Термисторы и их характеристики

Термистор представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (у болометров он является положительным). Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2—0,5 мм (рис. 6.4) или цилиндра диаметром 0,2—1,5 мм. Эта масса представляет собой порошкообразную смесь окислов меди, марганца, кобальта, титана и др., спекаемую в определенной среде. В бусинку заваривают тонкие выводы из платиновой (платиноиридиевой или платинородиевой) проволоки диаметром 0,01—0,03 мм. Для увеличения проводимости полупроводниковой массы в нее добавляют порошок меди.

Рис. 6.4. Конструкции термисторов

Цилиндрический термистор имеет удлиненную форму чувствительного элемента, поэтому его электрическая прочность выше, чем бусинкового. Он также имеет меньшие реактивную составляющую сопротивления и емкость между выводами; при одинаковой длине элемента термистора платиновые выводы у него короче, следовательно, их индуктивность меньше. Для жесткости конструкции термисторы помещают в стеклянный баллон диаметром до 3 мм и длиной до 10 мм с проволочными выводами 0,8 мм. Широкое применение находят также безбаллонные термисторы типа ТШ-1, терморезисторы СТЗ-18, СТЗ-29, на базе которых созданы высокочастотные термисторные вставки.

Бусинковые термисторы имеют меньшую поверхность охлаждения и более длинные выводы, а следовательно, при прочих равных условиях большую чувствительность к измеряемой мощности. В коротковолновой области диапазона (сантиметровой и миллиметровой) в основном применяются цилиндрические термисторы, имеющие меньшее реактивное сопротивление. В длинноволновой части диапазона используются как те, так и другие типы термисторов.

Рис. 6.5. Термистор в стеклянном баллоне

Рис. 6.6. Унифицированная вставка для коаксиальных термисторных головок

Термисторы монтируются в головку непосредственно или заключаются в специальную арматуру, облегчающую их замену. Простейшей арматурой является стеклянный баллон с толстыми металлическими выводами для включения термисторов в схему (рис. 6.5). Термисторы в баллоне применяются на относительно длинных волнах, когда длина баллона существенно меньше длины волны. В коротковолновой части диапазона и особенно на миллиметровых волнах применяются термисторы без баллона. Широко применяются термисторы без баллона, вмонтированные в арматуру типа термисторная вставка, которая представляет собой отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом. Они служат нагрузкой для согласованных с ними термисторов бусинкового типа. Термисторная вставка является унифицированным функциональным узлом современных отечественных коаксиальных термисторных головок, работающих в диапазоне волн до 3 см (рис. 6.6). Волноводная термисторная вставка (рис. 6.7) представляет собой унифицированный функциональный узел волноводных термисторных головок, рассчитанных на работу в диапазоне волн от 1,75 до 5,4 см. Ее основой является цилиндрический термистор, один конец которого приваривается к емкостному штырю, компенсирующему индуктивность термистора, другой — к обкладке конденсатора, развязывающего цепи тока СВЧ и постоянного или переменного тока термисторного моста. Аналогичные тер- мисторные вставки разработаны и успешно применяются в миллиметровом диапазоне волн примерно до 8 мм.

Рис. 6.7. Волноводная термисторная вставка

Термисторы и термисторные вставки характеризуются параметрами, описывающими как свойства самих термисторов, так и свойства их арматуры, а также способ монтажа. Чтобы получить сопротивление термистора, необходимое для согласования с высокочастотной линией, в нем должна быть рассеяна мощность начального подогрева, вызываемого термисторным мостом. Эта мощность зависит от температуры окружающей среды. Для термистора или тер- мисторной вставки нормируется рабочее сопротивление R, при котором гарантируются высокочастотные свойства и значения начальной мощности подогрева при граничных значениях рабочего диапазона температур.

В общем случае как болометрам, так и термисторам присуща нелинейная зависимость изменения сопротивления от уровня мощности и температуры окружающей среды (рис. 6.8). Для термисторов эту зависимость можно записать в виде

где R , $_т — постоянные, зависящие от свойств полупроводникового материала термистора; t = t _окр + 0 — абсолютная температура, при которой определяется сопротивление термистора R-, ?_к окр — температура окружающей среды; 0 = P/h — превышение температуры термистора над температурой окружающей среды под воздействием мощности Р.

Продифференцировав (6.4), можно определить относительный температурный коэффициент сопротивления

Рис. 6.8. Зависимость сопротивления термистора от уровня мощности и температуры окружающей среды

Из (6.5) следует, что температурный коэффициент сопротивления термистора является величиной отрицательной и существенно изменяется при изменении температуры термистора. Однако, если это происходит в пределах R_t = ±(5-10)%, температурный коэффициент можно считать постоянным, что позволяет сравнивать характеристики термисторов. Крутизна характеристики термистора существенно зависит от температуры окружающей среды (см. рис. 6.8), и ее влияние тем выше, чем интенсивнее теплообмен термистора с окружающей средой.

Общая чувствительность измерителей мощности определяется не столько разрешающей способностью термис- торных мостов, сколько тепловыми шумами, проникающими в термисторную головку извне из-за нестабильности температуры окружающей среды. Поэтому возможности головки при измерении предельно малых мощностей оцениваются не крутизной ее характеристики, а коэффициентом теплоотдачи термистора. Вследствие этого крутизна характеристики термистора не считается достаточно важным параметром головок, предназначенных для точных измерений в схемах сбалансированных мостов. При работе с несбалансированными мостами чувствительность прибора оказывается пропорциональной крутизне термистора, поэтому как значение крутизны, так и ее постоянство во всех режимах работы приобретают особое значение.

При измерении мощности Р_ с помощью термисторов и болометров ее замещают равной ей мощностью постоянного тока Р_. Они считаются одинаковыми, если вызывают одни и те же приращения сопротивления термистора. Это приращение на постоянном токе измеряют с помощью мостовых схем.

Приращение сопротивления термистора зависит от рассеиваемой в нем мощности и распределения температуры. Если это распределение окажется различным при подаче одинаковых мощностей и Р___у то приращение сопротивления R под действием Р_ будет несколько отличаться от вызванного рассеиванием Р₌ . При стремлении к равенству Р_ = Р₌, фиксируемого с помощью мостовой схемы, окажется, что мощности Р_ и Р₌ не равны, т.е. возникает погрешность замещения.

Источником непостоянства погрешности является изменение коэффициента полезного действия (кпд) преобразователя, зависящего от потерь в элементах конструкции, окружающих болометр или термистор. Коэффициент полезного действия преобразователя - доля общей мощности

СВЧ, поданной в преобразователь, которая в действительности поглощается и измеряется. У терморезисторных преобразователей разных типов, применяемых в диапазонах длин волн 1,25 и 3 см, кпд лежат в пределах от 0,83 до 0,99. Измерение кпд производится калориметрическим методом.

Еще один вид погрешности возникает при измерении импульсной мощности модулированных сигналов из-за динамических свойств термистора. Эта погрешность значительна, когда для измерения среднего значения мощности применяются термисторы с очень малой постоянной времени, такие, например, как болометры с воластоновской нитью. Погрешность частично обусловливается влиянием изменения сопротивления термистора на схему, в которую он включен, а частично - конструкцией болометра и изменением его полного сопротивления за время действия импульса, вследствие чего часть мощности отражается. Некоторая доля этой погрешности определяется неравномерностью охлаждения болометра в интервале между импульсами. При длительности импульса 1 мкс и частоте повторения 1000 имп/с погрешность болометра, включенного в равноплечий мост, составляет 5%.

В настоящее время применяются в основном широкополосные преобразователи, не требующие настройки во всем рабочем диапазоне частот.

Основные характеристики наиболее распространенных терморезисторов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Как термисторы, так и болометры используются для измерения малых уровней мощностей непрерывных сигналов и средних значений мощности импульсно-модулированных СВЧ-сигналов. На практике предпочтение отдают термисторам из-за более высокой чувствительности и большей энергии перегорания при одном и том же максимальном пределе измерения среднего значения мощности импульсно-модулированных сигналов. Вместе с тем проволочные и нитевидные болометры на стекловолокне применяют для измерения малых уровней импульсной мощности благодаря их малой постоянной времени. На проволочных болометрах, имеющих более стабильные параметры, строят образцовую аппаратуру.

Плоские пленочные болометры позволяют расширить динамический диапазон средних уровней мощности до 1 Вт. При уровнях ниже 10 мВт они малопригодны из-за большой постоянной рассеяния, обусловливающей значительный дрейф показаний при измерениях.

Автор: Хамадулин Энуар