ترمیستور

ترمیستور نوع خاصی از عنصر مقاومتی متغیر است که با قرار‌گرفتن در معرض تغییرات‌دما مقاومت فیزیکی خود را تغییر می‌دهد.

ترمیستور یک دستگاه حسگر درجه حرارت حالت جامد است که کمی مانند یک مقاومت‌الکتریکی عمل‌می‌کند اما به دما حساس است.

از ترمیستور ها می توان برای تولید ولتاژ خروجی آنالوگ با تغییر در دمای محیط استفاده کرد.

به همین ترتیب می توان از آنها به عنوان مبدل نام برد.

دلیل آن این است که به دلیل تغییر خارجی و فیزیکی گرما ، تغییری در خصوصیات الکتریکی خود ایجاد می‌کند.

ترمیستور در اصل یک مبدل حساس به حرارت با حالت جامد دو ترمینال است که با استفاده از اکسیدهای فلزی حساس به نیمه هادی با سرب های اتصال متالایز یا متخلخل ساخته شده به یک دیسک یا مهره سرامیکی ساخته شده است.

این اجازه می دهد تا ترمیستور متناسب با تغییرات کوچک در دمای محیط ، مقدار مقاومت خود را تغییر دهد.

به عبارت دیگر :

با تغییر دما‌، مقاومت آن نیز تغییر می‌کند و به همین ترتیب نام آن‌، ” ترمیستور ” ترکیبی از کلمات‌THERM-متحد حساس‌res-ISTOR است.

تغییر مقاومت در اثر گرما در مقاومتهای استاندارد معمولاً نامطلوب است.

اما این اثر را می توان در بسیاری از مدارهای تشخیص دما به خوبی مورد استفاده قرار داد.

بنابراین ترمیستور ها به عنوان یک دستگاه مقاومت غیر متغیر غیر خطی‌، معمولاً به عنوان سنسور های دما با کاربردهای زیادی برای اندازه گیری دمای مایعات و هوای محیط استفاده می‌شوند.

همچنین ، به عنوان یک دستگاه حالت جامد ساخته شده از اکسیدهای فلزی بسیار حساس ، آنها در سطح مولکولی کار می کنند که الکترونهای بیرونی (ظرفیت) فعال تر می شوند و تولید یک ضریب دمای منفی یا یک فعال تر تولید ضریب دمای مثبت به عنوان دمای ترمیستور افزایش یافته است.

این بدان معنی است که آنها دارای مقاومت بسیار خوبی در برابر ویژگی های دمایی هستند که به آنها امکان می دهد در دمای حداکثر 200 درجه سانتیگراد کار کنند.

در حالی که استفاده اصلی از ترمیستور ها به عنوان سنسور های درجه حرارت مقاومتی است‌، آنها همچنین می توانند به صورت سری با یک جز component یا دستگاه دیگر متصل شوند تا جریان الکتریکی را که از آنها عبور می کند کنترل کنید.

به عبارت دیگر‌، آنها می‌توانند به عنوان یک دستگاه محدود‌کننده جریان حساس به حرارت استفاده شوند.

ترمیستور ها در‌طیف وسیعی از انواع‌، مواد و اندازه ها وجود دارند که با زمان پاسخ‌دهی و دمای کارکرد آنها مشخص‌می‌شوند.

همچنین ، ترمیستور های مهر و موم شده خطا در قرائت مقاومت به دلیل نفوذ رطوبت را از بین می برند در حالی که هنوز درجه حرارت بالا و اندازه جمع و جور را ارائه می دهند.

سه نوع متداول عبارتند از:

• ترمیستورهای مهره ای
• ترمیستورهای دیسکی
• و ترمیستورهای شیشه ای.

این مقاومت‌های وابسته به‌گرما ‌وانند به‌یکی از دو روش کار‌کنند‌، یا با افزایش یا کاهش مقدار مقاومت آنها با تغییر‌دما.

سپس دو نوع ترمیستور موجود است: ضریب دمای منفی (NTC) مقاومت و ضریب دمای مثبت (PTC) مقاومت.

ترمیستور ضریب دما منفی

ضریب دمای منفی ترمیستور های مقاومتی یا به طور خلاصه ترمیستورهای NTC با افزایش دمای کار در اطراف آنها ، مقاومت آنها را کاهش یا کاهش می دهد.

به طور کلی ، ترمیستور های NTC متداول ترین سنسورهای دما هستند.

زیرا می توانند تقریباً در هر نوع تجهیزاتی که دما نقش دارد استفاده شوند.

ترمیستورهای دمایی NTC دارای یک مقاومت الکتریکی منفی در برابر دما (R / T) هستند.

پاسخ‌منفی نسبتاً زیاد ترمیستور ‌NTC به‌این معنی است که حتی تغییرات‌جزئی در‌دما نیز می‌تواند باعث تغییرات قابل‌توجهی در مقاومت‌الکتریکی آنها‌ شود.

این امر آنها را برای اندازه گیری و کنترل دقیق دما ایده آل می کند.

قبلاً گفتیم که ترمیستور یک جز الکترونیکی است که مقاومت آن به شدت به دما وابسته است ، بنابراین اگر ما یک جریان ثابت را از طریق ترمیستور ارسال کنیم و سپس افت ولتاژ را روی آن اندازه گیری کنیم ، بنابراین می توانیم مقاومت آن را در یک درجه حرارت خاص تعیین کنیم.

ترمیستورهای NTC با افزایش دما مقاومت خود را کاهش می دهد و در مقاومتهای مختلف و منحنی دما وجود دارد.

ترمیستورهای‌NTC معمولاً با مقاومت پایه آنها در دمای‌اتاق‌، یعنی 25 درجه سانتیگراد‌،‌(77 درجه فارنهایت)‌مشخص می‌شوند‌، زیرا این یک نقطه مرجع‌مناسب‌است.

به عنوان مثال :

2k2Ω در 25oC ، 10kΩ در 25oC یا 47kΩ در 25oC و غیره

یکی دیگر از ویژگی‌ های مهم ترمیستور مقدار‌”B” آن است.

مقدار B یک ثابت ماده است که توسط ماده سرامیکی ساخته شده تعیین می شود.

این گرادیان منحنی مقاومت (R / T) را در یک محدوده دمایی خاص بین دو نقطه دما توصیف می کند.

هر ماده ترمیستور یک ثابت ماده متفاوت دارد و بنابراین یک مقاومت متفاوت در برابر منحنی دما دارد.

سپس مقدار B مقدار مقاومت ترمیستور ها را در اولین درجه حرارت یا نقطه پایه (که معمولاً 25 درجه سانتیگراد است) ، T1 و مقدار مقاومت ترمیستورها در یک نقطه درجه حرارت دوم ، به عنوان مثال 100 درجه سانتیگراد ، T2 تعریف می کنند.

بنابراین مقدار B ثابت ماده ترمیستور ها را در محدوده T1 و T2 تعریف می کند.

این BT1 / T2 یا B25 / 100 با مقادیر معمولی ترمیستور NTC B است که در هر نقطه بین 3000 و حدود 5000 داده شده است.

با این حال توجه داشته باشید که هر دو نقطه دما T1 و T2 در واحدهای دمایی کلوین محاسبه می شوند که 00C = 273.15 کلوین باشد.

بنابراین مقدار‌25oC برابر است با 25o + 273.15 = 298.15K و 100oC برابر 100o + 273.15 = 373.15K و غیره‌است.

بنابراین با دانستن مقدار B یک ترمیستورخاص (که از صفحه داده سازندگان بدست آمده است) ، می توان با استفاده از معادله نرمال شده زیر ، یک جدول دما در مقابل مقاومت تولید کرد تا یک نمودار مناسب ساخته شود:

معادله ترمیستور

جایی که:

T1 اولین نقطه دما در کلوین است

T2 دومین نقطه دما در کلوین است

R1 مقاومت ترمیستورها در دمای T1 در اهم است

R2 مقاومت ترمیستورها در دمای T2 در اهم است

مثال شماره 1 ترمیستور

ترمیستور 10kΩ NTC دارای مقدار B 3455 بین دامنه دما 25oC و 100oC است. مقدار مقاومت آن را در 25oC و دوباره در 100oC محاسبه کنید.

داده های داده شده: B = 3455 ، R1 = 10kΩ در 25o. به منظور تبدیل مقیاس دما از درجه سانتیگراد ، oC به درجه کلوین ثابت ریاضی 273.15 را اضافه می کنیم

مقدار R1 قبلاً به عنوان مقاومت پایه 10kΩ داده شده‌است‌، بنابراین مقدار R2 در 100oC به صورت زیر محاسبه می‌شود:

نمودار مشخصه دو نقطه زیر را بدست آورید:

توجه داشته باشید که در این مثال ساده ، فقط دو نقطه یافت شد ، اما به طور کلی ترمیستورها مقاومت خود را با تغییرات دما به طور تصاعدی تغییر می دهند ، بنابراین منحنی مشخصه آنها غیر خطی است ، بنابراین هرچه نقاط دما بیشتر محاسبه شود ، منحنی دقیق تر خواهد بود.

Temperature (oC)	10	20	25	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
Resistance (Ω)	18476	12185	10000	8260	5740	4080	2960	2188	1645	1257	973	765	608

 

و این نقاط را می توان همانطور که نشان داده شده رسم کرد تا منحنی خصوصیات دقیق تری را برای ترمیستور 10kΩ NTC ارائه دهد که دارای مقدار B 3455 است.

منحنی خصوصیات ترمیستور NTC

توجه داشته باشید که ضریب دمایی منفی (NTC) دارد ، یعنی مقاومت آن با افزایش دما کاهش می یابد.

استفاده از ترمیستور برای اندازه گیری دما.

بنابراین چگونه می توانیم از ترمیستور برای اندازه گیری دما استفاده کنیم؟

امیدوارم تاکنون فهمیده باشیم که یک ترمیستور یک دستگاه مقاومتی است و بنابراین مطابق قانون اهم ، اگر جریانی از آن عبور دهیم ، افت ولتاژ در آن ایجاد می شود. از آنجایی که ترمیستور نوعی حسگر غیرفعال است ، یعنی برای عملکرد خود به سیگنال تحریک نیاز دارد ، هرگونه تغییر در مقاومت آن در نتیجه تغییرات دما می تواند به تغییر ولتاژ تبدیل شود.

ساده‌ترین راه برای انجام این‌کار استفاده از ترمیستور به‌عنوان بخشی از مدار تقسیم کننده بالقوه همانطور که نشان داده شده‌است.

ولتاژ تغذیه ثابت در مدار مقاومت و سری ترمیستور با ولتاژ خروجی از عرض ترمیستور اندازه گیری می شود.

اگر به عنوان مثال ما از یک ترمیستور 10kΩ با مقاومت سری 10kΩ استفاده کنیم ، ولتاژ خروجی در دمای پایه 25oC نصف ولتاژ منبع تغذیه 10Ω / (10Ω + 10Ω) = 0.5 خواهد بود.

وقتی مقاومت ترمیستور به دلیل تغییرات دما تغییر می کند ، کسری از ولتاژ تغذیه در ترمیستور نیز تغییر می کند و تولید ولتاژ خروجی متناسب با کسر مقاومت کل سری بین ترمینال های خروجی است. بنابراین مدار تقسیم کننده پتانسیل مثالی از یک مبدل مقاومت در برابر ولتاژ ساده است که در آن مقاومت ترمیستور توسط دما کنترل می شود و ولتاژ خروجی تولید شده متناسب با دما است. بنابراین هرچه ترمیستور داغ شود ولتاژ خروجی کاهش می یابد.

اگر موقعیت های مقاومت سری ، RS و ترمیستور ، RTH را معکوس کنیم ، ولتاژ خروجی در جهت مخالف تغییر می کند ، یعنی هرچه ترمیستور داغ شود ، ولتاژ خروجی بالاتر می رود.

ما می‌توانیم از ترمیستورهای NTC به‌عنوان بخشی از پیکربندی سنجش درجه حرارت پایه با استفاده از مدار پل استفاده کنیم.

رابطه بین مقاومتهای R1 و R2 ولتاژ مرجع ، VREF را به مقدار مورد نیاز تنظیم می کند.

به عنوان مثال:

اگر R1 و R2 هر‌دو دارای مقاومت مقاومت یکسانی باشند‌، ولتاژ مرجع برابر با نیمی از ولتاژ تغذیه قبلی است.

یعنی Vs / 2.

با تغییر دما و در نتیجه مقدار مقاومت ترمیستور ، ولتاژ VTH نیز تغییر می کند ، یا بالاتر یا پایین تر از VREF که یک سیگنال خروجی مثبت یا منفی به تقویت کننده متصل تولید می کند.

مدار تقویت کننده مورد استفاده برای این مدار پل سنجش دما می تواند به عنوان یک تقویت کننده دیفرانسیل برای حساسیت و تقویت بالا ، یا یک مدار ساده ماشه اشمیت برای سوئیچ ON-OFF عمل کند.

مشکل عبور جریان از یک ترمیستور به این روش این است که ترمیستورها چیزی را تحت عنوان اثر خود گرمایش تجربه می کنند ، یعنی از دست دادن قدرت I2 * R می تواند به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند گرمای بیشتری از آنچه را که توسط ترمیستور تأثیر می گذارد ایجاد کند. ارزش مقاومتی آن نتایج نادرست.

بنابراین ممکن است اگر جریان از طریق ترمیستور بیش از حد بالا باشد باعث افزایش اتلاف توان می شود و با افزایش دما ، مقاومت آن کاهش می یابد و باعث جریان بیشتر می شود ، که باعث افزایش دما می شود و به نتیجه می رسد جریان گرمایی فرار کند.

به عبارت‌دیگر‌:

ما می‌خواهیم ترمیستور به دلیل اندازه گیری دمای خارجی گرم شود و نه به خودی خود گرم شود.

مقدار مقاومت سری ، RS بالا باید برای پاسخ دهی منطقی گسترده به دامنه مورد انتظار برای درجه حرارتی که احتمالاً ترمیستور برای آن استفاده می شود ، انتخاب شود و در عین حال جریان را به یک مقدار مطمئن در بالاترین دما محدود کند.

یکی از روش‌های بهبود این‌مورد و داشتن تبدیل دقیق‌تر مقاومت در برابر‌دما (R / T)‌، درایور ترمیستور با منبع‌جریان ثابت‌است.

تغییر مقاومت را می توان با استفاده از جریان مستقیم کوچک و اندازه گیری شده یا DC از طریق ترمیستور اندازه گیری کرد تا افت ولتاژ تولید شده اندازه گیری شود.

ترمیستور مورد استفاده برای مهار جریان ورودی

ما در اینجا دیدیم که ترمیستورها به عنوان مبدل های حساس به دما مقاومتی استفاده می شوند.

اما مقاومت یک ترمیستور را می‌توان با تغییر درجه‌حرارت خارجی یا با تغییر درجه‌حرارت ناشی از جریان الکتریکی که از آنها عبور می‌کند‌، تغییر داد ، زیرا آنها دستگاه مقاومت هستند .

قانون اهم به ما می گوید که وقتی یک جریان الکتریکی از یک مقاومت R عبور می کند ، در نتیجه ولتاژ اعمال شده ، به دلیل اثر گرمایش I2 * R ، برق به صورت گرما مصرف می شود.

بخاطر اثر خود گرمایش جریان در یک ترمیستور‌، یک ترمیستور می‌تواند مقاومت خود را با تغییرات جریان تغییر دهد.

تجهیزات القایی الکتریکی مانند موتورها‌، ترانسفورماتورها‌، روشنایی بالاست و غیره هنگام شروع‌”روشن”‌از جریان هجومی بیش از حد رنج می‌برند.

اما از ترمیستورهای متصل سری نیز می توان برای محدود کردن موثر جریانهای اولیه زیاد به مقدار ایمن استفاده کرد.

به‌طور‌کلی از ترمیستورهای NTC با مقادیر کم مقاومت به سرما‌(در دمای 25 درجه سانتیگراد) برای چنین تنظیم جریان استفاده می‌شود.

ترمیستور محدود کننده جریان را فشار دهید.

مهارکننده های جریان ورودی و محدود کننده های ولتاژ انواع ترمیستور متصل به سری هستند که با گرم شدن توسط جریان عبوری که از آن عبور می کند مقاومت آنها بسیار کم می شود.

هنگام روشن شدن اولیه‌، مقدار مقاومت در برابر سرما‌(مقاومت پایه) ترمیستورها نسبتاً زیاد است و جریان‌ورودی اولیه‌بار را کنترل می‌کند.

در نتیجه :

جریان بار ، ترمیستور گرم می شود و مقاومت آن را نسبتاً به آرامی کاهش می دهد تا جایی که توان اتلاف شده در آن کافی است تا مقدار مقاومت کم آن را با بیشترین ولتاژ اعمال شده در سراسر بار حفظ کند.

این اثر گرمایشی به دلیل اینرسی حرارتی جرم آن ، چند ثانیه طول می کشد که در طی آن جریان بار به تدریج افزایش می یابد تا بلافاصله ، بنابراین هر جریان هجوم زیادی محدود می شود و توان آن را بر این اساس کاهش می دهد.

به دلیل این عمل حرارتی ، ترمیستور های سرکوب جریان هجومی می توانند در حالت کم مقاومت بسیار گرم کار کنند.

بدین ترتیب پس از قطع برق به یک دوره خنک شدن یا بازیابی نیاز دارید .

بنابراین به مقاومت ترمیستور NTC می توانید برای دفعه بعدی که لازم است ، به اندازه کافی آماده شود.

سرعت پاسخ ترمیستور محدود کننده جریان با ثابت بودن زمان آن داده می شود.

یعنی زمان لازم برای مقاومت در برابر آن تا 63٪ (یعنی 1 تا 1 / ε) از تغییر کل تغییر کند.

به عنوان مثال ، فرض کنید دمای محیط از 0 به 100 درجه سانتیگراد تغییر کند ، در این صورت ثابت بودن 63٪ زمانی است که برای مقاومت ترمیستور در 63 درجه سانتیگراد لازم است.

ترمیستورهای NTC از جریان هجومی زیاد نامطلوب محافظت می‌کنند‌، در‌حالی که مقاومت آنها در حین‌کار مداوم و تأمین‌برق بار بسیار‌ناچیز‌است.

در اینجا مزیت این است که آنها می توانند جریانهای هجومی بسیار بالاتری را نسبت به مقاومتهای محدودکننده استاندارد ثابت ثابت با همان توان مصرفی کنترل کنند.

خلاصه ترمیستور

ما در اینجا در این آموزش در مورد ترمیستور ها دیده ایم که ترمیستور یک مبدل مقاومتی دو ترمینالی است که می تواند با تغییر در دمای محیط پیرامون مقاومت خود را تغییر دهد ، از این رو مقاومت حرارتی یا به عبارت ساده ترمیستور نامیده می شود.

ترمیستورها سنسور های دمایی ارزان‌قیمت و به راحتی قابل دستیابی هستند که با استفاده از اکسیدهای فلز نیمه هادی ساخته شده‌اند.

آنها با ضریب دمای منفی ، (NTC) مقاومت یا ضریب دمای مثبت (PTC) مقاومت در دسترس هستند.

با این تفاوت که ترمیستور های NTC با افزایش دما مقاومت آنها را کاهش می دهند.

در حالی که ترمیستور های PTC با افزایش دما مقاومت آنها را افزایش می دهند.

ترمیستور های NTC معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند (به خصوص ترمیستور 10KΩ NTC) و همراه با یک مقاومت سری اضافی ، RS می تواند به عنوان بخشی از یک مدار تقسیم کننده پتانسیل ساده باشد.

بنابراین مقاومت در برابر آن در اثر تغییر دما تغییر می کند‌، ولتاژ خروجی مربوط به دما تولید می کند.

با این حال‌، باید جریان کارکرد ترمیستور را تا حد ممکن پایین نگه‌داشت تا از اثرات خود گرمایی کاسته شود.

اگر جریان کاری آنها خیلی زیاد باشد‌، آنها می توانند سریعتر از حد ممکن گرم شوند و نتایج غلط ایجاد‌کنند.

ترمیستور ها با مقاومت پایه و همچنین مقدار “B” مشخص می شوند.

مقاومت پایه‌، به عنوان مثال‌، 10kΩ ، مقاومت ترمیستور در یک درجه حرارت معین است‌، معمولاً 25 درجه سانتیگراد!

بنابراین چنین تعریف می شود:

مقدار B یک ثابت ماده ثابت است که شکل شیب منحنی مقاومت بر روی دما‌(R / T) را توصیف می‌کند.

ما همچنین دیده ایم که از ترمیستور ها علاوه بر اینکه برای اندازه گیری دمای خارجی استفاده می شود .

می توان برای کنترل جریان الکتریکی در نتیجه اثر گرمایش I2R ناشی از جریان جاری در آن استفاده کرد.

با اتصال ترمیستور NTC به صورت سری و بار‌، می توان به طور موثر جریان هجوم بالا را محدود کرد.