"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Термисторы и фоторезисторы — полупроводниковые резисторы, превращающие изменения температуры или освещённости в изменение сопротивления. Нагрев влияет на число и подвижность носителей заряда, а свет создаёт дополнительные носители. Поэтому такие приборы используют как датчики, элементы автоматических систем, устройства термостабилизации и защиты цепей. Главное — учитывать направление изменения сопротивления и условия включения элемента в цепь.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Термистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого существенно зависит от температуры. В отличие от обычного резистора, он специально рассчитан на заметную реакцию на нагревание или охлаждение. Поэтому его используют как чувствительный элемент датчика.
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления означает, что сопротивление термистора уменьшается при повышении температуры. Такой элемент обозначают как термистор с отрицательным коэффициентом, или NTC. Чем выше температура, тем легче обычно проходит ток.
Положительный температурный коэффициент сопротивления — свойство увеличивать сопротивление при нагревании. Такой термистор называют PTC-термистором. Он может ограничивать ток и защищать цепь, если температура или ток становятся слишком большими.
Фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием освещения. Обычно при увеличении освещённости его сопротивление уменьшается. Это позволяет преобразовать яркость света в электрический сигнал.
При нагревании в полупроводнике меняется число носителей заряда, способных участвовать в токе, а также их подвижность. Чем больше доступных носителей и чем свободнее они перемещаются, тем выше проводимость материала и тем меньше его сопротивление. Однако эти два изменения могут влиять на результат в разных направлениях, поэтому температурная характеристика зависит от состава полупроводника.
У термистора с отрицательным коэффициентом при нагревании рост концентрации носителей преобладает над уменьшением их подвижности. В результате сопротивление падает. У термистора с положительным коэффициентом нагревание, наоборот, приводит к увеличению сопротивления, поэтому направление изменения нужно устанавливать по типу прибора, а не запоминать одинаковым для всех термисторов.
Термистор состоит из чувствительного полупроводникового материала и электрических контактов, через которые он соединяется с цепью. Чувствительный элемент помещают в защитный корпус, предохраняющий его от повреждений и воздействия среды. Корпус должен хорошо передавать температуру внутрь, иначе прибор будет реагировать медленно или показывать температуру с заметной погрешностью.
Свет может передать электронам полупроводника энергию, достаточную для перехода в состояние свободных носителей заряда. Поэтому при освещении их число увеличивается, проводимость возрастает, а сопротивление фоторезистора обычно уменьшается. Это проявление внутреннего фотоэффекта: носители возникают внутри материала, а не вылетают из него.
Чувствительный элемент включают в цепь как обычный двухполюсник, то есть через его контакты пропускают ток. Изменение температуры или освещённости меняет сопротивление, а при постоянном напряжении — и ток по закону Ома. На практике элемент часто соединяют с постоянным резистором, получая делитель напряжения, выходной сигнал которого можно измерить или подать на устройство управления.
| Свойство | Термистор | Фоторезистор |
|---|---|---|
| Внешнее воздействие | Изменение температуры | Изменение освещённости |
| Изменяемая электрическая величина | Сопротивление | Сопротивление |
| Основная причина изменения сопротивления | Изменение концентрации и подвижности носителей заряда при нагревании | Появление дополнительных носителей заряда под действием света |
| Обычное направление изменения сопротивления | Уменьшается у термистора с отрицательным коэффициентом; увеличивается у термистора с положительным коэффициентом | Уменьшается при увеличении освещённости |
| Применение | Датчики температуры, термостабилизация, защита цепей от перегрузки | Датчики освещённости, автоматические выключатели, системы сигнализации |
Сначала по таблице определите внешнее воздействие, на которое реагирует прибор. Затем проверьте, как оно меняет сопротивление и какой электрический сигнал возникает в цепи. Направление изменения нужно связывать с типом термистора, потому что у него возможны два знака температурного коэффициента.
Термистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Требуется определить, что произойдёт с сопротивлением при нагревании и как изменится ток при постоянном напряжении. Числовые данные не нужны, потому что требуется установить направление изменения величин.
Ответ: сопротивление уменьшается, а ток при постоянном напряжении увеличивается. Если напряжение не постоянно, изменение тока нужно находить по фактическому значению U.
Фоторезистор подключён к источнику напряжением 12 В. В темноте его сопротивление равно 6 кОм, а при освещении — 2 кОм. Нужно найти ток в обоих режимах и сравнить результаты.
Ответ: в темноте ток равен 2 мА, при освещении — 6 мА. Рост тока объясняется обычным для фоторезистора уменьшением сопротивления при освещении.
Термистор и резистор сопротивлением 1 кОм соединены последовательно с источником 5 В. Сопротивление термистора равно 9 кОм в холодном состоянии и 1 кОм в нагретом. Найдём напряжение на постоянном резисторе.
Ответ: на постоянном резисторе будет 0,5 В в холодном и 2,5 В в нагретом состоянии. Такая схема является делителем напряжения: температура меняет сопротивление термистора, а значит, и измеряемое напряжение.
Считать, что любой термистор при нагревании уменьшает сопротивление, — ошибка. Так обычно думают из-за наиболее распространённых NTC-термисторов, но существуют и PTC-термисторы. Проверьте знак температурного коэффициента в условии.
Путать сопротивление фоторезистора с проводимостью означает неверно описывать эффект освещения. При освещении обычно уменьшается сопротивление, но увеличивается проводимость. Полезная проверка: при постоянном напряжении ток должен вырасти.
Нельзя без оговорки считать зависимость сопротивления от температуры или освещённости линейной. Реальные характеристики часто имеют криволинейный вид и зависят от материала и диапазона работы. Сверяйте расчёт с указанным диапазоном и графиком характеристики.
Забывать условие постоянства напряжения или тока — значит неправильно связывать изменения величин. При постоянном напряжении уменьшение сопротивления увеличивает ток, а при постоянном токе меняется напряжение на элементе. Перед применением закона Ома запишите, какая величина остаётся неизменной.
Для решения задач нужны закон Ома, формула сопротивления, а также правила последовательного и параллельного соединения проводников. Эти знания позволяют рассчитывать токи и напряжения в цепях с чувствительными элементами. Без них нельзя правильно интерпретировать изменение сопротивления.
Тема связана с физикой полупроводников и носителей заряда. Температурная зависимость сопротивления объясняется свойствами полупроводников, а действие света — внутренним фотоэффектом. Поэтому термисторы и фоторезисторы показывают связь электрических и световых явлений.
Полученные знания пригодятся при изучении электрических измерений, автоматических систем управления и датчиков физических величин. В таких устройствах сопротивление преобразуют в напряжение или ток. Затем сигнал используют для индикации, регулирования или включения защиты.
Почему термистор нельзя считать обычным резистором с постоянным сопротивлением?
Сопротивление термистора заметно зависит от температуры, поэтому оно не остаётся постоянным при нагревании или охлаждении. Обычный резистор тоже немного меняет сопротивление с температурой, но для термистора это изменение является основным рабочим свойством.
Почему при нагревании сопротивление одного термистора уменьшается, а другого увеличивается?
У разных материалов по-разному изменяются концентрация и подвижность носителей заряда при нагревании. Поэтому существуют термисторы с отрицательным и положительным температурными коэффициентами сопротивления.
Почему при освещении сопротивление фоторезистора обычно уменьшается?
Энергия света переводит часть электронов в состояние, в котором они могут участвовать в электрическом токе. Число носителей заряда увеличивается, проводимость возрастает, а сопротивление обычно уменьшается.
Можно ли напрямую определить температуру по сопротивлению термистора?
Температуру можно определить по сопротивлению, если известна характеристика конкретного термистора. Она устанавливает соответствие между температурой и сопротивлением, поскольку зависимость обычно нелинейна.
Зачем термистор или фоторезистор включают вместе с обычным резистором?
Обычный резистор вместе с чувствительным элементом образует, например, делитель напряжения. Изменение сопротивления преобразуется в изменение напряжения, которое удобно измерять или использовать для управления цепью.
§ 3.20. Термисторы и фоторезисторы
