
(H.9)
где К— сопротивление, измеренное при низком напряжении U\.
Определяемая таким способом чувствительность по напряже-
нию зависит от температуры, и поэтому при измерениях необхо-
димо задаваться определенной температурой.
Коэффициент рассеяния. Стационарный коэффициент теплово-
го расеяния, обычно выражаемый в милливаттах на градус Цель-
сия (мВт/0 С), связывает мощность, выделяемую прибором, с пре-
вышением его температуры относительно температуры окружаю-
щей среды. Факторами, определяющими тепловое рассеяние, явля-
ются конструкция прибора (эффективная излучающая площадь
поверхности), способ создания контактов (диаметр, длина и мате-
риал выводов или контактных прижимов при отсутствии выводов),
состав и температура окружающей среды, а также скорость пото-
ка в окружающей среде.
Коэффициент рассеяния определяют по известной температур-
ной характеристике сопротивления и вольт-амперной характерис-
тике, которые снимают при заданном тепловом режиме. Для это-
го начало координат соединяют прямой линией с точкой на вольт-
амперной характеристике. Наклон этой линии определяет сопро-
тивление прибора, а произведение напряжения и тока дает мощ-
ность в этой точке. Температуру Т\ можно найти из температур-
ной зависимости сопротивления, так что коэффициент рассеяния
К^РЛЛ-Т’окр).	(н.ю)
Вольт-амперные характеристики терморезисторов с положи-
тельными ТКС зависят от температурной характеристики сопро-
тивления, температуры окружающей среды и коэффициента рас-
сеяния. С увеличением прикладываемого напряжения вольт-ам-
перная характеристика подчиняется закону Ома до тех пор, пока
нагрев протекающим током не увеличит температуру прибора вы-
ше точки Кюри. Далее сопротивление начинает резко расти, что
сопровождается соответствующим уменьшением тока. На рис.
11.11 построено семейство типовых вольт-амперных характеристик
терморезисторов с положительным ТКС для различных темпера-
ч тур окружающей среды. При дальнейшем возрастании прикла-
дываемого напряжения терморезистор с положительным ТКС
может быть нагрет выше температуры, соответствующей точке
перегиба на температурной характеристике сопротивления, и
тогда ток снова начнет расти. Последующее нагревание может
привести к тепловому разрушению, если сопротивление прибора
Приближается К dRmax-
154
При использовании терморезисторов с положительным ТКС в
качестве ограничителей тока полезно уметь рассчитать пиковое
значение тока на вольт-амперной характеристике. К сожалению,
иды не располагаем универсальной формулой для прямого расче-
та этого значения для всех форм температурных характеристик
сопротивления, но приемлемую аппроксимацию можно осущест-
вить графическим методом. Один из таких методов состоит в еле-
дующем.
Рис. 11.11. Вольт-амперные
характеристики при различ-
ных окружающих температу-
рах
Рис. 11.12. Часть характеристики
•^противление — температура для
терморезистора с положительным
ТКС, построенной в линейном мас-
штабе
Мощность Ж потребляемая любым прибором,
W^FR	(11.11)
и
Ж=7<0,	(11.12)
где К — коэффициент рассеяния и 9 — повышение температуры.
При малых изменениях мощности можно пренебречь вторым и
более высокими членами, т. е.
ДЖ = 2/7?Д/ + /2Д7?	(11.13)
и
ДЖ = 7<Д0.	(11.14)
В точке максимума вольт-амперной характеристики Д/=0.
Пометив индексом т значения в максимуме этой характеристи-
ки, можно переписать (11.13) и (11.14) в следующем виде:
&Wm~FmbRm-,	(11.15)
(11.16)
155
Совместное решение уравнений (11.15) и (11.16) дает
K№m=Pm\Rm	(11.17);
или
А6т __ т
&Rm~ к ’
(41.18)
Отношение Д9т/ARm можно найти графически по температур-
ной характеристике терморезистора с положительным ТКС, пост-'
роенной в линейном масштабе (рис. 11.12). Касательная к точке
с координатами Rm и Тт пересекает ось абсцисс в точке Тх так
что
_ Т' т	' Т' X		(11.19)
	Мт	Rm	
Подставляя (11.19) в Т л т	(11.18), получаем -Tx = PmRm!K.	,(11.20)
С другой стороны, PmRmIK~Wm/K==Tm—T0KV. Следовательно, Тж=Токр. Поэтому выражение		(11.19) прини-
мает вид Подставляя (11.21) в	_ Т'т ^*окр MRm	Rm (11.18), находим Г2 _ Tm Токр т	р	(11.21) (11.22)
откуда 4	- 1 А(Тт-Т0КР) 1 V Rm	(11.23)
Таким образом, рассмотренный метод сводится к следующему:
1.	Строим температурную характеристику терморезистора с
положительным ТКС в линейном масштабе.
2.	Проводим касательную к этой характеристике, чтобы она
проходила через точку на оси абсцисс, соответствующую темпе-
ратуре окружающей среды.
3.	Определяем значения Rm и Тт и подставляем их вместе со
значением К в уравнение (11.23).
Стабильность. Информация о долговременной стабильности
терморезисторов с положительным ТКС почти отсутствует. Это
объясняется тем, что в большинстве применений терморезисторов
с положительным ТКС стабильность их сопротивления менее кри-
тична по сравнению со стабильностью терморезисторов с отрица-
тельным ТК.С, так как первые обычно работают на участке своей
характеристики с положительным ТКС таким образом, что точное
156
значение сопротивления при данной температуре теряет смысл.
При обычном значении ТКС в интервале 30—60%/° С изменение
сопротивления на 10% эквивалентно изменению температуры
«переключения» на 0,33—0,16° С, что для большинства практи-
ческих случаев ничтожно мало. Сабури и Вакино [1] опубликова-
ли данные об изменении сопротивления терморезисторов с поло-
жительным ТКС, изготовленных из пяти различных смесей и
имевших температуру «переключения» от —50 до +110° С, кото-
рые хранились при температуре 25° С в течение 60 суток. Эти
результаты приведены на рис. 11.13. Все приборы сначала име-
ли большие отклонения сопротивления, но по истечении 60 суток
отклонение не превышало 6%.
Рис. 11.13. Характеристики ста-
рения терморезисторов с поло-
жительным ТКС при различной
температуре:
1- Т=—20°С; 2 — Т=-50°С; 3 — Т = 50°С;
4— Г=110°С; 5 — T=80°C
Текстер-Проскурякова и Шефтель [8] изучали стабильность
терморезисторов с положительным ТКС с температурой «пере-
ключения» 125° С, выпускаемых в СССР. В условиях испытаний
при нормальной и повышенной влажности, при предельной элек-
трической нагрузке, ограничиваемой максимально допустимой
мощностью рассеяния, и при максимальной рабочей температуре
(200° С) сопротивление приборов увеличилось в течение первого
года испытаний на 5—15%, а затем стабилизировалось. Ни один
вид испытаний не вызывал обнаружимого изменения температуры
«переключения». В 1976—1977 гг. фирма TDK Electronics Со. Ltd.
выпустила справочник, содержащий сведения о стабильности раз-
магничивающих терморезисторов, которая изучалась в моделиро-
ванных рабочих условиях. В режиме прерывистой нагрузки (вклю-
чение и выключение через 1 мин при напряжении 150 В переменного
тока и комнатной температуре) сопротивление уменьшалось при-
мерно на 3% после 100 ч испытаний, а затем плавно возрастало
до конечного значения (после испытаний в течение 1600 ч), пре-
вышавшего исходное приблизительно на 3%. При испытании
идентичных терморезисторов в условиях постоянной нагрузки
(150 В переменного тока, температура 40° С и относительная влаж-
ность 90—95%) их сопротивление плавно снижалось до при-
мерно 96% начального значения после 100 ч испытаний и затем
оставалось постоянным вплоть до окончания испытаний (5000 ч).
Для большинства применений терморезисторов с положитель-
ным ТКС стабильность температуры «переключения» важнее ста-
бильности сопротивления при комнатной температуре. Единст-
венное краткое упоминание о стабильности температуры «пе-
•157
реключения» содержится в [8], но, по всей вероятности, она бу-
дет оставаться в пределах ±ГС относительно своего исходного
значения в течение очень длительных периодов времени при ра-
боте как в нормальных, так и неблагоприятных условиях.
Глава 12
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС
В принципе, области применения терморезисторов4положи-
тельным и отрицательным ТКС совпадают. Можно указать два
основных назначения этих приборов в зависимости от того, ис-
пользуются ли они как термодатчики для обнаружения изменений
температуры окружающей среды или как элементы, рассеиваю-
щие мощность в режиме прямого подогрева. При измерении тем-
пературы важную роль играет температурная характеристика со-
противления, особенно на участке резкого изменения. В режиме
рассеяния мощности интерес представляют статическая вольг-
амперная характеристика и способность ограничивать ток. В
других случаях, когда требуется низкий рабочий ток, большую
роль играет динамическая вольт-амперная характеристика или
временная зависимость тока.
Хотя в настоящее время терморезисторы с положительным
ТКС уступают своим аналогам с отрицательным ТКС по числу и
разнообразию применений, необходимо помнить, что первые от-
носятся к сравнительно новым приборам. Лишь в последние годы
стало очевидно, что терморезисторы с положительным ТКС мо-
гут сыграть важную роль в разработке полностью твердотельных
переключающих и управляющих схем, причем число применении
и специализированных конструкций приборов быстро возрастает.
Поэтому можно предвидеть, что количество терморезисторов с
положительным ТКС, используемых в промышленных и бытовых
устройствах, в ближайшие годы достигнет уровня применения
терморезисторов с отрицательным ТКС.
12.1. Применения, основанные на температурных
характеристиках сопротивления
Когда терморезисторы с положительным ТКС используются в
качестве термодатчиков, они работают при низких уровнях мощ-
ности во избежание саморазогрева. Чтобы избежать ошибок, вы-
зываемых варисторным эффектом в материале этого типа, сопро-
тивление следовало бы (в идеале) измерять при низком посто-
янном напряжении. Однако в реальных условиях точное регули-
рование прикладываемого напряжения становится ненужным,
так как позисторы непригодны для прецизионного измерения
высоких температур вследствие своей нестабильности, и поэтому
158
здесь может идти речь только о чрезмерно больших колебаниях
напряжения питания.
форма температурной характеристики терморезистора с поло-
жительным ТКС может меняться в широких пределах в зависи-
мости от состава материала и технологии изготовления, и на
рис. 12.1 построены две экстремальные характеристики этих при-
боров. Характеристика с меньшим наклоном сохраняет S-образ-
ную форму, но имеет более протяженный участок скачкообразно-
го изменения сопротивления.
Измерение температуры. Идеальный датчик для измерения
температуры должен обладать воспроизводимой линейной зависи-
мостью сопротивления от температуры в широком диапазоне
температур при высоком ТКС; сам прибор должен иметь воспро-
изводимые параметры с 'приемлемыми
отклонениями при серийном производ-
стве. Терморезисторы положительным
ТКС отвечают только одному из этих
требований — имеют высокий ТКС. Они
действительно обладают воспроизводи-
мой температурной характеристикой со-
противления, но ее линейность ограничи-
вается очень узким интервалом темпера-
тур. Поскольку проводимость терморези-
сторов с положительным ТКС определя-
ется свойствами как самих зерен, так и
явлениями на их поверхности, то регули-
ровать разброс сопротивлений в процес-
се производства в данном случае значи-
тельно труднее, чем для терморезисторов
с отрицательным ТКС. Поэтому для по-
лучения приемлемого выхода годных при-
боров и снижения их стоимости прихо-
дится задаваться менее жесткими допус-
ками. Еще более нестабильным, чем со-
Рис. 12.1. Характеристики
сопротивление — темпера-
тура с большой (2) и ма-
лой (/) крутизной для тер-
морезисторов с положи-
тельным ТКС
противление, параметром терморезистора
с положительным ТКС является наклон его температурной харак-
теристики, который также зависит от проводимости в объеме и
па поверхности зерен. Так как характеристики терморезисторов с
положительным ТКС далеки не только от идеальных, но даже от
удовлетворительных, их не рекомендуют применять для измерения
температуры.
Тепловая защита. Многие электротехнические устройства пред-
назначены для работы при температурах, близких к предельно
допустимой для используемых в них изоляционных материалов.
Современные электродвигатели и некоторые трансформаторы
имеют рабочую температуру лишь на 10—20° С ниже, чем пре-
дельно допустимая для изоляции обмоток. Любой дефект в уст-
ройстве или в системе, где работает это устройство, неизбежно
влечет за собой повышение рабочей температуры устройства от-
159
носительно номинальной и поэтому резко увеличивает вероят-
ность его пробоя вследствие нарушения изоляции. Ремонт изо-
ляции больших трансформаторов и электродвигателей обходится
достаточно дорого; кроме того, их временный простой тоже свя-
зан с большими затратами. Даже в случае более дешевых эле-
ментов, таких как мощные транзисторы, истинный ущерб от про-
боя может быть непропорционально выше стоимости ремонта или
замены. Отсюда совершенно очевидна необходимость в защит-
ном тепловом устройстве, которое сигнализирует или отключает
источник питания, когда температура каких-то основных уст-
ройств превысит допустимый уровень. Терморезисторы, обладаю-
ющие очень большим положительным ТКС в определенном тем-
пературном диапазоне, являются идеальными термодатчиками
для этих целей, и в устройствах тепловой защиты они стали при-
меняться уже достаточно давно [1]. Так, в течение последних де-
сяти лет они успешно использовались для тепловой защиты об-
моток возбуждения мощных электродвигателей.
Традиционные методы защиты электродвигателей до начала
60-х годов основывались на включении в цепь пускателя (стар-
тера) устройств, которые представляли собой по существу огра-
ничители тока. И хотя обеспечиваемая ими степень защиты от
перегрева токами перегрузки была достаточно высока, они пол^
ностью не решают проблему. В частности, они не могли защи-
щать от перегрева при недостаточной вентиляции; кроме того, оп-
ределенные трудности встречались при согласовании защитного
устройства с двигателем во всем рабочем интервале токов, вре-
мени и температур, что часто приводило к ненужной остановке
двигателей в отсутствие аварийного режима. Наконец, они сни-
жали надежность защиты при пуске еще неостывшего двигате*
ля (т. е. запускаемого повторно после кратковременного выклю-
чения) по сравнению с пуском холодного двигателя. Всегда счи-
талось, что идеальное защитное устройство должно быть «внед-
рено» в обмотку двигателя, причем там, где выделяется тепло, а
в случае трехфазного двигателя — в обмотку каждой фазы; та-
кая конструкция обеспечивала бы отключение двигателя по до-
стижении чрезмерно высокой температуры. Следует помнить, что
изоляция обмоток способна кратковременно выдерживать темпе-
ратуру, превышающую номинальную. Например, изоляция клас-
са Е имеет срок службы несколько лет при температуре 120° Cl
и ожидаемый срок службы один месяц при температуре 180° С.
Следовательно, кратковременное (в течение нескольких секунд)
превышение температуры не приведет к аварийной ситуации и
лишь незначительно скажется на сроке службы изоляции. По-
этому термочувствительный элемент должен срабатывать за не-
сколько секунд до регистрации неисправного состояния, что поз-
волит избежать ненужного отключения. Биметаллические защит-
ные устройства, заделываемые в обмотку, часто не успевают сра-
батывать при очень быстром нарастании температуры сразу пос-
ле включения двигателя, а это ведет к заклиниванию ротора;
160
кроме того, вследствие температурного гистерезиса они задержи-
вают повторный пуск двигателя после быстрого устранения ава
рийной ситуации.
Чтобы устранить этот недостаток, обычно применяют три дис-
ковых терморезистора с положительным ТКС диаметром 3—
4 мм, гибкие выводы которых изолируют поливинилиденфтори-
дом («кинаром») или ПТФЭ, а сами терморезисторы изолируют
эпоксидным покрытием или термоусаживающейся трубкой из тех
же материалов. Терморезисторы вводят по одному в каждую об-
мотку возбуждения следующим образом: обмотку вскрывают де-
ревянным клином, между слоями проволоки тщательно устанав-
ливают терморезистор и восстанавливают нарушенную структуру
обмотки после извлечения клина [2]. Терморезисторы включают
последовательно в управляю-
щую схему, соединенную с от-
ключающим реле. Этот -ва-
риант системы защиты схема-
тически изображен на рис. 12.2,
а -на рис. 12.3 приведена типич-
ная промышленная схема [5].
Когда двигатель работает в
нормальном режиме, темпера-
тура обмотки возбуждения та-
кова, что рабочие точки термо-
резисторов с положительным
ТКС лежат ниже их точек Кю-
Рис. 12.2. Схема защиты трехфазного
электродвигателя
ри, т. е. они расположены в начале крутого участка характеристиче-
ской кривой, при этом полное сопротивление терморезисторов
меньше 750 Ом. Повышение температуры в аварийной ситуации
увеличивает сопротивление терморезисторов до тех пор, пока уп-
равляющая схема не вызовет срабатывание реле, т. е. до тех пор
пока полное сопротивление не окажется в интервале от 1650 до
^ис- 12.3. Принципиальная схема релейной защиты электродвигателей с при-
" енением терморезисторов
6-78	161
4000 Ом. Как правило, срабатывание происходит прежде, чем
температура каждого прибора превысит температуру Кюри на
5° С. Если перегревается только одна фаза, как например, в од-
нофазном двигателе, то сопротивление терморезистора в этой об-
мотке достигает значения, соответствующего отключению, когда
окружающая температура превысит температуру Кюри не более
чем на 15° С, т. е. когда она превысит нормальную рабочую тем-
пературу на 25° С. Для достижения удовлетворительного времени
срабатывания системы защиты необходим хороший тепловой
контакт между дисковым терморезистором и обмотками возбуж-
дения. Это особенно важно в случае, например, начального за-
клинивания ротора, когда скорость повышения температуры мо-
жет достичь 8—10° С. Типовые характеристики, иллюстрирующие
аварийную ситуацию для промышленного двигателя с номиналь-
ной рабочей температурой 120
, приведены на рис. 12.4
Видно, что максимальная тем-
пература, достигаемая защи-
щенной обмоткой составляет
170° С, т. е. она намного ни-
же температуры сгорания
изоляции. Аналогичные ис-
пытания того же двигателя
Рис. 12.4. Эксплуатационные ха-
рактеристики электродвигателя с за-
торможенным ротором:
/ — обмотка; 2 — терморезистор; 3 — руч
ное отключение; 4 — с использованием уп-
равляющей схемы
в однофазном режиме дали максимальную температуру, ко-
торая на 10° С превышала температуру в трехфазном режиме.
Испытания с ручным отключением питания показали, что темпе-
ратура обмотки 128° С достигается при температуре переключе-
ния терморезистора (120° С). При аналогичных испытаниях с
применением биметаллической защиты последняя не срабатывала
даже по достижении обмотки температуры, превышающей 300° С.
Существуют и другие методы защиты, в том числе основанные
на использовании терморезисторов с отрицательным ТКС [4],
однако система защиты с терморезисторами с положительным
ТКС [5—10], опирающаяся на внутренние и международные,
стандарты, признана повсеместно как наиболее эффективная.'
Терморезисторы с положительным ТКС успешно применялись
также для защиты от перегрева трансформаторов, подшипников,
и мощных транзисторов. В этих случаях терморезистор обычно
механически прижимали или приклеивали к защищаемому объек-
ту для достижения хорошего теплового контакта.	'
Терморезисторы с положительным ТКС можно также исполь-
зовать в системах сигнализации о превышении температуры, на-
пример в системах пожарной сигнализации и автоматического
162
(спринклерного) пожаротушения. На рис. 12.5 показана схема
простого сигнального устройства с питаемой от сети неоновой
лампой и параллельно включенным терморезистором с положи-
тельным ТКС. Если температура окружающей среды возрастет
до предельно допустимого значения, сопротивление терморезис-
тора увеличивается и загорается неоновая лампа. Лампа гаснет,
Рис. 12 5. Характеристика и схема системы сигнализации о перегреве:
/ — неоновая лампа включена; 2 — выключена
если температура вновь уменьшается. Аналогичную схему можно
использовать в системе управления, в которой терморезистор
включает соленоидный клапан водяной спринклерной системы
при превышении определенной температуры. Система отключает-
ся после снижения температуры, и этим она отличается от по-
добных систем пожаротушения, которые не выключаются при
уменьшении температуры.
Регулирование температуры. Хотя терморезисторы с положи-
тельным ТКС далеки от идеальных термодатчиков для измере-
ния температуры вследствие большой нелинейности их темпера-
турной характеристики, они тем не менее могут функционировать
как эффективные регуляторы температуры. Менее жесткие допус-
ки на терморезисторы с положительным ТКС по сравнению с
терморезисторами с отрицательным ТКС и другими термодатчи-
ками компенсируются их большим температурным коэффициен-
том. Если допуск на сопротивление терморезистора с положитель-
ным ТКС выразить через допуск на температуру, то даже при
малом наклоне его температурной характеристики он будет иметь
определенные преимущества перед другими термодатчиками. По-
этому, учитывая присущую терморезистору с положительным ТКС
надежность работы, его можно рассматривать как дешевый и
надежный датчик для регулирования температуры.
6*	163
В простейшей схеме регулирования температуры терморезис-
тор с положительным ТКС включен последовательно с нагрева-
тельным элементом, так что увеличение температуры вызывает
увеличение сопротивления терморезистора, а это ведет к умень-
шению тока нагревателя. В таком регуляторе терморезистор сам
нагревается до температуры переключения, и, следовательно,
здесь большую роль играет вольт-амперная характеристика, а не
температурная характеристика сопротивления. Функционирова-
ние терморезистора в такой схеме подробно обсуждается ниже.
Недостатком описанной схемы является то, что мощность, по-
требляемая нагревателем, должна быть меньше теплоемкости
терморезистора, ибо в противном случае он разогреется до тем-
пературы, превышающей его безопасную рабочую температуру,
и произойдет тепловой пробой. Для более мощных нагревателен
источник питания нужно подключать через реле, а терморезистор
следует соединять с кремниевым управляемым вентилем (КУВ)
Рис. 12 6. Схема управления нагре-
вателем, состоящая из реле, терморе-
зистора с положительным ТКС и
кремниевого управляемого вентиля
(КУВ)
Рис. 12.7. Схема управления термо-
статом, содержащая терморезистор
с положительным ТКС и реле
(рис. 12.6) или с мощным транзистором (рис. 12.7) [11]. На рис.
12.8 приведена простая схема с изменением пределов регулируе-
мой температуры [12], в которой ток смещения базы транзисто-
ра Л определяется сопротивлением терморезистора. Этот транзп-
Регилира-
вание п/
(задание) И
темпера-]
ггрры
Рис 12 8 Система ре-
гулирования темпера-
туры с усилителем
164
стор включается тогда, когда температура терморезистора стано-
вится равной заданной регулируемой температуре; в этот момент
транзистор выключается, что ведет к срабатыванию реле и отклю-
чению источника питания нагревателя.
Введя терморезистор в одно из плеч моста Уитстона, питаю-
щего операционный усилитель с двумя каскадами усиления по
мощности и контуром отрицательной обратной связи для подав-
ления тепловых флуктуаций, Кану [13] удалось сконструировать
сверхстабильную схему управления, которая согласно его расче-
там могла регулировать температуру с точностью не хуже
7,5- 10G° С. Эта схема показана на рис. 12.9.
Рис. 12.9. Схема регулирования для сверхстабильного эталона температуры
Термокомпенсация. Терморезисторы с положительным ТКС и
небольшим наклоном температурной характеристики и темпера-
турой Кюри ниже 0°С можно использовать для термокомпенса-
ции электронных элементов, схем и устройств. Например, харак-
теристику усилителя (рис. 12.10) на транзисторе с заземленным
эмиттером можно компенсировать по
температуре путем включения вместо
резистора Ra терморезистора с отри-
цательным ТКС или терморезистора с
положительным ТКС вместо одного из
резисторов RB, Re или Rl. Правиль-
ный выбор терморезистора обеспечи-
вает температурную стабилизацию
коллекторного тока и коэффициента
усиления по напряжению ib интервале
температур от 80 до 100°C. Если тер-
морезистор с положительным ТКС
Рис. 1210. Принципиальная
схема включения транзистора
с заземленным эмиттером
включают вместо резистора RB, то его сопротивление и темпера-
турную характеристику можно найти, выразив еначала RB через
параметры схемы:
165
рв — ^ЭБ ~~7б) ~ Rl ^ЭБ^А + (ZK + ZE) 0 + #Б !%А )]
/б(1 + ^£ !ra ) + (Уэв + ^£
(12.1)
и подставив затем требуемые значения /Б и ДЭБ при каждой
температуре.
Для большинства практических схем выражение (12.1) мож-
но упростить. Например, в схеме с постоянным смещением
Кв = (^КЭ-^Эб)/(/б + U3BIRa )	(12.2)
или в схеме с автосмещением
р _ ^КЭ ~~ ^ЭБ ~~ (УэБ^А +	+ ^Б)	(12 31
Чтобы добиться желательной формы температурной характе-
ристики терморезистора с положительным ТКС, его обычно сое-
диняют последовательно или параллельно с постоянным резисто-
ром. На рис. 12.11 показано, как можно изменить основную тем-
пературную характеристику терморезистора с положительным
ТКС последовательным или параллельным подсоединением к не-
му постоянных резисторов, имеющих различное сопротивление.
Рис. 12.11. Модификация характери-
стик сопротивление — температура
терморезисторов с положительным
ТКС путем параллельного или по-
следовательного включения постоян-
ных резисторов:
1 — с последовательным постоянным рези-
стором; 2 — только терморезистор с поло-
жительным ТКС; 3 — с параллельным ре-
зистором
На рис. 12.12 приведена схема с термокомпенсацией, в которой
постоянный резистор /?Е=470 Ом заменен цепочкой, состоящей
из последовательно соединенных терморезистора с положитель-
ным ТКС и номинальным сопротивлением 170 Ом при темпера-
туре 25° С, имеющего небольшой наклон температурной характе-
ристики, и постоянного резистора сопротивлением 300 Ом [11].
На рис. 12.13 показана схема двухтактного усилителя класса В
[И], термокомпенсация которого осуществляется заменой посто-
янного резистора /?в=5500 Ом терморезистором с положитель-
ным ТКС и номинальным сопротивлением 2500 Ом при темпера-
туре 25° С и параллельно включенном постоянным резистором
166
сопротивлением 3000 Ом. На рис. 12.14 сравниваются температур-
ные характеристики скомпенсированного и нескомпенсированно-
го усилителей.
Вход
2 кОм
Рис. 12.12. Температур-
ные зависимости тока
коллектора и коэффици-
ента усиления транзис-
торного усилителя:
1 — ток коллектора не ском-
пенсирован; 2 — ток коллек-
тора скомпенсирован; 3 —
коэффициент усиления не
скомпенсирован; 4 — коэф-
фициент усиления скомпен-
сирован
10
в,
Статическое
сопротивление
вторичной
одмотни
равно 116 Он
R/P15Q
25ВП
Выход
а
Рис. 12.14
Рис. 12.13
Яз

-i. SB
Рис. 12.13. Схема двухтактного усилителя класса В
Рис. 12.14. Температурные зависимости тока коллектора и выходной мощности
усилителя, показанного на рис. 12.13:
1 — ток коллектора не скомпенсирован; 2— ток коллектора скомпенсирован; 3 —выходная
мощность не скомпенсирована (входное напряжение 1 В); 4 — выходная мощность скомпен-
сирована (входное напряжение 1 В)
12.2. Применения, основанные на вольт-амперных
характеристиках
Статическая вольт-амперная характеристика терморезистора
с положительным ТКС имеет максимум по току, появляющийся
тогда, когда его температура становится равной температуре Кю-
167
ри материала, из которого он изготовлен. Вид вольт-амперной ха-
рактеристики данного терморезистора с положительным ТКС за-
висит от температуры окружающей среды (рис. 12.15) и коэф-
фициента рассеяния, определяемого способом монтажа прибора,
скоростью движения и природой окружающей среды и т. д. Мак-
симум по току составляет основу одного из наиболее важных
применений как ограничителя тока. На рис. 12.16 справа показа-
Напрятение, В
Рис. 12.15. Статические вольт-
амперные характеристики термо-
резистора с положительным
ТКС, иллюстрирующие влияние
окружающей температуры
Рис. 12.16. Возможные положе-
ния рабочих точек на вольт-ам-
перной характеристике терморе-
зистора с положительным ТКС,
включенного последовательно с
нагрузкой
на схема ограничения тока, состоящая из последовательно соеди-
ненных терморезисторов с положительным ТКС и нагрузочного
резистора. Из приведенной кривой видно, что при определенном
приложенном напряжении Ua нагрузочная линия пересекает ста-
тическую вольт-амперную характеристику терморезистора в трех
точках. Две точки Pi и Р2 характеризуют устойчивые режимы
работы, а третья, Рз — неустойчивый. При подаче напряженней Ua
равновесие будет достигаться в точке Рь т. е. при относительно
большом токе. Достижение точки Р2 возможно только в том слу-
чае, если максимум тока оказывается ниже нагрузочной прямой.
Это может произойти при выполнении одного из следующих ус-
ловий:
увеличивается прикладываемое напряжение (рис. 12.17);
возрастает температура окружающей среды (рис. 12.18);
уменьшается коэффициент рассеяния (рис. 12.19);
уменьшается сопротивление нагрузки (рис. 12.20).
Таким образом, терморезистор с положительным ТКС можно
применять как защитное устройство, ограничивающее ток в на-
грузке до безопасного уровня, если напряжение питания, ток или
температура окружающей среды превысит допустимые значения.
В других случаях применения, например в уровнемерах, он всегда
168
работает в режиме, когда максимум тока лежит ниже нагрузочной
линии. При этом схема, в которую включен терморезистор, опре-
деляет изменение тока нагрузки по изменению коэффициента
рассеяния под действием окружающей среды. В некоторых случа-
ях терморезистор с положительным ТКС можно включать без на-
грузки, и тогда он работает как самонагреваемый и саморегулиру-
емый нагреватель-регулятор.
Рис. 12.17. Влияние напряжения Ua Рис. 12.18. Влияние температуры ок-
на положение рабочих точек термо- ружающей среды на вольт-амперную
резистора с положительным ТКС, характеристику терморезистора с по-
включенного последовательно с на- ложительным ТКС, включенного по-
грузкой	следовательно с нагрузкой
Рис. 12.19. Влияние коэффи-
циента рассеяния К на вольт-
амперную характеристику тер-
морезистора с положитель-
ным ТКС, включенного после-
довательно с нагрузкой
Рис. 12.20. Влияние сопроти-
вления нагрузки на положе-
ние рабочих точек терморези-
стора с положительным ТКС,
включенного последовательно
с нагрузкой
При использовании терморезистора с положительным ТКС для
регулирования тока могут возникать ситуации, когда его вольт-
амперная характеристика не отвечает предъявляемым требовани-
ям в заданном интервале прикладываемых напряжений. Для реше-
169
ния этой проблемы параллельно с терморезистором включают по-
стоянный резистор (рис. 12.21).
Регулирование температуры. Когда терморезистор с положи-
тельным ТКС применяют в качестве термочувствительного элемен-
та в простейшей управляющей схеме, т. е. когда его последова-
Рис. 12.21. Влияние параллельно включенного резистора на статические вольт-
амперные характеристики терморезистора с положительным ТКС
тельно с резистивным нагревателем подключают к источнику пи-
тания и он измеряет температуру окружающей среды, то терморе-
зистор нагревается протекающим через него током от источника
питания. Принцип действия такого устройства можно пояснить с
помощью вольт-амперной
характеристики на рис.
12.22. Сначала терморези-
стор холодный, а рабочая
точка схемы соответст-
вует точке пересечения А
Рис. 12.22. Рабочая вольт-ам-
периая характеристика термо-
резистора с положительным
ТКС, включенного параллель-
но с резистивным нагревате-
лем
нагрузочной линии нагревателя и вольт-амперной характеристики
терморезистора. С увеличением температуры среды до Т\ макси-
мум вольт-амперной характеристики оказывается ниже нагрузоч-
ной линии и рабочая точка быстро перемещается в точку В\. Не-
большое уменьшение температуры до Т2 приводит к перемещению
170
рабочий точки из Bi в В2 и, следовательно, к корректировке тем-
пературы.
Недостатком такого прямого способа управления резистивным
нагревателем является то, что рабочий ток, протекающий через
терморезистор с положительным ТКС, относительно мал, что поз-
воляет управлять лишь небольшими тепловыми системами. При-
менение в более крупных тепловых системах возможно при исполь-
зовании в качестве топлива газа или масла, подачу которого мож-
но регулировать соленоидным клапаном. В этом случае соленоид
образует резистивную нагрузку системы и рабочий ток в точке В{
регулирует количество топлива, поступающего через соленоидный
клапан к горелкам. Если температура падает, то ток увеличива-
ется до значения, соответствующего точке В2, и соленоидный кла-
пан обеспечивает поступление большего количества топлива для
восстановления заданной температуры. Требуемую температуру
можно поддерживать с помощью переменного резистора, который
меняет напряжение U и, следовательно, положение рабочей точки
В системы. В настоящее время известна по крайней мере одна
система центрального отопления, работающая по этому принципу.
Ограничение токовых перегрузок. Терморезисторы с положи-
тельным ТКС можно использовать l[14] для защиты электронных
ламп радиоприемников и усилителей от чрезмерного тока в анод-
ной цепи, обусловленного повреждением источника сеточного сме-
щения или пробоем сеточного конденсатора связи. При включении
терморезистора в цепь катода (рис. 12.23) лампа в номинальном
Рис. 12.24. Пример бестраис-
форматориой схемы питания
Рис. 12.23. Использование
терморезистора с положи-
тельным ТКС для защиты
выходного каскада с элект-
ронной лампой
режиме работает нормально, но при чрезмерном возрастании
анодного тока терморезистор прямого подогрева обеспечивает ее
защиту. Аналогичный способ [14] удобен для защиты цепей на-
кала электронных ламп телевизионных приемников, содержащих
бестрансформаторные схемы питания. В таких схемах подогрева-
тели соединены последовательно и подключены к источнику пита-
ния. Лампы в различных участках схемы работают на различных
171
частотах, и поэтому обычно применяют шунтирующие конденсато-
ры (рис. 12.24). Внезапное замыкание на землю одного из этих
конденсаторов или части цепочки подогревателей, например, во
время ремонта вызывает скачок тока в подогревателях. Включе-
ние двух терморезисторов в точках А и В обеспечивает защиту
цепи накала в аварийном режиме, так как при больших токах
терморезисторы переходят в состояние с высоким сопротивлени-
ем за счет саморазогрева. Надежность защиты в этом случае уве-
личивается, если оба терморезистора находятся в хорошем тепло-
вом контакте, но изолированы электрически. В настоящее время
такие сдвоенные специализированные терморезисторы выпускают-
ся серийно.
Многие бытовые электротехнические приборы также снабжают
терморезисторами для защиты от слишком больших токов или для
ограничения потребления тока из сети при аварии. Терморезистор
с положительным ТКС, включенный последовательно с конденса-
тором, защищает осветительную газоразрядную лампу ’[11] от по-
вреждения большим током при пробое конденсатора. Терморезис-
торы часто заделывают в вилку электробритвы для ограничения
тока вследствие дефекта в самой бритве и включения ее в сеть с
напряжением, не соответствующим номинальному. Трансформато-
ры многих калькуляторов также защищают от токовых перегру-
зок с помощью терморезисторов. Низковольтные источники для
группового питания плат печатного монтажа в системах связи
или ЭВМ тоже можно защищать от токовых перегрузок, вызыва-
емых выходом из строя или коротким замыканием элементов пе-
чатных схем. Это осуществляют подсоединением к входной клем-
ме каждой печатной платы низкоомного терморезистора вместо
плавкого предохранителя. В случае необходимости сигнализа-
ции о возникновении аварийной ситуации параллельно терморе-
зистору включают светодиод, который срабатывает при переходе
терморезистора в более высокоомное состояние. Низкоомный ди-
намик защищают от токовой перегрузки, последовательным соеди-
нением с его катушкой низкоомного терморезистора с положи-
тельным ТКС, который иногда шунтируют резистором.
Регулирование тока. Способность терморезистора с положи-
тельным ТКС ограничивать протекающий через него ток можно
использовать для поддержания его в заданных пределах при
больших изменениях прикладываемого напряжения и температу-
ры. Чтобы добиться нужного значения тока, обычно терморези-
стор шунтируют постоянным резистором, сопротивление которого
рассчитывают по известной вольт-амперной характеристике или
находят эмпирическим путем.
В этом отношении большое практическое значение имеет при-
менение терморезистора с положительным ТКС как токорегули-
рующего прибора в системах телефонной связи общего пользова-
ния. Большинство таких систем подключают к центральной ба-
тарее напряжением 48 В постоянного тока. Напряжение в теле-
фонных аппаратах, расположенных вблизи телефонной станции,
172
практически равно напряжению питания, тогда как в отдален-
ных аппаратах оно намного ниже из-за относительно высокого
сопротивления линии. Чтобы добиться высокой эффективности и
постоянного уровня громкости речи во всех телефонных аппара-
тах независимо от их расстояния до станции ток в каждом мик-
рофоне должен ограничиваться определенными пределами. Для
достижения этой цели в линию связи необходимо последователь-
но включить нелинейный резистор, чтобы уменьшить рабочий
ток в коротких линиях. В некоторых странах длину линии связи
компенсируют с помощью бареттеров, нить накала которых име-
ет высокий (для металла) положительный ТКС. Терморезистор
с положительным ТКС и соответствующим шунтирующим резис-
тором обеспечивает более точное регулирование тока по сравне-
нию с многими компенсирующими устройствами, особенно с уче-
том изменения температуры окружающей среды. На рис. 12.25
Рис. 12.25. Схема вы-
равнивания частотной
характеристики в теле-
фонной линии связи
приведена типовая схема питания линии телефонной связи 1(15],
включающая в себя терморезистор с положительным ТКС и па-
раллельно соединенный резистор, с помощью которых ток в теле-
фонной трубке можно регулировать от 30 до 50 мА в зависимос-
ти от длины линии и при из-
менении температуры окру-
жающей среды от 0 до 40°С.
На рис. 12.26 приведены за-
висимости тока линии от из-
менения ее сопротивления в *
пределах 0—1000 Ом для|
различных температур окру-
жающей среды. В [11] опи-
сан аналогичный способ ком-
пенсации длины линии с по-
мощью бусинкового термо-
Рис. 12.26. Рабочие характеристики схемы,
показаний иа рнс. 12.25
резистора с положительным
ТКС и шунтирующего рези-
стора сопротивлением
176 Ом, при этом выходной сигнал остается «а приемлемом уров-
не при изменении сопротивления линии от 0 до 1600 Ом.
Многие бытовые портативные приборы, например электробрит-
вы, зубные щетки и др., содержат малогабаритные электродвига-
тели или вибраторы, которые питаются от сети переменного тока
напряжением ПО или 220 В. Чтобы эти приборы могли работать
от любого из указанных напряжений, обычно применяют посто-
173
явный резистор, который закорачивают ручным переключателем
при более низком напряжении. Эндрич [21] показал, что термо-
резистор с шунтом сопротивлением 2,9 кОм, включенный после-
довательно с обмоткой электродвигателя сопротивлением 2,5 кОм,
обеспечивает стабильный и одинаковый рабочий ток при перемен-
ном напряжении 110 и 220 В. На рис. 12.27 построены вольт-ам-
перные характеристики собственно терморезистора с положи-
тельным ТКС и такая же характеристика терморезистора с шун-
том, а также проведены нагрузочные линии для постоянных ре-
зисторов. Это сочетание обеспечивает устойчивую работу электро-
двигателя при любом напряжении сети, ибо терморезистор выпол-
няет роль автоматического регулятора тока.
Рис. 12.27. Использование
терморезистора с положитель-
ным ТКС и постоянного рези-
стора для обеспечения рабо-
ты электродвигателя при поч-
ти постоянном токе в широ-
ком интервале напряжений
Измерение уровня жидкости. Как видно из рис. 12.19, вольт-
амперная характеристика терморезистора с положительным ТКС
изменяется в зависимости от его коэффициента рассеяния. Один
из способов изменения теплоотвода от терморезистора прямого
подогрева заключается в изменении состава окружающей его
среды, например в замене газа на жидкость. Чувствительность
по отношению к окружающей среде можно максимизировать, мо-
дифицировав конструкцию терморезистора, например уменьшив
теплопроводность его выводов. При соблюдении определенных
условий терморезисторы прямого подогрева с положительным
ТКС можно использовать в качестве чувствительных индикаторов
уровня жидкости. Эти условия следующие:
вольт-амперная характеристика терморезистора, погруженно-
го в жидкость при максимально допустимой рабочей температу-
ре, не должна перекрываться с характеристикой в газе (обычно
воздухе) при наинизшей допустимой рабочей температуре;
теплоемкость терморезистора с положительным ТКС должна
быть малой, чтобы при изменении окружающих условий сигнал
изменялся с малой постоянной времени.
На рис. 12.28 приведены вольт-амперные характеристики спе-
циального терморезистора с положительным ТКС [16], предна-
значенного для индикации уровня жидкости, помещенного в воз-
дух, воду и жидкое топливо при различных температурах. Пер-
вое условие выполняется для воды с температурой 95° С и жид-
кого топлива с температурой 65° С, так как эти кривые лежат вы-
ше кривых для воздуха при температуре —25° С. Второе условие
174
выполняется при использовании малогабаритного или дискового
терморезистора с положительным ТКС.
Для сигнализации о снижении уровня воды или жидкого топ-
лива в резервуаре ниже определенного уровня применяют схему,
показанную на рис. 12.29. При
нормальных условиях погружения
терморезистор имеет низкое соп-
ротивление и вместе с последо-
вательно включенными резистора-
ми в цепи делителя напряжения
обеспечивает напряжение, доста-
точное для включения транзисто-
Рис. 12.28. Вольт-амперные харак-
теристики терморезисторного датчи-
ка уровня жидкости:
неподвижный воздух (сплошные линии):
кривая 1 при +75°С;
кривая 2 при +25°С;
кривая 3 при —-25°С;
вода (штрихпунктириые линии):
кривая 1 при 4-95°С;
кривая 2 при +60°С;
кривая 3 при +25°С;
жидкое топливо (штриховые линии),
кривая 1 при +65°С;
кривая 2 при +25°С
ра, который в свою очередь размыкает контакты реле. Когда уро-
вень жидкости понизится так, что терморезистор окажется на
воздухе, температура датчика возрастает, его сопротивление уве-
личится и напряжение на транзисторе упадет до значения, ко-
торого недостаточно для поддержания его в проводящем (откры-
том) состоянии; в результате контакты реле замкнутся и вклю-
индикации
чат сигнальную лампу или звуко-
вое устройство. Такая схема с тер-
морезистором способна работать в
интервале температур от —20 до
+ 65° С.
При необходимости автоматичес-
кого регулирования потока нефти в
резервуар датчики уровня нужно
устанавливать в трех точках. Верх-
ний датчик |(ур.овень 1) предотвра- Рис }229 Схема
щает переполнение резервуара, пе- уровня ЖИдКости
рекрывая поступающий поток; вто-
рой датчик (уровень 2) указывает на постепенное опускание уров-
ня по мере слива; третий датчик (уровень 3) регистрирует опусто-
шение резервуара. Схема с тремя терморезисторами для контроля
Уровня жидкости <[16] показана на рис. 12.30. Схема снабжена за-
175
щитным устройством на случай выхода из строя терморезисто-
ра. Она регистрирует переполнение резервуара, а также включа-
ет сирену при его опустошении.
Важное значение имеет применение терморезисторов с поло-
жительным ТКС в сигнализаторах минимально допустимого уров-
Рис. 12 30. Схема регулирования уровня жидкости с устройством защиты дат-
чика от повреждения на уровне 1
ня топлива в баках автомобилей с двигателями внутреннего сго-
рания. Один из специально сконструированных индикаторов [17]
питался от аккумуляторной батареи и обеспечивал индикацию
уровня жидкости в радиаторе, в бачке для стеклоочистителей, в
сосуде с тормозной жидкостью и в масляном картере двигателя.
Поскольку позистор выходит на рабочий режим только после ра-
зогрева до нормальной рабочей температуры, то в течение этого
периода схема проверяет исправность индикаторных ламп. После
этой вынужденной задержки нужные лампы остаются включен-
ными, а ненужные — выключены. На рис. 12.31 показана такая
схема для применения в автомобилях. Подобные устройства мо-
гут также использоваться для индикации и регулирования уров-
ня воды в поливальных машинах и уровня напитков в торговых
автоматах. Хотя здесь мы подробно остановились на применении
терморезисторов для индикации уровня жидкости, можно предпо-
ложить, что в будущем они найдут применение для индикации
уровня сыпучих твердых (зерно в элеваторах, порошки в раздат-
чиках и контейнерах) и полутвердых (сало, жиры) веществ.
176
Измерение потока жидкости. Так как вольт-амперная харак-
теристика терморезистора с положительным ТКС чувствительна
к изменениям окружающей среды, то его можно использовать
для обнаружения течений в жидкостях и газах. Два согласован-
ных терморезистора можно включить в смежные плечи простой
Рис. 12 31. Схема индикации уровня жидкости в автомобилях
терморезистора, находящегося в
Напряжение переменного тока, 8
Рис. 12.32. Вольт-амперные харак-
теристики измерителя скорости по-
тока при различных скоростях
мостовой схемы, общая точка которой соединена с источником
питания. Если терморезисторы в такой схеме нагреть до темпера-
туры, близкой к их точке Кюри, то они будут относительно не-
чувствительны к изменениям окружающей температуры, но будут
чувствительны к разности в теплопроводности среды, окружаю-
щей два терморезистора. Один прибор помещают на пути пото-
ка жидкости, а другой — устанавливают в полости, где жидкость
неподвижна. С увеличением скорости потока жидкости повыша-
ется коэффициент рассеяния
потоке, что ведет к 'разбалан-
су моста, который обеспечи-
вает ^индикацию скорости [18].
Терморезисторы с положитель-
ным ТКС можно также приме-
нять для сигнализации о вы-
ходе из строя или снижении
рабочих параметров вентиля-
торов и воздуходувок. На рис.
12.32 построены [19] вольт-
амперные характеристики и
нагрузочная линия терморези-
стора с последовательно соеди-
ненным постоянным резисто-
ром для скоростей воздушного
потока 27 м/с (номинальный расход) и 8,6 м/с (недостаточный
расход). При нормальном режиме вентилятора терморезистор ра-
ботает в точке А, т. е. имеет низкое сопротивление. Ослабление
потока воздуха приводит к нагреву терморезистора, т. е. к увели-
чению его сопротивления и перемещению рабочей точки из А в В.
7—78	[
Изменение .выходного напряжения можно использовать для 'вклю-
чения схемы электронной сигнализации, (включения вспомогатель-
ного вентилятора .или отключения оборудования.
Тепловая защита. Как отмечалось выше, терморезистор с по-
ложительным ТКС способен обнаруживать локальные перегревы
и включать сигнализацию или отключать питание с помощью схе-
мы, измеряющей его сопротивление и содержащей реле. Но в
этих устройствах терморезистор работает не в режиме прямого
подогрева, а как чисто резистивный датчик с высоким ТКС. При
этом не накладываются никакие ограничения на коммутируемую
мощность, и она ограничивается только применяемым реле или
контактором. Для большинства маломощных электродвига-
телей и трансформаторов такая тепловая защита с реле слишком
дорога и громоздка, что делает ее непрактичной для портатив-
ных устройств, таких как микрокалькуляторы или электрические
устройства для стирания информации.
Тепловую и токовую защиту в электродвигателях или транс-
форматорах таких устройств можно осуществлять путем хорошего
теплового контакта между высоковольтным низкоомным терморе-
зистором и слоистым сердечником и последовательного соедине-
ния терморезистора с обмоткой возбуждения или первичной об-
моткой. В нормальном режиме терморезистор работает на низ-
коомном сильноточном участке вольт-амперной характерис-
тики, т. е. ниже точки /тах. Повышенный ток, высокая окружаю-
щая температура или другие отклонения, которые вызывают пе-
регрев обмотки и ее сердечника, будут уменьшать 1тах и сдвигать
рабочую точку на высокоомный слаботочный участок характерис-
тики. Электродвигатель или трансформатор будет отключен от
источника питания даже после ликвидации аварийной ситуации до
тех пор, пока терморезистор не охладится и не достигнет своего на-
чального низкоомного состояния. В этом режиме работы терморе-
зистор по существу ведет себя как восстанавливаемый предохра-
нитель, чувствительный к температуре и току.
Применение терморезисторов с положительным ТКС в качест-
ве саморегулируемых нагревательных элементов. Если терморе-
зистор работает в режиме прямого подогрева и нагревается до
температуры несколько ниже точки Кюри (т. е. ниже точки 7тах
на его вольт-амперной характеристике), то он будет действовать
как саморегулируемый нагревательный элемент. Любое повыше-
ние температуры вызывает увеличение сопротивления прибора,
что приводит к снижению тока саморазогрева и восстановлению
исходной рабочей температуры. Этот принцип был использован
Эндричем [20] при конструировании паяльников и кухонных
плит, нагревательные элементы которых изготавливали из термо-
резисторных материалов с положительным ТКС. Один из таких
паяльников схематически изображен на рис. 12.33. Были созда-
ны паяльники с максимальной мощностью 23, 50 и 120 Вт, ко-
торые нагреваются до рабочей температуры 300° С в течение 10 с.
Они подключаются к источнику питания с напряжением 5—20 В
178
и потребляют мощность 7, 10 и 20 Вт соответственно. Срок служ-
бы нагревательных элементов превышает 3000 ч и ограничива-
ется окислением хромоникелевых контактных полосок. В [20]
описаны также бытовые электроплиты с нагревателями из мате-
риала с положительным ТКС, достигающие температуры, близкой
Рис. 12.33. Конструкция паяльника:
£ _ терморезисторный нагревательный эле
мент, М — металлические токоподводящие по-
лоски; G — слюда; L — жало паяльника
к рабочей (120° С) за 4 мин по сравнению с 25 мин для плит
такой же мощности с резистивными нагревателями. К другим
применениям терморезисторов с положительным ТКС подобного
рода можно отнести ножные электрогрелки >[14], нагреватель-
ные панели, фены, бигуди и термостаты для электронных прибо-
ров, таких как кварцевые кристаллы, диоды, транзисторы и ин-
тегральные микросхемы.
Генераторы импульсов. Генерирование импульсов можно рас-
сматривать как особый случай ограничения тока, когда большой
ток проходит через нагрузку за короткое время и затем быстро
снижается до малого значения. Генерацию импульсов переменно-
го тока часто используют в схемах автоматического размагничи-
вания кинескопов цветных телевизоров. В нормальном режиме те-
невые маски кинескопа частично намагничиваются. Если это состоя-
ние сохраняется в течение какого-то времени и намагниченность
увеличивается, то три пучка, образующие цветное изображение,
будут иметь разное отклонение, что приведет к искажению цветов
и потере четкости изображения. Поэтому телевизионный приемник
снабжают размагничивающими катушками, которые устанавли-
вают вне трубки так, что их магнитное поле окружает теневые
маски. После включения приемника через катушки проходит
большой переменный ток, создающий достаточно сильное маг-
нитное поле для насыщения масок. После прохождения импуль-
са тока маски размагничиваются, магнитное поле исчезает и тра-
ектории электронных пучков не нарушаются. На рис. 12.34 при-
ведена одна из первых схем генерирования импульсов тока [21].
Рис. 12.34. Первоначальная схема раз-
магничивания цветного кинескопа
(ТП — телевизионный приемник)
При включении терморезистор имеет низкое сопротивление, и
через низкоомные катушки протекает большой ток, создающий
магнитоподвижущую силу порядка 350 ампер-витков. По мере на-
7*	179
гревания терморезистора его сопротивление растет, и магнито-
движущая сила снижается до 0,03 ампер-витков. При включении
большая часть напряжения сети падает на варисторе, и вначале
он также находится в низкоомном состоянии, пропуская большой
ток. Когда сопротивление терморезистора возрастет, большая
часть напряжения сети будет уже на нем, что приведет к сниже-
нию напряжения на варисторе С уменьшением напряжения на
варисторе его сопротивление увеличивается и блокирует протека-
ние тока через катушки. В конечном стационарном состоянии
большая часть остаточного тока течет через шунтирующий рези-
Рис. 12.35. Последняя схема раз-
магничивания цветного кинескопа
стор, а через катушки проте-
кает ток всего в несколько мил-
лиампер.
В более новых моделях теле-
визоров варистор стали заменять
вторым термореэистором, /нахо-
дящимся в тепловом контакте с
первым терморезистором. Вто-
рой терморезистор ведет себя по-
добно варистору, за исключением
того, что его переход из низко-
омного состояния в высокоомное вызывается не изменением при-
кладываемого напряжения, а теплом от первого терморезистора
прямого подогрева. Еще более поздние телевизионные схемы раз-
магничивания содержат усовершенствованный вариант сдвоенного
терморезистора без постоянного резистора. В показанной на
рис. 12.35 упрощенной схеме имеется последовательно включенный
терморезистор (АВ) с начальным низким сопротивлением для
пропускания большого импульса тока. Этот ток нагревает термо
резистор и переводит его в режим высокого сопротивления (низ-
кого тока), который обеспечивает размагничивание телевизион-
ной трубки. Параллельный терморезистор АС обладает большим
сопротивлением, и температура изменения его сопротивления
значительно выше, чем у терморезистора АВ, но при этом оба
прибора находятся в тесном тепловом контакте. Первоначально
терморезистор АС имеет более высокое сопротивление, чем тер-
морезистор АВ плюс катушка, и, следовательно, потребляет мень-
ший ток. Однако по мере нагревания терморезистора АВ и уве-
личения его сопротивления терморезистор АС начинает потреб-
лять больший ток и тоже нагревается до более высокой темпера-
туры (и, следовательно, становится более высокоомный), чем в
случае прямого подогрева, и поэтому ток, идущий через катуш-
ку, снижается еще больше (до ~2 мА для размагничивающей
катушки сопротивлением 25 Ом). Пример конструкции сдвоенно-
го терморезистора дан на рис. 11.5. Это устройство предпочти-
тельней по сравнению с сочетанием с варистором, так как обес-
печивает достаточный начальный ток магнитного насыщения при
меньшем конечном токе через размагничивающие катушки и с
меньшими затратами.
180
Аналогичные генераторы импульсов можно использовать для
некоторых типов соленоидных клапанов и реле, в которых боль-
шой начальный ток обеспечивает быстрое и надежное замыкание
контактов или запирание клапана, но для поддержания их в этом
состоянии нужны значительно меньшие токи. В этих случаях
можно применить соответственно подобранные терморезисторы,
которые, пропустив импульс, снижают потребляемую мощность
после замыкания контактов. Во многих практических случаях воз-
никает необходимость видоизменения вольт-амперной характери-
стики терморезистора в соответствии с требованиями того или
иного реле или соленоида. Рисунок 12.36 иллюстрирует метод по-
лучения нужной характеристики для одного из реле параллель-
ным соединением постоянного резистора и терморезистора с по-
ложительным ТКС.
Рис. 12.36. Усовершенствование режима работы реле с помощью термо-
резистора с положительным ТКС и постоянного резистора
Еще одно полезное применение терморезисторы находят в уст-
ройствах запуска электродвигателей благодаря их способности
пропускать большой ток в течение короткого промежутка време-
ни. Асинхронные и некоторые синхронные двигатели, питаемые
от однофазного источника переменного тока, снабжаются вспомо-
гательной обмоткой для запуска якоря. Через эти обмотки про-
ходит намного больший ток, чем они способны выдержать, не
выходя из строя, так что ток необходимо уменьшать или совсем
отключать спустя несколько секунд после включения. В течение
многих лет сдвиг фаз, нужный для запуска, осуществляли после-
довательным соединением конденсатора и пусковой обмотки и
цепь обычно отключали центробежным выключателем, который
срабатывал от якоря. Более экономичный способ заключается в
последовательном соединении терморезистора, конденсатора и
пусковой обмотки. Терморезистор пропускает через пусковую об-
мотку ток, достаточный для начала вращения якоря, и затем
181
уменьшает ток до безопасного уровня, чтобы избежать сгорания'
обмотки. В настоящее время промышленность освоила выпуск
серии терморезисторов с положительным ТКС для запуска элект-,
родвигателей, питающихся от различных источников напряжения.
Устройства временной задержки. Конечный отрезок времени,
необходимый для изменения сопротивления терморезистора,
можно использовать для создания временной задержки в элект-
ронных схемах и реле. Время задержки зависит от массы самого
терморезистора и его корпуса, прикладываемого напряжения и
разности между начальным и конечным (или рабочим) сопроти-’
влениями. Если терморезистор включен последовательно с реле
и переключателем, то реле будет мгновенно срабатывать при за-
мыкании переключателя, но снова разомкнется спустя опреде-
ленное время, когда ток в цепи упадет ниже тока удержания ре-
ле. Такие схемы обычно используют для питания осветительных
ламп на лестничных площадках в больших жилых зданиях для
включения освещения на короткое время.
Если терморезистор включен параллельно с обмоткой возбу-
ждения реле, то оно будет срабатывать с определенной задерж-
кой после включения. Время задержки можно варьировать в ог-
раниченном интервале последовательным соединением перемен-
ного резистора с параллельной парой терморезистор — реле.
Глава 13
ВЫБОР ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
I
Выбор нужного терморезистора по каталогу фирмы-изготови:
теля, который содержит до 30 конструктивных исполнений и до
25 значений сопротивления для каждой конструкции, может, на
первый взгляд, показаться просто неразрешимой задачей. Проб-
лема еще более усложняется, если приходится сравнивать катало-
ги различных изготовителей. Различия в методах представления
данных часто приводят в замешательство непосвященных или же
вынуждают проводить какие-то расчеты, прежде чем можно бу-
дет сделать разумные сравнения. Например, все европейские и
японские изготовители указывают значение В своих приборов с
отрицательным ТКС, тогда как в американских каталогах пред-,
почтение отдается отношению сопротивлений (#25°С/#50° С), ко-,
торое характеризует изменение сопротивления с температурой.
Но и здесь нет единого мнения относительно того интервала тем-
ператур, для которого следует приводить значения отношения
сопротивлений или В, что влечет за собой необходимость прове-
дения тщательного сравнительного анализа для установления.
эквивалентности приборов. Иногда трудности выбора вынужда-
ют конструкторов создавать свои схемы исходя из достаточно хо-
рошо известных параметров транзисторов, резисторов, конденса-
торов и т. д. и затем уже подбирать соответствующий терморези- ,
<182
Стор. При таком подходе нередко случается так, что терморезис-
тор с требуемыми характеристиками отсутствует в каталогах, а
это означает, что нужно затратить определенные время и средст-
ва на разработку нестандартного изделия. Чтобы удовлетворить
запросы потребителей, каждый изготовитель ежегодно выпуска-
ет свыше 100 специализированных терморезисторов, а этого мож-
но было бы почти полностью избежать, если бы конструкторы
сразу использовали в своих расчетах стандартные параметры
терморезисторов, а не подгоняли их под уже готовую схему.
Цель настоящей главы заключается в том, чтобы ознакомить
потребителя терморезисторов с некоторыми основными прави-
лами выбора приборов, иллюстрируя их некоторыми наиболее ха-
рактерными применениями. Разумеется, ни одно из таких руко-
водств не может быть всеобъемлющим, так как даже внешне
одинаковые применения имеют свои специфические особенности
и каждый выпускаемый прибор обладает своими особыми пре-
имуществами и недостатками. Поэтому схемотехнику рекоменду-
ется сначала определить в первом приближении электрические
характеристики и конструктивное исполнение, наиболее подходя-
щие для решения стоящей перед ним задачи, пользуясь приводи-
мым ниже руководством, а уже затем подробно обсудить с изго-
товителем все требования, прежде чем принимать окончательное
решение. При таком сотрудничестве очень важно, насколько до-
верительными будут отношения между потребителем и изготови-
телем, и поэтому первый должен передать последнему всю необ-
ходимую информацию о предполагаемом применении своего из-
делия. Однако очень часто потребитель скрывает важные детали,
скорее всего по соображениям коммерческой секретности, а это
в дальнейшем может привести к неверному толкованию действи-
тельных требований, предъявляемых к прибору. Типичной иллю-
страцией является заказ на несколько тысяч стандартных стерж-
невых терморезисторов, в ТУ на которые были указаны значе-
ния сопротивления и допусков только при температуре 25° С; все
они были возвращены изготовителю, так как не выдержали ис-
пытаний на срок службы у потребителя, о которых ничего не
было сказано в ТУ. Позднее выяснилось, что необходимость про-
ведения испытания на достижение определенного сопротивления
в заданных промежутках времени при подаче на терморезистор
прямого подогрева заданного напряжения вызвана эксперимента-
ми на терморезисторах конкурирующего изготовителя, имевших
другие размеры и массу.
13.1.	Выбор терморезистора с отрицательным
или положительным ТКС
Решение о выборе терморезистора с отрицательным или поло-
жительным^ температурным коэффициентом относится к катего-
рии простейших, так как оно просто определяется сферой приме-
нения прибора.
183
Измерение температуры.
Во всех случаях нужно применять терморезисторы с отрица-
тельным ТКС.
Регулирование температуры.
1.	Для регулятора, предназначенного для контролирования
нескольких значений рабочих температур — терморезистор с от^
рицательным ТКС.	'
2.	Для регулятора, предназначенного для контролирования
одного значения рабочей температуры:
2.1.	Для температуры меньше —20 или больше 180° С — тер.
морезистор с отрицательным ТКС.
2.2.	Для температур в интервале от —20 до +180° С:
2.2.1.	Прецизионный или непрецизионный регулятор, непре-
рывно работающий в режиме «включено — выключено» или в про-
порциональном режиме, — терморезистор с отрицательным или
положительным ТКС.
2.2 2. Прецизионный сигнализатор перегрева или недогрева или
релейное устройство — терморезистор с отрицательным или по-
ложительным ТКС.
2.2 3. Непрецизионный сигнализатор перегрева или релейное
устройство:
2 2.3.1. Надежность существенна — терморезистор с положи-
тельным ТКС.	1
2.2.3.2. Надежность существенна — терморезистор с положи^
жительным или отрицательным ТКС.	i
2 2.4. Непрецизионный сигнализатор подогрева или релейное
устройство:
2.2 4 1. Надежность существенна — терморезистор с отрица-
тельным ТКС.
2.2.4.2. Надежность несущественна — терморезистор с отрица-
тельным или положительным ТКС.
Т ермокомпенсация.
1.	Компенсация меди (или другого металла с положительным
ТКС) — терморезистор с отрицательным ТКС.
2.	Компенсация полупроводников:
2.1.	Низкая стоимость существенна — терморезистор с отри-
цательным ТКС.
2.2.	Прецизионность важнее стоимости — терморезистор с по-
ложительным ТКС.
Ограничение мощности.
1.	Ограничение напряжения — терморезистор с отрицательным
ТКС.
2.	Ограничение тока — терморезистор с положительным ТКС.
Измерение потока жидкости или газа.
1.	Измерение потока с прямым или косвенным отсчетом—.
терморезистор с отрицательным ТКС.
2.	Регистрация потока:
2.1.	Надежность существенна — терморезистор с положителщ
ным ТКС.
184
2.2.	Надежность несущественна — терморезистор с положитель-
ным или отрицательным ТКС.
Регистрация и регулирование уровня жидкости.
1.	Индикатор или регулятор переполнения:
11.	Надежность существенна — терморезистор с отрицатель-
ным ткс.
1	2. Надежность несущественна — терморезистор с положитель-
ным или отрицательным ТКС.
2	. Индикатор или регулятор недостаточного уровня:
2.1.	Надежность существенна — терморезистор с положитель-
ным ТКС.
2.2.	Надежность несущественна — терморезистор с положи-
тельным или отрицательным ТКС.
Задержка времени.
1.	Увеличение тока в период задержки времени'—терморезис-
тор с отрицательным ТКС.
2.	Уменьшение тока в период задержки времени — терморезис-
тор с положительным ТКС.
3.	Увеличение напряжения в период задержки времени — тер-
морезистор с положительным ТКС.
4.	Уменьшение напряжения в период задержки времени — тер-
морезистор с отрицательным ТКС.
Другие применения. Измерение давления газа, газовая хрома-
тография, стабилизация генераторов, подавление импульсных по-
мех. обнаружение ИК излучения, детектирование и измерение
ВЧ мощности, регулирование коэффициента усиления усилите-
лей— терморезистор с отрицательным ТКС.
Саморегулируемые нагреватели — терморезисторы с положи-
тельными ТКС.
В некоторых случаях могут применяться терморезисторы с от-
рицательным или положительным ТКС. Окончательный выбор бу-
дет, очевидно, зависеть от таких факторов, как рабочее напряже-
ние или уровень мощности, габаритные размеры, механическая
конструкция, стоимость, наличие опытных образцов и квалифика-
ция персонала.
13.2. Выбор терморезисторов с отрицательным ТКС
Для некоторых случаев, для которых рекомендуется примене-
ние терморезисторов с отрицательным ТКС, были разработаны
специальные приборы с целью оптимизации рабочих параметров
или, наоборот, ограничения числа потенциально пригодных прибо-
ров несколькими альтернативными вариантами, чтобы снизить их
стоимость за счет увеличения объема производства. Примерами
специализированных приборов, обладающих высокими эксплуата-
ционными характеристиками, являются инфракрасные терморе-
зисторные болометры, устройства для измерения ВЧ мощности,
зонды для газовой хроматографии, зонды для определения уровня
Жидкости, устройства временной задержки и некоторые специаль-
185
ные зонды для измерения температуры. Использование различных
ограничений с целью снижения стоимости можно проиллюстриро-
вать на примере высокотемпературных терморезисторов и специа-
лизированных терморезисторных измерительных зондов, предназ-
наченных для холодильников и стиральных машин; кроме того,,
можно отметить парные бусинковые и дисковые приборы с точно-
согласованными допусками.
Чтобы выяснить, существуют ли какие-либо специальные при-
боры, пригодные для того или иного конкретного применения, по-
требителю нужно воспользоваться каталогом изготовителя или об-
ратиться в его отдел применений. В большинстве случаев сущест-
вующее специализированное изделие окажется более подходящим
и более надежным, чем наспех сконструированный прибор, и era
использование часто позволяет устранить возникающие на nep-S
вых порах недоразумения или проблемы, связанные с долговре-
менной надежностью. Если специализированный прибор не нужей
или он уже имеется в готовом виде, то приводимые ниже рекомен-
дации помогут потребителю выбрать терморезистор с отрицатели
ным ТКС, наиболее близко отвечающий требованиям данного при'
менения.
Измерение и регулирование температуры.
А. Интервал рабочих температур.
1 Намного выше 300° С — высокотемпературный терморезис-
тор
2 Ниже 300° С (максимум 350° С)—герметичный остеклован
ный бусинковый терморезистор.
3 Выше 200° С (максимум 300° С):
3.1.	Важно быстродействие или малые габариты — остекло-
ванный бусинковый терморезистор.
3	2. Низкая стоимость более важна, чем габариты, быстродей1
ствие или прецизионность, — герметичный остеклованный бусин-
ковый терморезистор.	;
3.3.	Важна прецизионность измерения или регулирования
парные бусинковые терморезисторы с близкими допусками.
3.4.	Наиболее важным фактором является прочность — бусин-
ковый терморезистор в металлической оболочке.
4.	Выше 150° С (максимум 200° С)—остеклованный бусинко-
вый или специальный высокотемпературный дисковый терморезис-
тор
5	От —40 до + 130° С — дисковый, стержневой или бусинко-
вый терморезистор в зависимости от факторов, перечисляемых ни-
же.
6.	Ниже —40° С— герметичный остеклованный бусинковый тер-
морезистор.
Б. Измеряемая среда.
1.	Жидкость:
1.1.	Проводящая жидкость:
186
1.1.1.	Важно быстродействие — бусинковый терморезистор в
запаянной стеклянной трубке.
1.1.2.	Быстродействие не важно—терморезистор в метал-
лической оболочке.
1.2.	Непроводящая жидкость:
1.2.1.	Важно быстродействие —- остеклованный или герме-
тичный остеклованный бусинковый терморезистор или бусинковый
терморезистор в запаянной стеклянной трубке.
1.2.2.	Быстродействие не важно — терморезистор в металли-
ческой оболочке или герметизированный дисковый терморезистор.
2.	Крупнозернистое твердое тело — предпочтителен зонд в ме-
таллической оболочке благодаря его прочности (кончик бусин-
кового терморезистора может быть частично открыт, если одно-
временно требуется быстродействие).
3.	Газ:
3.1.	Сухой газ:
3.1.1.	Важно быстродействие — бусинковый терморезистор,
герметичный остеклованный бусинковый терморезистор, бусинко-
вый терморезистор в запаянной стеклянной трубке, пленочный или
чип-терморезистор.
3.1.2.	Быстродействие не важно — бусинковый терморезис-
тор в металлической оболочке или герметизированный дисковый
или стержневой терморезистор.
3.2.	Влажный газ:
3.2.1.	Важно быстродействие—бусинковый терморезистор,
герметичный остеклованный бусинковый терморезистор, бусинко-
вый терморезистор в запаянной стеклянной трубке или герметич-
ный пленочный терморезистор.
3.2.2.	Быстродействие не важно — бусинковый терморезис-
тор в металлической оболочке, герметичный дисковый или стерж-
невой терморезистор.
4.	Твердое тело:
4.1.	Измерение на поверхности — бусинковый терморезистор
на пластине, дисковый терморезистор на пластине, некоторые ва-
рианты герметизированных бусинковых терморезисторов, поверх-
ностный дисковый зонд в металлической оболочке.
4.2.	Отверстие или полость в твердом теле:
4.2.1.	Резьбовое отверстие — дисковый терморезистор в го-
ловке винта.
4.2.2.	Гладкое отверстие — бусинковый терморезистор в ме-
таллической оболочке или герметизированный дисковый терморе-
зистор.
В. Максимальная, электрическая мощность в устройстве*.
* Приводимые здесь значения мощности учитывают максимальную погреш-
ность вследствие саморазогрева, равную 1°С. При больших или меиьших до-
пустимых погрешностях нужно умножить указанную мощность на коэффици-
ент, равный допустимой погрешности в градусах Цельсия; например, остекло-
ванный бусинковый терморезистор с допустимой погрешностью на саморазо-
трев в 0,1° С имеет максимальную допустимую мощность 0,1 мВт.
187
1.	50 мВт — дисковый, большой стержневой или пленочный тер-
морезистор, смонтированный на пластине.
2.	25 мВт — как в п. 1 + большой дисковый, смонтированный
на штифте дисковый или герметизированный дисковый терморе-
зистор.
3.	10 мВт — как в пп. 1,2 + средний дисковый терморезистор.
4.	3 мВт — как в пп. 1—3 + небольшой и миниатюрный диско-
вые терморезисторы, бусинковый терморезистор в металлической
оболочке или небольшой стержневой терморезистор.
5.	1 мВт — как в пп. 1—4 + герметичный остеклованный бусин-
ковый или запаянный в стеклянную трубку бусинковый терморе-
зистор.
6.	100 <мкВт — как в пп. 1—5 + бусинковый терморезистор.
Г. Разрешающая, способность.
1.	0,2° С или точнее — дисковый или бусинковый терморезистор
с жесткими допусками.
2.	0,'5° С — как в п. 1 + бусинковый герметичный терморезис-
тор остеклованный, в запаянной стеклянной трубке или в металли-
ческой оболочке.
3.	ГС или грубее — терморезисторы всех типов.
Д. Калибровка аппаратуры.
1. Без индивидуальной калибровки—бусинковый или диско-
вый терморезистор с жесткими допусками.
2. Индивидуальная калибровка — терморезисторы всех типов.
В описанном выше руководстве содержатся пять основных об-
щих параметров, которые следует учитывать при выборе терморе-
зистора для измерения или регулирования температуры. В слу-
чае специфических применений все равно потребуется знать оди»
или несколько из перечисленных параметров (или, возможно, дру-
гие параметры, например быстродействие, способ монтажа и т. д.),
которые будут доминировать над всеми остальными, а затем нуж-
но будет принять компромиссное решение, причем лучше это сде-
лать, проконсультировавшись у изготовителя терморезисторов.
Другими не менее важными параметрами, подлежащими учету,
являются стоимость и сопротивление прибора. Чем проще кон-
струкция терморезистора и чем больше допустимый разброс
значений его сопротивления, тем он дешевле; вообще дисковые
приборы дешевле стержневых, которые в свою очередь дешевле
бусинковых. Сопротивления терморезисторов при комнатной тем-
пературе обычно лежат в пределах от приблизительно 10 Ом до
100 кОм (дисковые) или до 10 МОм (бусинковые). Сопротивле-
ление конструктор схем выбирает, естественно, по своему усмот-
рению, но обычно для контрольной точки (в случае регуляторов
на одно значение температуры) или для средней точки (в неко-
тором интервале температур) выбирают сопротивление между
500 Ом и 20 кОм. Низкоомные приборы позволяют пропускать
более высокий измерительный ток без опасения превысить допус-
тимую мощность, тогда как высокоомные дают возможность поль-
зоваться высоковольтными источниками. Задаваемые допуски на
188
сопротивление будут зависеть прежде всего от требуемой точно-
сти регулирования (или допустимой температурной погрешности)
или от стоимости прибора, и компромиссное решение приходится
принимать с учетом именно этих факторов.
Термокомпенсация. В большинстве ситуаций, требующих тем-
пературной компенсации, изменения температуры вызываются
флуктуациями в среде, окружающей компенсируемый компонент
или схему (т. е изменениями температуры воздуха или воды),
или, наоборот, возникают в результате изменения окружающей
температуры вследствие нагревания других компонентов схемы до
их рабочего состояния. Но так или иначе окружающая температу-
ра едва поднимается выше 130° С, так что для целей термоком-
пенсации потенциально пригодны все типы терморезисторов. Вы-
бор подходящего прибора базируется на таких технических и ком-
мерческих факторах, как стабильность, величина рабочего тока,
способ монтажа или стоимость.
А. Рабочий ток.
1.	Низкий (микроамперы):
1.1.	Стабильность важнее стоимости:
1.1.1.	Максимальная температура выше 100° С — герметич-
ный остеклованный бусинковый терморезистор.
1.1.2.	Максимальная температура ниже 100° С, но выше
—40° С — дисковый терморезистор с жесткими допусками.
1.1.3.	Рабочая температура ниже —40° С — бусинковый тер-
морезистор в запаянной стеклянной трубке.
1.1.4.	Необходим хороший тепловой контакт с плоской или
искривленной поверхностью — бусинковый терморезистор, смон-
тированный на пластине.
1.2.	Стоимость важнее стабильности — дисковый или стержне-
вой терморезистор.
2.	Высокий (миллиамперы):
2.1.	Стабильность важнее стоимости — дисковый терморезис-
тор с жесткими допусками.
2.2.	Стоимость важнее стабильности — средний или неболь-
шой стержневой терморезистор.
2.3.	Необходим хороший тепловой контакт с плоской или ис-
кривленной поверхностью при низкой стоимости:
2.3.1.	Имеется свободное пространство — дисковый термо-
резистор, смонтированный на пластине или штыре.
2.3.2.	Пространство ограничено — пленочный или чип-тер-
морезистор.
Измерение скорости потока газа и жидкости. Чувствительность
большинства терморезисторов к данной скорости потока газа тли
жидкости одинакова или ее можно сделать таковой. Так как по-
вышенная чувствительность и наиболее благоприятные рабочие
условия обеспечиваются при повышенных температурах, то пред-
почтение обычно отдают бусинковым терморезисторам благодаря
их лучшей стабильности при таких температурах по сравнению с
дисковыми или стержневыми приборами. Поскольку чувствитель-
189
ность терморезистора заметно падает при скоростях воздушных
потоков выше 500 см/с или потоков воды выше 10 см/с, то меха-
нически более прочные дисковые или стержневые терморезисторы
редко требуются для того, чтобы выдержать высокие скорости
потоков, но они могут оказаться полезными там, где механиче-
ская прочность обеспечивает необходимую стойкость к воздейст-
вию вибраций или ударов.
Для измерения скоростей потоков большинства газов и непро-
водящих жидкостей обычно используют открытые, остеклованные
или помещенные в запаянную стеклянную трубку бусинковые тер-
морезисторы. Открытые бусинковые, остеклованные бусинковые,
дисковые или стержневые терморезисторы, как правило, не при-
годны для прямого измерения потоков электропроводных жидко-
стей, и в этом случае нужно применять бусинковые приборы в за-
паянных стеклянных трубках или специальные зонды.
Задержка времени. Временная задержка, обеспечиваемая тер-
морезистором, зависит от целого ряда факторов, в том числе от
прикладываемого напряжения, полного сопротивления, окружаю-
щей температуры и параметров компонента, применяемого для
осуществления задержки, например реле. Поэтому, естественно,
мы можем дать самые общие указания по выбору типа терморе-
зистора для осуществления временной задержки в какой-то кон-
кретной ситуации. В основу приводимых ниже рекомендаций по-
ложены прикладываемое напряжение и порядок величины требуе-
мой задержки.
А. Прикладываемое напряжение.
1.	Сетевое напряжение — стержневые и некоторые большие
дисковые терморезисторы.
2.	Средние напряжения (50 В) — дисковые или стержневые
терморезисторы.
3.	Низкое напряжение (20 В) — герметичные остеклованные и
остеклованные бусинковые терморезисторы.
Б. Временная задержка.
1.	Меньше 1 с — остеклованные бусинковые терморезисторы.
2.	Меньше 5 с — герметичные остеклованные бусинковые тер-
морезисторы.
3.	Меньше 20 с—миниатюрные стержневые терморезисторы
(в стеклянной оболочке).
4.	От 1 до 30 с-—небольшие или средние дисковые или неболь-
шие стержневые терморезисторы.
5.	От 1 до 60 с—дисковые терморезисторы, смонтированные
на пластине, специальные герметизированные дисковые и большие
стержневые терморезисторы.
Измерение мощности.
А. Низкая частота. На этих частотах можно применять самые
разнообразные приборы, включая простые или остеклованные бу-
синковые или дисковые терморезисторы, а также бусинковые тер-
морезисторы косвенного подогрева. Чтобы выбрать наиболее под-
ходящий вариант прибора, по-видимому, лучше всего обратиться
190
за консультацией к изготовителю, сообщив ему данные по часто-
те, уровню измеряемой мощности и предполагаемой конструкции
схемы. Многие изготовители считают, что на низких частотах луч-
ше всего применять остеклованные терморезисторы.
Б. Высокая частота. Для работы на высоких частотах боль-
шинство изготовителей выпускают остеклованные бусинковые тер-
морезисторы с присоединенными к обоим торцам осевыми прово-
лочными выводами. Альтернативным вариантом может быть прос-
той бусинковый терморезистор.
Подавление импульсных помех. Стержневые терморезисторы
почти исключительно используются для подавления выбросов то-
ка, так как их длина и большое отношение площади поверхности
к массе позволяют выдерживать высокие напряжения и мощно-
сти. В тех случаях, когда сопротивления и физические размеры
стержневых терморезисторов несовместимы с конкретными усло-
виями применения, их заменяют дисковыми приборами.
Чтобы согласовать номинальную мощность защищаемых уст-
ройств и отдельных компонентов, были разработаны специальные
стержневые терморезисторы, и при проведении начальной фазы ис-
следований потребителю рекомендуется использовать именно эти
приборы.
Регулирование амплитуды и коэффициента усиления. Терморе-
зисторы можно применять для стабилизации выходной мощности
усилителя, например, как это делается в генераторе на основе мо-
ста Вина, или для компенсации затухания, вызываемого измене-
ниями температуры в передающих кабелях, например, в подвод-
ных или наземных ретрансляторах.
А. Стабилизация выходной мощности.
1. Любые применения — остеклованные бусинковые терморезис-
торы.
Б. Термокомпенсация.
1. Изолированная схема измерения температуры — терморезис-
тор косвенного подогрева.
2. Измерение температуры регулирующим прибором — герме-
тичные остеклованные бусинковые или дисковые терморезисторы.
Другие применения терморезисторов с отрицательным ТКС.
Газовая хроматография — простой бусинковый терморезистор или
бусинковый терморезистор в тонкой стеклянной оболочке.
Измерение давления газа — простой бусинковый терморезистор
или специально сконструированный бусинковый терморезистор в
открытой стеклянной трубке.
Обнаружение или измерение излучения:
1.	ИК излучение-—терморезисторные болометры или согласо-
ванные пленочные термооезисторы
2.	СВЧ излучение — специальные остеклованные бусинковые
терморезисторы или простые бусинковые терморезисторы.
191
13.3.	Выбор терморезисторов с положительным ТКС
Практически для всех основных сфер применения разработа-
ны специализированные конструкции терморезисторов с положи-
тельным ТКС. Эти разработки охватывают широкую номенклату-
ру одно-, двух- и трехпозиционных приборов, рассчитанных на
различные температуры и предназначенных в соответствии с об-
щеевропейскими стандартами для защиты электродвигателей от
перегрева, размагничивания цветных кинескопов, выравнивания
частотных характеристик телефонных каналов и измерения и ре-
гулирования уровня жидкостей. При этом настоятельно рекомен-
дуется, чтобы во всех перечисленных случаях потребитель исполь-
зовал одну из специальных конструкций, обеспечивающих опти-
мальные рабочие характеристики с минимальными затратами. Из-
готовитель всегда готов пойти на (Незначительные конструктивные ;
изменения, такие как вид материала и длина изоляции выводов
защитных устройств электродвигателя, но изменение других пара-
метров приборов может привести к дополнительным расходам или
к ухудшению рабочих характеристик, часто сопровождаемому
снижением надежности.
Так как номенклатура стандартных конструкций терморезис-
торов с положительным ТКС уступает номенклатуре терморезис-
торов с отрицательным ТКС, задача выбора нужного прибора
здесь решается относительно просто. Основная трудность выбо-
ра оптимального терморезистора для конкретного применения за-
ключается в нахождении правильного сочетания таких парамет-
ров, как сопротивление, температура переключения, ТКС, номи-
нальное напряжение и максимальный ток. Тщательное изучение
температурной зависимости сопротивления и вольт-амперной ха-
рактеристики часто помогает найти правильное решение, однако
во многих случаях эту проблему лучше всего решать путем кон-
сультации с изготовителем.
Регулирование температуры, сигнализация и термокомпенсация.
А.	Защита от перегрева или сигнализация
1.	Для двигателей переменного тока:
1.1.	Ток в обмотке менее 100 мА* — токоограничивающий уни-
версальный дисковый терморезистор с большой крутизной темпе-
ратурной характеристики или дисковый терморезистор для сете-
вого напряжения в зависимости от номинального напряжения дви-
гателя.
1.2.	Ток в обмотке более 100 мА* — специальный терморезис-
тор для защиты двигателей +схема управления.
2.	Для трансформаторов:
2.1.	Ток в первичной обмотке менее 100 мА* — токоограни-
чивающий универсальный дисковый терморезистор с большой кру-
тизной температурной характеристики или дисковый терморезис-
* Это значение относится к оборудованию, питающемуся от сети напря-
жения 240 В. При меньших напряжениях ток возрастает до максимального
значения, приближенно равного 700 мА.
192
тор для сетевого напряжения в зависимости от напряжения в пер-
вичной обмотке.
2.2.	Ток в первичной обмотке более 100 мА* — универсальный
дисковый терморезистор с большой крутизной температурной ха-
рактеристики для измерения температуры или терморезистор для
защиты электродвигателя + схема управления.
3.	Для подшипников, проходных изоляторов, зубчатых пере-
дач, муфт сцеплений и т. п.—универсальный терморезистор с
большой крутизной температурной характеристики или терморе-
зистор для защиты электродвигателей.
4.	Для систем пожарной сигнализации — то же.
Б. Для сигнализации о недостаточной температуре — универ-
сальный терморезистор с большой или малой крутизной темпе-
ратурной характеристики или терморезистор для защиты электро-
двигателей.
В.	Термокомпенсация электронных компонентов — универсаль-
ные кремниевые терморезисторы с положительным ТКС и малой
крутизной температурной характеристики.
Ограничение тока. Выбор терморезистора для ограничения то-
ка зависит от выполнения следующих основных требований: а) он
должен выдерживать напряжение, превышающее максимальное
приложенное напряжение в схеме при нормальных и аварийных
условиях; б) при нормальных рабочих условиях напряжение, по-
даваемое на терморезистор, должно быть меньше напряжения, со-
ответствующего максимальному току, и в) мощность, рассеивае-
мая терморезистором в аварийных условиях, не должна превы-
шать его номинальную мощность.
А. Общее ограничение тока—дисковый терморезистор для се-
тевого напряжения или универсальный дисковый терморезистор с
большой крутизной температурной характеристики.
Б. Размагничивание кинескопов — терморезисторы специаль-
ных конструкций
Измерение уровня и скорости потока жидкости или газа.
А. Регистрация и регулирование уровня жидкости—специ-
альные терморезисторы или остеклованные терморезисторы.
Б. Регистрация потока жидкости или газа — универсальный
индикатор уровня жидкости с большой крутизной температурной
характеристики.
Задержка времени. Время задержки, получаемое с помощью
терморезистора с положительным ТКС, зависит не только от меха-
нических и электрических характеристик терморезистора, т. е. от
его тепловой массы, электрического сопротивления и т. д., но так-
же и от способа его монтажа, окружающей температуры и пара-
метров схемы, например прикладываемого напряжения, сопротив-
ления источника и других компонентов, и т. д. Так как каждое
* Это значение относится к оборудованию, питающемуся от сети напряже-
ния 240 В. При меньших напряжениях ток возрастает до максимального значе-
ния, приближенно равного 700 мА.
193
—	Изготовители терморезисторов	Т а б л и ц а 13.1_																																
Кодовые номера*	I1I2I3I4I5I6							7	8	9	10	И	12	13	14	15	is	17	18	1Э|20		21	22	23|24		25	2б127		28	29130		31132	
С отрицательным ТКС Дисковый большой (0 Э5 16 мм) Дисковый средний (0 = 9 мм) Дисковый малый (0 = 5 мм) Дисковый миниатюрный (0^3 мм) Шайбовый Дисковый на штыре Дисковый на пластине Дисковые специальной конструкции Стержневой малый Стержневой большой Бусинковый Бусинковый остеклованный герметичный Бусинковый остеклованный Бусинковый в стеклянной трубке Бусинковый косвенного подогрева Бусинковый зонд в металлической обо- лочке Высокотемпературный Дисковый с жесткими допусками Бусинковая пара с жесткими допусками Чип-терморезистор Пленочный или чешуйчатый С положительным ТКС Кремниевый с малой крутизной харак- теристики Универсальный с большой крутизной характеристики Универсальный с малой крутизной ха- рактеристики Универсальный для сетевого напряжения Для защиты электродвигателей Индикатор уровня жидкости Размагничивающий Смонтированный на стержне Специальные конструкции * Кодовые номера соответствуют пор	Е + +++++ +	+	+++4—44—4+4—4 ++++	2	+ ++	4-	+++++++ ++	++ i	+ + + ым	-+++++++ + 4-	4- 4-4- ++++++++++ 4-4-4-	|	g	4-		 4-4-4-	++++ 1	+ + + + + ер	+ + + + + + + + + + ам	+ + + + + + + + 4- + + + + + + + + в	+ + + + + + + + + + та	+ + + + + + + + 4 + бл.	+ + + + 1	+ + + + + 3.2	+ + + +	4—1—4+ 4—4			 i		4- ++++ 4-	4- 4- 4-4-+	+ + + + +	+ +	+	+ + +	+ + + + + + + + 4-	+		++++ + +++ +++++++++	+ + + + + + + + +	++ +	 + ++ + +++ +	+	+	+	4—1—1—1—4	4—1—1—4	++ ++++ 4-		+			+	+	+++	++++	+ + + +	+ + + +		+ + + + +++ + + +++++	+ +++++
данное применение предъявляет свои особые требования к работе,
то невозможно сформулировать какое-то общее правило выбора
терморезисторов с положительным ТКС. Каждый потребитель дол-
жен обсудить это применение с изготовителем прибора, сообщив
ему максимум информации об условиях работы.
13.4.	Изготовители терморезисторов
Чтобы облегчить приобретение выбранного типа терморезисто-
ра, в приводимой ниже табл. 13.1 дается перечень различных при-
боров с отрицательным и положительным ТКС, изготавливаемых
в разных странах мира. Изготовители указаны в вертикальных
столбцах, и им присвоены соответствующие кодовые номера. На
личие знакаТуказывает на то, что это изделие выпускается дан-
ным изготовителем. Названия и адреса фирм вместе с их кодо-
выми номерами приведены в табл. 13.2. В этом перечне указаны
страны, где расположены главные конторы той или иной фирмы.
В подавляющем большинстве случаев приборы, изготавливаемые
данной фирмой, можно приобрести за пределами этой страны че-
рез местные отделы сбыта, агентства или дочерние предприятия.
Образцы перечисляемых терморезисторов обычно можно легко
закупить для проверки через местные агентства или непосредст-
венно у изготовителя.
Таблица 13.2
Основные изготовители терморезисторов
Бельгия
1	M.B.L.E., Avenue Ciceron, Evere, Brussels.
Изделия корпорации Philips выпускают фирмы Valvo (ФРГ), MEPCO/Electra
Inc. (США) и Mullard (Англия).
Чехословакия
2	PRAMET. Zavody Praskove Metalurgie. Unicovska ul.2, Sumperk.
Изделия стран-участниц СЭВ распространяются через организацию FERROMET,
РО Box 779, Prague 1.
Англия
3	Electronic Materials Ltd., 1.58 ab Queensway North. Team Valley Trading Es-
tate, Gateshead, Tyneside.
4	ITT Components Group, Thermistor Division, Stephen Street, Taunton. Somer-
set.
Франция
5	Le Carbone-Lorraine, Departement Produits Speciaux, Bolte Postale 31, 37—41,
Rue Jean-Jaures, 92231 Gennevilliers.
6	L.C C., 128 Rue de Paris, F-93-Montreuil, R C. Paris 55B-6423 совместно c
фирмой SESCOSEM (ФРГ).
ГДР
7	VEB Keramische Werke Hermsdorf. D.D.R -653 Hermsdorf/Thiiringen.
ФРГ
8	Siemens Aktiengesellschaft, 8000 Munchen 8, Balanstrasse 73.
195
Венгрия
9	Kobanyai Porcelangyar, Budapest.
Изделия стран-участниц СЭВ распространяются через организацию ELECTRO-
MODULE, РО Box 158, Budapest 62.
Италии
10	SECI, Via Q.B. Grassi 97, 20157 Milano.
Япония
11	Kurake Electronic Industrial Co. Ltd., 1 Kojoshita, Itami, Hyogo.
12	Murata Mfg. Co., Ltd., Nagaoka, Kyoto.
13	Nichicon Capacitor Ltd., 2 12 (1 Hainamatosti-Cho. Minato-Ku. Tokyo 105.
14	Ohizumi Manufacturing Co. Ltd., 28-1 Nukui, 1-Chome, Ncrinra-Ku. Tokyo.
15	Shiba'ura Electronics-Go. Ltd., 520 Machiya, Urawa City, Saitana.
16	. TDK Electronics Co. Ltd., 14-6 2-Chome, Uch’ikanda, Chiyoda-Ku, Tokyo 101.
17	Toa Electronics Ltd., 307 Sukti-cho, Shinjuka-Ku, Tokyo.
18	Toshiba, Toshiba Bldg, 2-1 Ginza, 5-Chorae, Chuo-Ku, Tokyo 104.
Швеция
19	HAFO, Institute of Semiconductor Research Inc, Fack, SJ162 ilO Vallingby 1^1
США
20	Carborundum Company, Electronics Division, Global Plant, PO Box 339, Niagara
Falls, NY.
21	Ceramic Magnetic Inc., Micromag Division, 87 Fairfield Road, Fairficio, NJ 07006.
22	Fenwal Electronics Inc., 63 Fountain Street, Framingham, Mass. 01701.
23	Gulton Industries Inc., Metuchen, NJ 08840.
24	Keystone Carbon Co., Thermistor Division, 1935 State Street, St. Mary's, Pa. 48829.
25	N.L. Industries Inc., PO Box 420, Wyckoffs Mills Road, Hightstown, NJ 08520.
26	Pennsylvania Electronics Technology Inc., .1397 Frey Road, Pittsburgh, Pa. 15235.
27	Plessey Inc. Materials Division, 320 Long Island Expressway South, Melville, NJ 11746.
28	Rodan Industries Inc., 2905 Blue Star Street, Anaheim, Ca. 92806.
29	Texas Instruments, PO Box 5012, Dallas, Texas 75222.
30	Thermometries Inc., 15 Jean Place, Edison, NJ 08817.
31	Victory Engineering Corp., Victory Road, Springfield, NJ 07081.
32	Yellow Springs Instrument Co., Yellow Springs, Ohio 45387.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К главе 1
1.	Brit. Pat., 360, 013, “Improvements in Non-Metallic Electrical Resistance Bodies”.
October 28th (1931).
2	Brit. Pat., 409, 174, “Improvements in and Connected with Electrical Resistances ". April
26th (1934).
3.	Brit. Pat., 445, 386, “Improvements in Electric Resistance Bodies of Semi-Conducting
Materials”, April 8th (1936).
4.	Brit. Pat., 540, 844, “Resistance Materials and Methods of Making the Same”, October
31st (1941).
5.	Brit. Pat., 545, 697, “Resistance Composition and Method of Making It”, June 8th
(1942).
6.	Verwey. E. J.. Haayman. P. W, and Romeyn, F. C.. "Semi-Conductors with Large
Negative Temperature Coefficient of Resistance”. Philips Tech. Rer., 9, 239 (1947 8).
7.	Verwey. E. J.. Haayman. P. W„ Romeyn. I. C. and van Oosterhout. G. W.. "Controlied-
Valency Semiconductors", Philips Res. Rep.. 5, 173 (1950).
8.	Jonker. G. H.. "Analysis of the Semiconducting Properties of Cobalt Ferrite". J. Phvs<
Chem. Solids. 9, 165 (1959).
9.	Elwell. D.. Griffiths. B. A. and Parker. R.. "Electrical Conduction in Nickel Ferrite", 'Brie
J. Appl. P/ns.. 17, 587 (1966).
It). Villers. G. and Buhl, R.. "Preparation, Crystalline and Magnetic Studies of Nickel
Manganite”. Comptes Rendns, 260, 3406 (1965).
II.	Boucher. B.. Buhl. R. and Perrin. M.. "Determination of the Magnetic Structure of the
Cubic Spinel NiMn2O4, by Neutron Diffraction", Comptes Rendus, 263, 344 (1966).
12.	Larson, E. G„ Arnott, R. J. and Wickham, D. G., “Preparation, Semiconduction and
Low-Temperature Magnetization of the System Nij _ vMn2 + AO4”. J. Phvs. Chem. Solids
23, 1771 (1962).	‘
13.	Bossom, G., Gutman, F. and Simmons, L. M„ “A Relationship Between Resistance and
Temperature of Thermistors", J. Appl. Phys., 21, 1267 (1950).
(4.	Fairweather. A. and Lazenby, F.. "Long-Term Stability of Temperature Sensitive
Resistors", J. Inst. Elect. Eng., 34, January (1962).
15.	Macklen, E. D.. "Application of Thermal Analysis to NTC Thermistors'", Paper
presented at Thermal Method Group. Soc. Anal. Chem. Meeting, London, November
(1972).
16.	Trolander. H. W. and Veghte. J. H.. "Recent Advances in Biolegical Temperature
Measurements'". Advances in Electronics and Electron Physics, p. 235 (1971).
К главе 3
1.	Becker, J. A., Green, С. B. and Pearson, G. L., “Properties and Uses of Thermistors—•
Thermally Sensitive Resistors”, Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs., 65, 711 (1946).
2.	Bossom, G., Gutmann, F. and Simmons, L. M., “A Relationship Between Resistance and
Temperature of Thermistors”, J. Appl. Phys., 21, 1267, December (1950).
3.	Scarr, R. W. A. and Setterington, R. A., “Thermistors, Their Theory, Manufacture and
Application”, Proc. I.E.E., 107B, 395, September (1960).
4.	Smith, O. J. M.. “Thermistors: Part I Static Characteristics and Part II Dynamic
Characteristics”, Rev. Sci. Inst., 21, 344, 351 (1950).
5.	Muller, R. H. and Solten, H. J., “The Use of Thermistors in Precise Measurement of
Small Temperature Differences”, Anal. Chem., 25, 1103, July (1953).
6.	Thermistor Data Notes TD-IA, “Stability and Reliability Characteristics”, Fenwall
Electronics, Framingham, Mass., USA.
7.	Thermometries, Edison, NJ, USA.
К главе 4
1.	Beakley, W. R., “The Design of Thermistor Thermometers With Linear Calibration” J
Sci. Inst., 31, 455 (1951).
2.	Keonjian, E. and Schaffner, J. S., “Shaping the Characteristics of Temperature Sensitive
Elements", I.R.E., Trans. Compon. Parts, 4, 396 (1954).
3.	Harruff, R. W., “Combine a Couple of Thermistors”, Electronic Design, 3, 88 February
197
4,	Hole, V. H. R., “Thermistor Temperature Measuring Bridge Circuits: Part 2”, Electronic
Components, p. 26, January 14th (1972).
5	Pitts, E. and Priestley, P. T., “Constant Sensitivity Bridge for Thermistor Thermometers",
J. Sci. Inst. 39, 75 (1962).
6.	Herington, C. F. G. and Handley, R„ “The Use of Thermistors for the Automatic
Recording of Small Temperature Differences", J. Sci. Inst., 25, 434, December (1948).
7.	Greenhill, E. B. and Whitehead, J. R„ “An Apparatus for Measuring Small Temperature
Changes in Liquids", J. Sci. Inst., 26, 92, March (1949).
8.	Sinke, G. C.. Hildebrand, D. L., McDonald. R. A., Kramer, W. R. and Stull, D. R„ J.
Phys. Chem., 62, 461 (1958).
9.	Cruikshank, A. J. B., Ackermann, T. and Giguere, P. A., “Experimental
Thermodynamics" Volume 1, Chapter 12, Butterworths, London (1968).
10.	Richards, J. C. S., "Sensitive Thermistor Thermometer", Electronic Engng. p. 674,
November (1967).
11.	Bowman, M. J. and Sagar. F. H., "An Electronic Thermometer for Oceanic
Microihermometry”, J. of Physics E. Sci. Insts., 4, 794 (1971).
12.	La Fond, E. C., “Towed Sea Temperature Profiler", Marine Sci. Inst., 2, 49 (1963).
13.	Leiss, W. J. and Trufant, R. F., “Improved Bathythermograph and the Measurement of
Ocean Temperature", Sound, 2, 42 (1963).
14.	Penman, H. L. and Long, L. "A Portable Thermistor Bridge for Micro-Meteorology
Among Growing Crops”, J. Sci. Instr., 26, 77 (1949).
15.	Coutts, J. R. H., “Observation of Soil Temperature in North East Scotland”, Sixieme
Congres de la Science du Sol, Paris (1956).
16.	Towner, G. D._ “A Note on the Utility of the Thermistor Hygrometer Method for the
Measurement of the Free Energy of Soil Moisture”, Australian J. Instr. Contr., 23, 108,
November (19671.
17.	Хантер Л. П. Быстродействующий медицинский термометр. — Электроника,
1971, №20, с. 41.
18.	Fox', R. Н. and Solman, A. J., "A New Technique for Monitoring the Deep Body
Temperature in Man from the Intact Skin Surface”, J. of Physiology, 212, 8 (1971).
19.	Mills, R. J. and Renfrew, S., “Measurement of Pain Threshold by Thermal Contact", The
Lancet, 1, No. 7702, p. 738, April 10 (1971).
20.	Muller, R. H. and Stolten, H. J., “Use of Thermistors in Precise Measurement of Small
Temperature Differences”, Anal. Chem., 25, 1103 (1953).
21.	Nancollas, G. H. and Jardy, J. A., “A Thermistor Bridge for Use in Calorimetry”, J. Sci.
Instr., 45, 290 (1967).
22.	Barney, J. E. and Pavelich, V. A., "Determination of Molecular Weight of Polyethylenes
with an Oscillating Ebulliometer", Anal. Chem., 34, 1625 (1962).
23.	Blackmore, W. R., “Design Problems in Ebulliometry of Polymers”, Rev. Sci. Instr., 31,
. 317(1960).
24.	Zichy, E. L, "Ebulliometric Determination of Molecular Weight", Soc. Chem. Indr
Monograph No. 17, 122 (1963).
25.	Biros, J., “A Device for the Determination of Molecular Weights and Activities by
Means of Osmometry in Vapour Phase”, Chem. Listy, 61, 1513 (1967).
26.	Wachter, A. H. and Simon, W., "Molecular Weight Determination of Polystyrene
Standards by Vapour Pressure Osmometry", Anal. Chem., 41, 90 (1969).
27.	Nordon, P. and Bainbridge, N. W., “The Use of Unmatched Thermistors for the
Measurement of Temperature Difference Under Varying Ambient Conditions”, J. Sci.
Instr., 39, 398 (1962).
28.	Godin. M. C„ "A Modified Thermistor Bridge”, J. Sci. Inst., 40, 500 (1963).
29.	Gordon, W. E. and Seay, P. A., “Compensation of Thermistor Elements”, Bull. Am. Met.
Soc., 29, 41 (1948).
30.	Nelson-Jones, L., "Crystal Oven and Frequency Standard", Wireless World, p. 269, June
(1970).
31	Goodacre, J. B., “A High Stability Oven for Temperature Control of Crystal Oscillators”,
The Marcom Review, p. 89, Second Quarter, (1966).
32.	Hole. V. H. R. and Corver, К. C., “ON/OFF Temperature Control Using Thermistors”,
Instrument and Control Engineering, p. 8, May (1971).
33.	Hole, V. H. R., “Applications of NTC and PTC Thermistors”, “Tempcon ‘75”,
Temperature Control and Measurement Conference, London, March (1975).
34.	Wheeler. A. J., “Thermistors Compensate Transistor Amplifiers", Electronics, 30, 169,
January (1957).
35.	Harruff, R. and Kimball, C., “Temperature Compensation Using Thermistor Networks”,
Anal. Chem., 42 734. June (1970).
36.	Селинг T. В. Стабилизация генератора Ганна при помощи термистора. — Элект-
роника, 1970, №22, с. 46.
198
37	Brvce С H. and Hole, V. H. R., “Television Vertical Scan Coil Compensation”,
Components Standard, No. 4, p. 4, Summer (1968).
38	Bennett F., “Designing Thermistor Correcting Networks Graphically”, Control Engng.,
2, 66 (1955).
39	Илюкович A. M. Компенсация температурной погрешности индукционных
счетчиков и ваттметров с помощью полупроводниковых термосопротивле-
ний. - Электричество, 1960, №8, с. 76.
К главе 5
1.	Rasmussen, R. A., “Application of Thermistors to Measurements in Moving Fluids”, Rev.
Sci. Instr., 33, 38, January (1962).
2.	Pigott, M. T. and Strum, R. C., “Observed Behaviour of a Thermistor Bead Flow
Meter”, Rev. Sci. Instr., 38, 743, June (1967).
3.	Hales, W. B., "Thermistors as Instruments in Thermometry and Anemometry”, Bull. Am.
Met. Soc., 29,494, December (1948).
4.	Pollack, H., “An Electronic Anemometer”, Popular Electronics, 6, 51 (1957).
5.	Seymour,. E. V., “Simple Miniature Probe Anemometer”, Engineer (London), 216, 899,
November (1963).
6.	Reverseau, J., “The Application of Thermistors to the Measurement of Very Low Flow
Speeds in Liquids”, Genie Civ. (Hydraulique), 136, 365, September (1959).
7-	Veprek, J. A., “A Thermistor Flowmeter”, J. Sci. Instr., 40, 66, February (1963).
8.	Murphy, D. E. and Sparks, R. E., "A Thermistor Anemometer for Measurement of Low
Fluid Velocities”, I & EC Fundamentals, 7, 643, November (1968).
9.	Forstner, H. and Rutzler, K., "Two Temperature-Compensated Thermistor Current
Meters for Use in Marine Ecology", J. Marine Res., 27, 263 (1969).
10.	Hole, V. H. R., "Velocity of Air Measured by Thermistor", Electron, t/igng., 46,
September 13 (1974).
11.	Pallett, J. E., “A New Transducer for Recording Finger Pulsations", J. Sci. Instr., 38, 489,
September (1962).
 12 Cooper, R., “Local Changes in Intra-Cerebral Blood Flow and Oxygen in Humans”,
Med. Elect. Biol. Engng., 1, 529 (1963).
13.	James, G. W., Paul, M. H. and Wessel, H. U., “Thermal Dilution: Instrumentation With
Thermistors”, J. Appl. Physiol., 20, 547, March (1965).
14.	Lewin, J. D., “A Cryogenic Liquid Level Detector Employing Thermistors" J. Sci. Instr.,
40, 539 (1963).
15.	Salomaa, M. K., “Automatic Liquid Nitrogen Pumping System for Particle
Accelerators”, Nucl. Instr. Meth., 24, 477 (1963).
16.	Moore, D. B., “Thermistor as Combination Liquid Level and Temperature Sensor", Rev.
Sei. Instr., 37, 1089, August (1966).
17	Davies. M. A. S. and Lazenby, B. D., “Level Indication by Electronic and Electrical
Means”, Eng. Marls. & Design, p. 559, April (1968).
18.	Knudsen, M., “The Kinetic Theory of Gases", Methuen, London (1950).
19	Becker, J. A., Green, С. B. and Pearson, G. L., "Properties and Uses of Thermistors—
Thermally Sensitive Resistors”, Trans. Amer. Inst. Elect. Engrs., 65, 711, November
(1946).
20	Lortie, J., “Utilisation de Thermistances Comme Ajuges a Vide”, J.,Phys. Rad., 16, 317,
April (1955).
21.	Varicak. M.„ “Investigation of the Use of Thermistors for the Measurement of Low
Pressure”, Comp. Rend., 243, 893, September (1956).
2- Few'1 P E “Wide-Range Thermistor Vacuum Gauge”, Rev. Sci. Instr., 28, 657, August
23.	Hansen, N. and Schmidt, W„ “Applications of NTC Thermistors m Vacuum Measure-
ments”, Matronics, 20, 400 (1962).
24	(1964^’ аП^ Z°bac, L., “A Thermistor Vacuum Gauge”, Slabopr. Obz.. 25, 34, January
25.	Roberts, R. W., McElligott, P. E. and Jernakoff, G., “A Bakeable Thermistor Vacuum
J7auge’;$ci- Technol., 1, 62, January (1964).
(1967)	L°w Pressure Measurement with Thermistors", J. Sci. Instr., 44, 83, January
27.	Flanick, A. P. and Ainsworth, J. E., “Thermistor Pressure Gauge Design", Rec. Sci.
Instr., 32, 356, March (1961).
28.	McElligott, P. E. and Roberts, R. W„ "Some Factors Affecting the Sensitivity of a Thermistor
_ Pressure Gauge”, Rev. Sci. Instr., 38, 1182, August (1967).
29.	Varicak, M. and Saftic, B., "Principle of a Semiconductor Manometer in the Pressure
199
Range of 1 to 10"6mmHg", Rev. Sci. Instr., 30, 891, October (1959).
30.	Bradley, R. S., “A Thermistor McLeod Gauge for a Pressure Range 1 —10"7 mm of
Mercury”, J. Sci. Instr., 31, 129 (1954).
31.	Green, M. and Lee, M. J., “An Extended Range Thermistor Gas Pressure Gauge", J. Sci.
Instr., 43, 948 (1966).
32.	Davis, A. D. and Howard, G. A.. “The Use of Thermistor Detectors in Gas
Chromatography”, Chem. & Ind., R25 (1956): “Thermistor Detectors in Gas
Chromatography”, J. Appld., Chem., 8, 183, March (1958).
33.	Bennett, С. E., Nogare, S. D., Safranski, L. W. and Lewis, C. D„ "Trace Analysis by Gas
Chromatography”, Anal. Chem., 30, 898, May (1958).
34.	Littlewood, A. B., "Compensated Wheatstone's Bridge Circuit for Gas-Chromatographic
Catharometry”, J. Sci. Instr.. 37, 185, June (1960).
35.	Kieselbach, R„ "Reduction of Noise in Thermal Conductivity Detectors for Gas
Chromatography", Anal. Chem., 32, 1749, December (I960).
36.	Buhl, D., "New Approach to Understanding the Operation of Thermistors in Gas
Chromatography", Anal. Chem., 40. 715, AprtH1968).
37.	Conlan, D. A. and Szonniagh. E. L.. "The Effects of Hydrogen Carrier Gas on
Thermistor Detectors in Process Gas Chromatography". .1. Gas Chrom.. 6. 485. September
(1968).
38.	Meacham, L. A.,-“The Bridge-Stabilised Oscillator”, Proc. IRE, 26, 1278. October (1938).
39.	Fleming, L„ "Thermistor-Regulated Low-Frequencv Oscillator", Electronics, 19, 97,
October (1946).
40.	Markus. .1. and Zeluff. V.. "Thermistor-Regulated Audio-Frequency Oscillator'.
Handbook of Industrial Electronic Circuits, p. 164, McGraw-Hill (1948).
41.	Oliver, В. M., “The Effect of p Circuit Non-Linearity on the Amplitude Stability of RC
Oscillators", Hewlett Packard J., 11, 1 (1960).
42	Taylor, P. L., “Amplitude Stability and Distortion in Thermistor-Controlled Oscillators”,
Proc. 1EE, 120, 921, August (1973).
43.	Stone. J. E., “An Ultra-Low Frequency Oscillator”, Electronics, 23, 94, January (1950).
44.	Tweeddale, J. E., “Thermistors”, Western Electric Oscillator, 2, pp. 3 & 34, December
1,1945).
45.	Weller, J. A., “Volume-Limiter for Leased-Line Service”, Bell Labs Record, 23, 72, March
(1945).
46.	Linau, H. and Seifert, I., “Relay Time Delays with NTC Thermistors", Matronics, 12,
216 (1957).
47.	Sillars, R. W., “Materials and Devices of Falling Resistance-Temperature Characteristic”,
' J. Sci. Instr., 19, 81 (1942).
48.	G#no, J. J. and Sandy, G. F., “Thermistors for the Gradual Application of Heater Voltages to
Thermionic Tubes", IRE Trans. Elect. Comput., 7, 61 (1958).
49.	Scarr, R. W. A. and Settenngton, R. A., “Thermistors, Their Theory, Manufacture and
Application”, Proc. IEE, 107B, 395, September (1960).
50.	Cameron. С. T. and Humphries, W. A., "Shared Service”, Post Office Elect. Engrs. J., 41
139 (1948).
К главе 6
1	Weight, К. C.’, "Infra-Rtft Techniques", Oxford University Press (1973).
2.	Kruse, P. W., McGlauchlin, L. D. and McQuistan, R. B.. "Elements of Infrared
Technology: Generation, Transmission and Detection", Wiley (1962).
3.	Florant, L. E„ "Testing Using Infrared", J. Instrum. Soc. Amer., 11, 61 (1964).
4.	Eddolls D. V., “Radiation Detectors and Applications", Electron. No. 47 51 March
(1974).
5.	Barnes, R. B. and Lane, W. Z„ "Thermography: Diagnostic Infrared in Instrumentation",
Proc. Conf. Engng. Bio!., 5, 50 (1963).
6.	Atsumi, K... “Infrared Thermography”, Japan Electronic Engng., p. 62, October (1970).
7.	Hanel, R. A. and Stroud, W. G., "Infrared Imaging from Satellites", J. Soc. Motion Pict.
Television Engrs., 69, 25, January (1960).
8.	Ward, W. H., “Two Portable Thermistor Radiometers”, J. Sci. Inst. 34, 317 August
(1957).
9.	Ginzton, E. L., “Microwave Measurements”. McGraw-Hill, (1957).
10.	Cullen, A. L. and Stephenson, I. M., “A Torque-Operated Wattmeter for 3 cm
Microwaves”, Proc. Inst. Elect. Engs., 99, Part IV, 294, July (1952).
11.	Collard, J., Nicoll, G. R. and Lines, A. W., “Discrepances in the Measurement of
Microwave Power at Wavelengths Below 3cm”, Proc. Phys. Soc., 63, 215 (1950).
260
1, . а„ т * -The Measurement of Power at a Wavelength of 3 cm by Thermistors and
Bolometers” Proc. Inst. Elect., 102B, 819, November (1955).
n Adon F f’ “A Single Bead Broadband Coaxial Thermistor Mount”, IRE Trans. Instr.,
13 IM-14 102, September (1965).	,	„ я-  T u
14	Montgomery, C. G., “Techniques of Microwave Measurements , MIT Radiation Lab.
Series McGraw-Hill (1974).
15	Gainsborough, G. F., “Techniques of Microwave Measurements”, MIT Radiation Lab.
Series McGraw-Hill (1974).
16	Rieck’ H. and Panniger, F., “Ein Neuer Thermistor-Leistungsmesskopf fur A = 9-20cm .
Nachricht., 7, 101 March (1957).
17	Passel! T G. “Plasma Calorimetry in the Table Top Mirror Machine”, Bull. Amer.
' Phys. Soc., 6, ’195 (1961).
18	Chambers, E. S., “Power Calorimetry of Fast-Particle Beams”, Rev. Sci. Instr., 35, 95,
Januaiy (1964).
19	. Trustin, A., “The Possibility of Using the Thermal Time Constant of a Temperature
Sensitive Resistor to Obtain Phase Advance of an Electrical Signal", C. S. Memo 68
Metropolitan-Vickers, Sheffield (1943).
20. Becker, J. A., Green, С. B. and Pearson, G. L., “Properties and Uses of Thermistors:
Thermally Sensitive Resistors”, Bell Syst. Tech. J., 26, 170 (1947).
21. Cooper, W. H. and Seymour, R. A., “Temperature-Dependant Resistors: Uses as Circuit
Elements”. Wireless Engng., 24, 298 (1947).
22.	Bollmand, J. H. and Kreer, J. G„ “The Application of Thermistors to Control
Networks”, Proc. Inst. Radio Eng., 38, 20 (1950).
23.	Smith, O. J. M„ “Thermistors”, Rev. Sci. Instr., 21, 344 (1950).
24.	Burgess, R. E., “The AC Admittance of Temperature-Dependant Circuit Elements", Proc,
Phys. Soc. B„ 68, 766 (1955).
25.	Burgess, R. E., “Electrical Oscillations in Thermistors and Germanium Point-Contact
Rectifiers", J. Electronics, I, 297 (1955).
26.	Candy, C. J. N„ “The Specification of the Properties of the Thermistor as a Circuit
Element in Very-Low-Frequency. Systems”. Proc. IEE. 103B, 398, May (1956).
27.	Bjork, N. and Davidson, R.. “Small Signal Behaviour of Directly Heated Thermistors",
Chalmers Тек. Hagsk. Handl. Aid. Electroteknik. 48, No. 169 (1955).
28.	Hyde, F. J., “Impedance of a Thermistor at Low Frequencies”, J. Electronics, 1, 303
(1955).
29.	Kraus, K„ “Thermistors as Circuit Elements in Low-Frequency Circuits", Rer. Sci. Instr.,
39, 216, February (1968).
К главе 7
I. Bjork, N., “Theory of the Indirectly-Heated Thermistor". Chalmers Тек. Hogsk. Handl..
No. 21 1 (1959).
2. Bjork, N. and Davidson, R., “Small Signal Behaviour of Directly Heated Thermistors”,
Chalmers Тек. Hogsk. Handl., No. 169 (1955).
4 ^hLS°V- C“ ”Thermis.'or Technics", Electronic Industries, 4, 74 (1945).
Widdis, F, C., "The Indirectly-Heated Thermistor as a Precise AC/DC Transfer Device”,
Proc. IEE.. 103B, 693 (1956).
chrader, H. J., “AC Compensation Measurement With Indirectly Heated Thermistors”,
Elektrotech Z. 73A, 547 (1952).
00 , H. B„ An RMS Milliameter of Novel Design for the Measurement of Current
from Zero to Video Frequencies". J. Sci. Inst., 31, 124 (1954).
AnICA	Whitbread, J. R„ “Thermistor Powermeter", Electronic Engineering, p.
oil, October 11967).
H95oT" R ' Giotron An Aid to RMS Instrumentation", Electronics, p. 93, July
TbnJ?!’ f'r аП^ <"lscato- D., “A New DC/AC Digital Power and Energy Meter", IEEE
Savove С “д"’-	57- februar5 (>950).
S/лт Ат.Р|1Г1Са'еиг de Ligne a Trois Transistors Pour Systemes a 12 MHz”,
cables & Transmission, 29, No. 2, 177, April (1975).
5.
6.
7.
8.
9.
10.
К главе 8
Thien-Chi, Guyen and Suchet, J., “Etude des Semiconducteurs aux Temperatures Elevees
Thermistances Refractaires , Ann. de radioelectricite, 6, 99, April (1951).
201
2.	Brit. Pat., 815, 357, “Silicon Carbide Resistance Bodies and Methods of Making Same",
to Carborundum Company, June 24th (1959).
3.	Brit. Pat., 1.138,719, "Ceramic Resistance Bodies", to Philips Electronic and Associated
Industries Ltd., January 1st (1969).
4.	Delaney, R. A., “Microminiature Electronic Thermal Sensing Devices",
5.	Nernst, W„ "Uber die elektrolytische Leitung Fester Kdrper Bei Sehr Hohen
Temperaturen". Z. Elektrochem., 6, 4L (1900).
6.	Wagner. C„ "Uber den Mechanismus der Elektrischen Stromleijung im Nernststift".
Naturwiss. 31, 265 (1943).
7.	Brit. Pat.. 874,822. "Thermistors", to Standard Telephones & Cables Ltd.. August 10th
(1961).
8.	Macklen, E. D. and Jones. C. S„ "New NTC Thermistor for High Temperature
Applications". Internal. Control and Instrumentation Conf.. London (1971).
9.	Brit. Pat., 1,303.784. “Improvements Relating to Electrical Devices", to Standard
Telephones & Cables Ltd., January 17th (1973).
10.	Brit. Pat.. 1.214.282. “A Material for the Manufacture of High Temperature
Thermistors”, to Plaschinsky and Sheftel, December 2nd (1970).
11.	Macklen. E. D.. "NTC Thermistors for Operation Above 300 C"‘. Tempcon ‘73
Conference, London, March (1973).
12.	Hyde, G. R„ Maust, E. E. and Furlong, L. R„ "Yttria and Dysprosia as High
Temperature Thermistor Materials", US Bur. Mines Rep. Invest., No. 7458 (1970).
13.	McMurtry, C. H„ Terrell, W. T. and Benecki, W. T., “A Tin Oxide Thermistor for
Temperature Sensing to 1800 F", IEEE Trans., IGA-2, 461. November/December (19661.
14.	Prudenziati and Majni. G„ “Boron Thermistor for High Temperature Measurements".
IEEE Trans.. I EC-20, 30. February (1973).
15.	Goodenough, J. B._ "Direct Cation Cation Interactions in Several. Oxides", Phys. Rer..
117,1442(1960).
16.	Foex. M. and Loriers, J., "Changes in Expansion and Electrical Conductivity of Titanium
Sesquioxide Near 200 ", Compt. Rendus, 226, 901 (1948).
17.	Morin, F. J., “Oxides Which Show Metal-to-Insulator Transition at the Neel
Temperature". Phys. Rer. lett., 3, 34 (1959).
18.	Foex. M., Jaffray, J., Goldstamb, S„ Lyanol, R., Wey, R. Wucker. J., “The Changes in
Some Properties of Vanadium Sesquioxide Near Its Transformation Points". J.
Recherches C.N.R.S. Libs. Bellevue, 21, 237 (1952).
19.	Futaki. H.. "A New Type Semiconductor (Critical Temperature Resistor)", Jap. J. Appl.
Phys., 4, 28. January (1965).
20.	van Steensel, K., van de Burg, F. and Kooy, C., “Thin-Film Switching Elements of VO,",
Philips Res. Repts., 22, 170 (1967).
21.	MacChesney, J. B. and Guggenheim, H. J., "Growth and Electrical Properties of
Vanadium Dioxide Single Crystals Containing Selected Impurity Ions”, J. Chem. Phys.
Solids, 30, 225 (1969).
22.	Futaki, H. and Aoki. M„ "Effects of Various Doping Elements on the Transition
Temperature of Vanadium Oxide Semiconductors", Jap. J. Appl. Phys., 8, 1008, August
(1969).
.23	. Eastwood. H. K„ Simon. T. R. and Khoi, N. N., "Temperature Sensitive Resistive
Devices". Brit. Pat., 1,482,317. July 7th (1975).
К главе 10
1.	Sauer. H. A. and Flaschen. S. S.. "Positive Temperature Coefficient of Resistance
Thermistor Materials for Electrical Applications". Proc. 7th Electronics Symp..
Washington 41. (1956).
2.	Haarjman, P. W„ Dam, R. W. and Klasens. H. A., "Method of Preparation of
Semiconducting Material", Netherlands Pat. No.. 84. 015, February 15th (1957).
3.	Saburi, O., "Properties of Semiconductive Barium Titanates", J. Phys. Soc. Japan, 14,
1159, September (1959).
4.	Sauer, H. A. and Fischer. J. R.. “Processing of Positive Temperature Coefficient
Thermistors". J. Amer. Ceram. Stic., 43, 297. September (1960).
5.	Tennery, V. J. and Cook-, R. L., "Investigation of Rare-Earth Doped Barium Titanate". J.
Amer. Ceram. Soc., 44, 187, April (1961).
6.	Saburi. O.. “Semiconducting Bodies in the Family of Barium Titanates", J. Amer. Ceram.
Soc.. 44, 54, February (1961).
7.	Motto, J. W„ "Characteristics and Applications of PTC Thermistors". Electro-
Technology, 96, July (1962).
202
8	Saburi О. and Wakino, К., “Processing Techniques and Applications of Positive
Temperature Coefficient Thermistors”, IEEE Trans. Comp. Parts, 10, 53 (1963).
9	Brauer H. and Fenner, E.,	"Kaltleiter—ein	Bauelement mit positivem
Tempe’raiurk'oeffizienien”. Siemens Z.. 5, 369, May (1964).
10	Brown D. J-, Sly. F. A. W. and Arthur, G. "The effect of Oxide Impurities on the
Electrical Resistivity of Lanthanum Doped Barium Titanate", Proc. Brit. Ceram. Soc.,
No. 10 195, March (1968).
11	Matsuo Y. Fuiimura, M„ Sasaki, H., Nagase. K. and Hayakawa. S.. “Semiconducting
BaTiO, with Additions of A12O,. SiO, and TiO2”, Cer. Bull.. 47, 292, March (1968).
P. Tien, T. Y. and Carlson, W. G., "Influence of Oxygen Partial Pressure on Properties of
Semiconducting Barium Titanate", J. Amer. Ceram. Soc., 46, 292. June (1963).
13.	MacChesney, J. B. and Potter, J. F., "Factors and Mechanisms Affecting the Positive
Temperature Coefficient of Resistivity of Barium Titanate", J. Amer. Ceram. Soc., 48, 81,
February (1965).
14.	Ashida, T. and Toyoda, H., “Effects of additions and of Ambient Atmosphere During
Heating on the Electrical Resistivity of Semiconducting BaTiO3”, Jap. J. Appl. Phys., 5,
269, April (1966).
15.	Landis, H. M„ "Electrodes for Ceramic Barium Titanate Type Semiconductors", J. Appl.
Phys., 36, 2000, June (1965).
16.	Mendelsohn, L. L, Orth, E. D., Curran, R. E. and Robie, E. D„ "Preparation and
Properties of Positive Temperature Thin Film Thermistors", Ceram. Bull., 45, 771,
September (1966).
17.	Mendelsohn, L. L, Orth, E. D. and Curran, R. E., “Preparation and Properties of
Unsupported Positive Coefficient Thin Thermistor Films", Vacuum Sci. Tech., 6, 363,
May/June (1969).
18.	Goodman, G., “Electrical Conduction Anomaly in Samarium-Doped Barium Titanate", J.
Amer. Ceram. Soc., 46, 48, January (1963).
19.	Peria, W. T., Bratschum, W. R. and Fenity, R. D„ “Possible Explanation of Positive
Temperature Coefficient in Resistivity of Semiconducting Ferroelectrics", J. Amer. Ceram
Soc.. 44, 249. May (1961).
20.	Hey wang. W., “Resistivity Anomaly in Doped Barium Titanate”, J. Amer. Ceram. Soc., 47,484,
October (1964).
21.	Heywang, W., “Semiconducting Barium Titanate”, J. Mails., Sci., 6, 1214 (1971).
22.	Goldschmidt, V. M., “Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente VII”, p. 8. Verlag
Jacob Dubward, Oslo (1927).
23.	Shirane. G., Jona, F. and Pepinski, R., “Some Aspects of Ferroelectricity", Proc. IRE, 43,
1738 (1955).
24.	Rushman, D. F. and Strivens, M. A., “Permittivity of Polycrystals of the Perovskite
Type". Trans. Farad. Soc., 42A, 231 (1946).
25.	Deri. M„ "Seignettoelectric Mixed Titanates”, Periodica Polytechn. Chem. Eng., 4, 307
(1960).	*
26.	Jonker. G. H., “Some Aspects of Semiconducting Barium Titanate”, Solid State
Electronics, 7, 895 (1964).
27.	Eberspacher. O., “Substitution of Antimony of Barium Titanates”, Naturwiss, 49, 155
К главе 11
1. Saburi, О. and Wakino, K., “Processing Techniques and Applications of Positive
, Temperature Coefficient Thermistors”, IEEE Trans. Comp. Parts., 10, 53, June (1963).
.. Sauer. H. A. and Fisher, J. R., “Processing of Positive Temperature Coefficient
Thermistors”, J. Amer. Ceram. Soc., 43, 297, June (1960).
3. Saburi, O„ "Properties of Semiconductive Barium Titanates", J. Phys. Soc. Japan. 14,
1159, September (1959).
4. Brenner, A. and Riddell, G. E„ “Nickel Plating on Steel. Good-Quality Deposits by
Chemical Reaction”. J. Res, Nat. Bw. Stand.. 37, 31 (1946).
' ’ *arner' , • an° Sauer, H. A., “Ohmic Contents to Semiconducting Ceramics". J.
Electrochem. Soc.. 107, 250. March (1960),
6. Harman. G. G. “Hard Gallium Alloys for Use as Low Resistance Electrodes and for
Bonding Thermocouples into Samples", Rer. Sci. Instr., 30, 717, July (1960).
1. Hanke. L. and Loebl. H.. "Keramische Kaltleiter fiir Netzspannungsbetrieb”, Siemens
Component /liforinmion. 6 -68. No. 1 (1968)
8. Tekster-Proskuryakova, G. N. and Sheftel I T. "Thermistors with a Positive
Temperature Coefficient of Resistance". Rad. Engng. Elect. Phys., p. 781 (1966).
203
К главе 12
1.	Gibson, G. Р. and Courtin, J. J., Electrical Manuj'., p. 126, November (1959).
2.	Greenwood, P. B„ Nix, R. W. and Ingham, G., "A Modern Method of Motor
Protection”, Elect. Rev., 174, 438, March (1964).
3.	McCaskie, J. R„ “Thermal Protection of Motors by Thermistors’’, Elect. Rev., 775
November 26th (1971).
4.	Marktl, W., “Full Thermal Motor Protection System with NTC Thermistor and
Transistor Amplifiers”, Siemens rev., 34, 328, September (1967).
5.	Bohme, B., “Semiconductor Temperature Sensor for Motor Protection’’, Bull. Assoc.
Suisse Elect., 52, 804, October (1961).
6.	Noble, J., “Thermistors as Industrial Electric Motor Protection”, New Zealand Engng.,
23, 104, March (1968).
•7. Baranski, R., Dzikowski, M. and Mrocek, H., “Thermistor Circuits for Electric Motor
Protection’’, Przeglad Elektrotech., 45, 112, March (1969).
8.	Moschekov, K. et al., “Advantages and Application Range of Electric Motor Thermal
Protection Equipment Using Thermistor Transducers", Conference on Science and
Technol., Bucharest (1970).
9.	Chantier, M„ “Thermistors or Thermal Relays for Motor Protection’’, ‘Focus'
Supplement to Elect. Times, 158, 16, July (1970).
10.	Grube, W. and Lobl. H., "PTC Thermistors with a Short Response Time for Motor
Protection”, Siemens Rev., 36, 359. September (1969).
11.	Saburi, O. and Wakino, K... “Processing Techniques and Applications of Positive
Temperature Coefficient Thermistors", IEEE Trans. Comp. Parts, 10, 53, June (1963).
12.	Mullard New Product Information "Positive Temperature Coefficient Thermistors”,
January (1967).
13.	Kahn. M., “Characterization and Application of Barium Titanate Thermistors", Proc.
21st Electronics Conf. E.I.A., p. 396, (1971).
14.	Imamura, E. and Tamada, M„ “Latest Applications of Murata Posistor", Japan.
Electronic Engng., 12. 60 (1967).
15.	Person. J. M..TAutoregulation des Postes Telephoniques”, Commutation et Electroitique,-
No. 44, 75. January (1974).
16.	Schoti. W. and Weizel, К , “The PTC Resistor as a Filling Level Sensing Device”,
Siemens Elect. Comp. Bull.. 1 67. p. 33 (1967).
17.	Macklen, E. D. and Camp, P. G.. “PTC Thermistors as Fluid Level Sensors in
Automobiles". Proc. Internepcon Conf.. Bnghton. October (1977).
18.	Motto, J. W., "Characteristics and Applications of PTC Thermistors", Electro-
Technology, p. 96, July (1962).
19.	Blaha. R. F„ “The PTC Resistor”, Proc. 21st Electronics Conf., E.I.A., p. 44 (1971).
20.	Andrich, E„ “PTC. Thermistors as Self-Regulating Heating Elements’’, Philips Tech. Rev.,
30, 170 (1969).
21.	Andrich, E„ "Properties and Applications of PTC Thermistors", Electron Applic., 26,
123 (1966).
Дополнительный список литературы
1.	Исследование электрических свойств, фазового состава и валентных состс
яний основных и примесных катионов в титанате бария, легированном ит
трием и ииобием/Б. Б. Лейкин, Ю. П. Костиков, Г. Н. Текстер-Проскуряко
ва и др. — Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1981, т. 10, с. 852
2.	Квантов М. А., Костиков Ю. П. Магнетохимическое исследование титанат!
бария, легированного пеитаоксидом тантала. — Изв, АН СССР. Неоргани-
ческие материалы, 1982, т. 6, с. 988.	|
3.	Зависимость электропроводности монокристаллов и керамики полупрово^
никового Вао.зСао.гТЮз от концентрации легирования примеси/М. В. Рож
дественская, И. Т. Шефтель, Н. И. Будим. — Изв. АН СССР. Неорганиче
ские материалы, 1980, т. 8, с. 1440.	|
4.	Проводимость при аллотропических фазовых переходах/Г. Н. Дульни
И. К. Машковский, В. В. Новиков, И. А. Соколов. — Инж.-физ. журна^
1979, т. XXXVII, вып. 2, с. 329.	J
5.	Позисторы для температурной защиты электрических машин/И. Т. Ше<|
тель, Г. Н. Текстер-Проскурякова, Б. Б. Лейкин. — Приборы и системы у^
равления, 1975, т. 8, с. 40.
204
6.	Текстер-Проскурякова Г. Н., Шефтель И. Т. Автостабилизирующие позис-
торы.— Электронная промышленность, 1976, вып. 7, с. 64.
7.	Позисторы для схем размагничивания масок кинескопов/А. К. Александро-
ва, Л. В. Семенова, Г. Н. Текстер-Проскурякова, И. Т. Шефтель. — Элект-
ронная промышленность, 1978, вып. 2, с. 14.
8.	Гусева Е. Г. Использование позисторов в качестве защитного устройства от
перегрева элементов микросхем. — В кн.: Полупроводниковые устройства и
термопреобразователи. — Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1978, с. 40—44.
9.	Минкин С. Б., Шашков А. Г. Позисторы, —М.: Энергия, 1973.
10.	Германиевый транзистор с температурным ограничением/Е. А. Грицевский,
И. К. Машковский, И. А. Соколова. — Электронная техника. Сер. 5 1978
№ 6, с. 65.
И. Саморегулирующиеся позисторные термостаты с двухступенчатым термоста-
тированием/И. Т. Шефтель, В. И. Стречень, А. Р. Шеляг, О. А Лю-
тик.—Приборы и системы управления, 1973, т. 11, с. 48.
12.	Марченко А. П. Управляемые полупроводниковые резисторы. — М.: Энер-
Оглавление
Предисловие	к русскому изданию...................................... 3,
Предисловие.......................................................... 6.
Введение ............................................................. 8
Глава 1. Полупроводниковые материалы с отрицательным ТКС и их
основные свойства........................................................Ц
1.1.	Историческая справка.............................................11’
1.2.	Химические свойства и кристаллическая структура....................Ц
1.3.	Механизм электропроводности......................................15,
1.4.	Физические основы проводимости....................................18
1.5.	Стабильность......................................................19
Глава 2. Технология изготовления терморезисторов с отрицательным
ТКС.....................................................................22
2.1.	Основные стадии изготовления терморезисторов.......................23
2.2.	Промышленные дисковые, шайбовые и стержневые терморезисторы .	27
2.3.	Промышленные бусинковые терморезисторы.............................29
2.4.	Терморезисториые зонды и защитные корпуса..........................32
2.5.	Пленочные терморезисторы...........................................33
Глава 3. Электрические свойства терморезисторов с отрицательным
ТКС.....................................................................34
3.1.	Температурная характеристика сопротивления.........................35
3.2.	Вольт-ампериая характеристика.....................................39‘
3.3.	Стабильность.......................................................43
3.4.	Производственные допуски на сопротивление и	ТКС....................45
Глава 4. Применение терморезисторов с отрицательным ТКС для из-
мерения, регулирования и компенсации	температуры ...	47
4.1.	Получение требуемой формы температурной характеристики сопротив-
ления .................................................................48
4.2.	Измерение температуры.............................................5t
4.3.	Регулирование температуры.........................................58
4.4.	Термокомпенсация..................................................6я
Глава 5. Применение терморезисторов прямого подогрева с отрица-
тельным ТКС..........................................................
5.1.	Применения, основанные на изменении коэффициента рассеяния
5.2.	Применения, основанные на изменении параметров схемы.
5.3.	Применения, основанные на изменении окружающей температуры
5.4.	Применения, основанные на изменении тока во времени .	.	.	.
Глава 6. Различные применения терморезисторов с отрицательным ТКС 81
6.1. Обнаружение и измерение излучения..................................в
6.2. Применение терморезисторов с отрицательным ТКС на очень низких _
частотах.............................................................
Глава 7. Свойства и применения терморезисторов косвенного подогре-
ва с отрицательным ТКС................................................
7.1.	Статические характеристики.......................................
7.2.	Динамические характеристики......................................
7.3.	Применение терморезисторов косвенного подогрева..................
110
1Ю
206
Глава 8. Высокотемпературные и специальные терморезисторы с от-
рицательным ТКС.............................................................
8 1 Высокотемпературные терморезисторы.....................................
8 2. Переключающие терморезисторы с отрицательным ТКС .	.	.	.	122
Глава 9. Терморезисторы с положительным ТКС из простых полу-
проводников ............................................................125
9.1. Изготовление и свойства	терморезисторов...........................127
9.2. Применение кремниевых	терморезисторов...........................129
Глава 10. Материалы для терморезисторов с положительным ТКС и
их основные свойства....................................................131
10.1. Историческая справка.............................................131
10 2. Химические свойства и кристаллическая структура материалов .	.	133
10.3. Механизм электропроводности......................................135
Глава 11. Изготовление и свойства терморезисторов с положительным
ТКС.....................................................................144
11.1. Технология изготовления..........................................145
11.2. Электрические характеристики.....................................150
Глава 12. Применение терморезисторов с положительным ТКС .	.	.	158
12.1. Применения, основанные на температурных характеристиках сопро-
тивления ...........................................................158
12.2. Применения, основанные на вольт-амперных характеристиках .	.	167
Глава 13. Выбор терморезисторов........................................182
13.1. Выбор терморезистора с отрицательным или положительным ТКС .	183
13.2. Выбор терморезисторов с отрицательным	ТКС......................185
13 3. Выбор терморезисторов с положительным	ТКС......................192
13.4. Изготовители терморезисторов.....................................195
Список литературы......................................................197
Дополнительный список литературы.......................................204
Эрик Д. Мэклин
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
Редакторы Г. Н. А с т а ф у р о в, Н. К. Калинина
Обложка художника Е. А. Сумнительного
Художественный редактор Н. С. Шеин
Технический редактор Г. И. Колосова
Корректор 3. Г. Галушкина
ИБ № 494
Сдано в набор 6.7.83 г.	Подписано в печать 5.10.83 г*
Формат 60х90/1в	Бумага тип. № 2 Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. печ. л. 13,0 Усл.-кр. отт. 13,25 Уч.-изд. л. 14,33
Тираж 5000 эка. Изд. № 19786 Зак. № 78	Цена 95 К»
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Московская типография № 5 ВГО «Союзучетиздат»
101000 Москва, ул. Кирова, д. 40