آشنایی با ترمیستور و انواع آن - الکتروبهمن

آشنایی با ترمیستور و انواع آن

ترمیستور یا مقاومت حرارتی یک قطعه حالت جامد حساس به دما است که تقریباً مشابه مقاومت کار می‌ کند. از ترمیستورها می ‌توان برای تولید یک ولتاژ خروجی آنالوگ در پاسخ تغییرات دمای محیط استفاده کرد و به همین خاطر، این قطعات نوعی ترنسدیوسر هستند. دلیل این نام‌ گذاری آن است که تغییر گرما، باعث تغییر در مشخصات الکتریکی ترمیستورها می‌ شود.

ترمیستور و RTD از جمله تجهیزاتی هستند که برای اندازه ‌گیری دما در سیستم‌ های گرمایش و تهویه مطبوع مدرن مورد استفاده قرار می ‌گیرند. نام ترمیستور برگرفته از دو کلمه انگلیسی resistor به معنای مقاومت و thermal به معنای گرمایی گرفته شده است. در واقع در داخل ترمیستور نوعی مقاومت الکتریکی وجود دارد که بسته به دمای محیطی، میزان این مقاومت تغییر می ‌کند. با استفاده از این تغییرات می ‌توان میزان تغییر دما را اندازه‌ گیری کرد.

ترمیستور اساسا یک ترنسدیوسر حالت جامد دو سر حساس به دما است که از نیمه ‌هادی حساس مبتنی بر اکسید فلز با سرب متالیزه و تفجوشی شده درون یک قرص سرامیکی ساخته شده است. مقدار مقاومت آن متناسب با تغییرات کوچک دما تغییر می ‌کند. همان ‌طور که از اسم “THERM-ally sensitive res-ISTOR”  بر می ‌آید، وقتی دمای ترمیستور (Thermistor) تغییر کند، مقدار مقاومت آن تغییر خواهد کرد.

در حالی که عموما تغییر مقاومت به دلیل گرما در مقاومت‌ های معمولی نا مطلوب است، از این اثر می ‌توان در خیلی از مدارهای آشکارساز دما استفاده کرد. ترمیستورها که قطعات مقاومت متغیر غیرخطی هستند، معمولا به عنوان سنسورهای دما مورد استفاده قرار می ‌گیرند و کاربرد های فراوانی در اندازه‌ گیری دمای مایعات و هوای محیط دارند.

این قطعات، بسته به پاسخ زمانی و دمای عملکردی، در انواع و اندازه‌ های مختلف با مواد تشکیل دهنده متفاوت در دسترس هستند.

از آن‌ جایی که ترمیستور یک قطعه حالت جامد است و از اکسید فلز بسیار حساس ساخته شده، در سطح مولکولی کار می ‌کند و وقتی دمای آن زیاد شود، الکترون ‌های (لایه ظرفیت) آن فعال ‌تر شده و یک ضریب حرارتی منفی تولید می‌ کند یا فعالیت آن ‌ها کم شده و یک ضریب حرارتی مثبت ارائه می‌ دهد.

ترمیستور های مهر و موم شده، خطا های خواندن مقاومت را که به دلیل نفوذ رطوبت وجود دارد، حذف می‌ کنند و در عین حال دمای عملکردی بالا و اندازه فشرده ‌ای دارند.

مقاله آموزشی: محاسبه هزینه راه اندازی یک سردخانه

سه مدل رایج ترمیستورها:

ترمیستورهای مهره‌ ای

ترمیستورهای دیسکی 

ترمیستورهای شیشه ‌ای

این مقاومت‌ های وابسته به گرما می‌ توانند به دو صورت افزایشی یا کاهشی مقاومت در اثر تغییر دما کار کنند. از نظر عملکردی دو نوع ترمیستور وجود دارد:

ترمیستور با ضریب حرارتی منفی (Negative Temperature Coefficient) مقاومت یا NTC 

تریستور با ضریب حرارتی مثبت (Positive Temperature Coefficient) مقاومت یا PTC

انواع ترمیستور

ترمیستورها بر اساس نیمه رسانای تشکیل دهنده آن به دو دسته NTC (با ضریب دمایی منفی) و) PTC با ضریب دمایی مثبت) تقسیم می‌ شوند. با همین ملاک، ترمیستور PTC خود به دو دسته سیلیستور و تعویضی تقسیم می ‌شوند.

سیلیستور

سیلیستورها اغلب از سیلیسیم غیرخالص (آلاییده) ساخته شده و رفتار آن شبیه فلز بوده و با افزایش دما مقاومت الکتریکی آن افزایش پیدا می کند.

تعویضی

در این نوع از PTC ها، ضریب دمایی مقاومت ویژه تا پیش از دمای خاصی (نقطه کوری)، منفی است و بعد از آن در یک محدوده دمایی، تغییر چشمگیری می ‌کند و به شدت مثبت می ‌شود. در واقع همین ویژگی تغییر ناگهانی ضریب دمایی، باعث کاربرد گسترده ترمیستورهای PTC تعویضی در مدارهای دماپا شده ‌است.

ترمیستور NTC

در ترمیستورهای با ضریب حرارتی منفی مقاومت یا NTC با افزایش دمای عملکرد مقدار مقاومت کاهش می‌ یابد. ترمیستورهای NTC رایج ‌ترین نوع سنسورهای دما هستند، تقریبا در هر نوع تجهیزی که دما نقشی در آن دارد قابل استفاده ‌اند.

رابطه مقاومت الکتریکی در برابر دما (R/T) ترمیستورهای دمای NTC منفی است. پاسخ منفی نسبتا بزرگ یک ترمیستور NTC به این معنی است که حتی یک تغییر کوچک دمایی می‌ تواند تغییرات بزرگی در مقاومت الکتریکی آن ایجاد کند. این ویژگی، ترمیستورها را به گزینه ایده ‌آلی برای اندازه‌ گیری و کنترل دقیق تبدیل کرده است.

ترمیستور یک قطعه الکترونیکی است که مقاومت آن بسیار وابسته به دما است. اگر جریان ثابتی از ترمیستور عبور کند و اختلاف ولتاژ دو سر آن را اندازه‌ گیری کنیم، می ‌توان مقاومت و دمای آن را تعیین کرد.

مقاومت ترمیستورهای NTC با افزایش دما کاهش می ‌یابد. این سنسورهای دما در مقاومت‌ های پایه و منحنی ‌های مختلفی موجود هستند. مشخصه ترمیستورها معمولاً با مقاومت پایه در دمای اتاق (۲۵ درجه سانتی‌ گراد) داده می ‌شود که یک نقطه مرجع برای آن است.

استفاده از ترمیستور برای اندازه‌گیری دما

از ترمیستورها می ‌توان برای اندازه ‌گیری دما استفاده کرد. ترمیستور یک قطعه مقاومتی است و به همین خاطر، براساس قانون اهم، اگر جریانی از آن بگذرد، باعث ایجاد افت ولتاژ خواهد شد. از آن ‌جایی که ترمیستور یک سنسور پسیو است، هر گونه تغییر در مقاومت آن در اثر تغییر دما منجر به تغییر ولتاژ می ‌شود.

ساده ‌ترین راه برای استفاده از ترمیستور، به کار بردن آن به عنوان بخشی یک مدار مقسم ولتاژ است. 

مقاله آموزشی: آشنایی با سردخانه ضد انفجار و کاربرد آن

کاربرد ترمیستور ها عبارت است از:

دماسنج دیجیتال (ترموستات)

کاربردهای خودرو (برای اندازه گیری دمای روغن و مایع خنک کننده در اتومبیل و کامیون)

لوازم خانگی (مانند مایکروویو ، یخچال و اجاق گاز)

محافظت از مدار (به عنوان مثال محافظت در برابر فشار)

باتری های قابل شارژ (اطمینان حاصل کنید که دمای مناسب باتری حفظ می شود)

برای اندازه گیری رسانایی مواد الکتریکی دارای حرارت

مفید در بسیاری از مدارهای الکترونیکی اساسی (به عنوان مثال به عنوان بخش شروع کننده‌ی مدار)

جبران دما (به عنوان مثال حفظ مقاومت برای جبران اثرات ناشی از تغییر دما در قسمت دیگری از مدار)

مقاله آموزشی: آشنایی بیشتر با طرز کار اکسپنشن ولوو

مقابله با جریان‌ های هجومی

از ترمیستورها به عنوان ترنسدیوسرهای حساس به دمای مقاومتی استفاده می ‌شود. ولی مسئله ای وجود دارد و آن این است که مقاومت یک ترمیستور نه تنها در اثر تغییر دمای محیط، بلکه با تغییر دمای ناشی از جریان گذرنده از خودش که باعث تولید گرما می ‌شود تغییر می‌ کند.

براساس قانون اهم، وقتی در اثر اعمال یک اختلاف ولتاژ، جریان از مقاومت R عبور کند، توانی به شکل گرما و طبق رابطه I2R تلف خواهد شد. به خاطر این اثر خود گرمایی، مقاومت تریستور در اثر عبور جریان تغییر می‌ کند.

تجهیزات الکتریکی سلفی یا القایی مثل موتورها، ترانسفورماتورها، بالاست لامپ و… در هنگام روشن شدن، جریان هجومی بالایی می ‌کشند. با اتصال ترمیستورهای سری می‌ توان به طور قابل توجهی این جریان ‌های اولیه بزرگ را به یک مقدار ایمن کاهش داد. ترمیستورهای NTC با مقادیر کم مقاومت سرد (در ۲۵ درجه سانتی‌گراد)، معمولاً برای تنظیم جریان مورد استفاده قرار می ‌گیرند.

محدود کننده‌ های جریان هجومی، انواعی از ترمیستورهای سری هستند که در صورت عبور جریان بار از آن‌ ها، مقاومتشان به یک مقدار بسیار کم کاهش پیدا می ‌کند. در لحظه شروع به کار، مقدار مقاومت سرد (مقاومت پایه) ترمیستورها به خوبی جریان هجومی بار را کنترل خواهد کرد.

سرعت پاسخ یک ترمیستور محدود کننده جریان با ثابت زمانی آن داده می‌ شود. ثابت زمانی، مدت زمانی است که طول می ‌کشد تا مقدار مقاومت به ۶۳ درصد (یعنی 1 به 1/e ) کل تغییرات برسد. به طور مثال، فرض کنید دمای محیط از صفر به ۱۰۰ درجه سانتی‌ گراد تغییر کند. در نتیجه، ۶۳ درصد ثابت زمانی برابر با مدتی است که طول می‌ کشد تا تریستور به یک مقدار مقاومتی در ۶۳ درجه سانتی ‌گراد برسد.

ترمیستورهای NTC در مقابل جریان‌های هجومی بالا از مدار حفاظت می ‌کنند و مقدار مقاومت آن‌ ها در مقدار بسیار کمی باقی می ‌ماند. در این مورد، مزیت این است که ترمیستورها قادرند به طور مؤثری جریان ‌های هجومی بالاتری را نسبت به مقاومت ‌های ثابت محدود کننده جریان با مصرف توان مشابه کنترل کنند.

میزان حساسیت ترمیستورهای مدرن

حساسیت ترمیستورهای امروزی چنان بالاست که تغییری به اندازه یک میلیون و نیم کلوین را می‌ توان به کمک آن ها آشکارسازی و اندازه ‌گیری کرد. این وضع عملی بودن کاربرد آن ها را در دستگاه‌ های جدید به جای پیل های ترموالکتریک برای اندازه ‌گیری شدت تابش خیلی ضعیف نشان می‌ دهد.

اول انرژی لازم برای آزاد شدن الکترون از حرکت گرمایی یعنی انرژی داخلی نیمه رسانا ها، تامین می‌ شد، اما این انرژی را جسم می ‌تواند در ضمن جذب انرژی نور به الکترون انتقال دهد. مقاومت چنین نیمه رسانا هایی بر اثر نور به مقدار زیادی کاهش می‌ یابد. این پدیده را نور رسانش، فوتو رسانش یا اثر فوتو الکتریکی ذاتی گویند.

اصطلاح ذاتی در اینجا تاکید بر این واقعیت دارد که الکترون های آزاد شده با نور، مثل انتشار الکترون از فلز درخشانی که به "اثر فوتوالکتریک غیر ذاتی" معروف است، مرزهای جسم را ترک نمی ‌کنند. این الکترون ها در جسم باقی می‌ مانند و دقیقا رسانندگی آن را تغییر می ‌دهند. دستگاه‌ هایی که بر پایه این پدیده ساخته می ‌شوند را در مقیاس صنعتی برای دستگاه‌ های اعلان و خودکار به کار می ‌برند (مثل دزدگیر و ...)

مقاله آموزشی: آشنایی با سردخانه متحرک

تفاوت های اصلی بین ترمیستور و ترموکوپل:

ترمیستور:

محدوده باریک تری از حس (55 تا + 150 درجه سانتی گراد – اگرچه این بسته به مارک متفاوت است)

پارامتر سنجش = مقاومت

رابطه غیر خطی بین پارامتر سنجش (مقاومت) و دما

ترمیستورهای NTC با افزایش دما تقریباً از نظر نمایی مقاومت می کنند.

برای احساس تغییرات کوچک در دما مناسب است (استفاده از ترمیستور دقیق و با وضوح بالا بیش از محدوده ۵۰ درجه سانتی گراد سخت است)

مدار سنجش ساده است و نیازی به تقویت ندارد و بسیار ساده است.

بهتر است بدون کالیبراسیون بیش از 1 درجه سانتی گراد باشد.

ترموکوپل:

دامنه وسیعی از دما (نوع T = -200-350oC ؛ نوع J = 95-760 درجه سانتی گراد ؛ نوع K = 95-1260 درجه سانتی گراد ؛ انواع دیگر حتی به درجه حرارت بالاتر می رسند) می تواند بسیار دقیق باشد.

پارامتر سنجش = ولتاژ تولید شده توسط اتصالات در دماهای مختلف

ولتاژ ترموکوپل نسبتاً کم است.

رابطه خطی بین پارامتر سنجش (ولتاژ) و دما