آشنایی با ترمیستور ها ، انواع و موارد کاربرد

ترمیستور ، نحوه ی کار ، نماد ، انواع و موارد استفاده:

اگر به دنبال سنسور دما هستید که مقرون به صرفه و از نظر دقت دقیق باشد ، اولین انتخاب شما ممکن است ترمیستور باشد. این المان یک نوع مقاومت است که مقاومت آن با تغییر دما تغییر می کند. این مقاله به نحوه ی کار ، انواع و کاربردهای ترمیستور می پردازد.

بیایید شروع کنیم!

ترمیستور (thermistor) چیست؟

ترمیستور که از کلمات THERmally controlled resISTOR گرفته شده است ، یک مقاومت کنترل شده دما است. مقاومت ارائه شده توسط این المان بستگی به دمای محیط دارد. همه مقاومتها وابستگی به دما دارند که توسط ضرایب دمایی آنها تعیین می شود. برای اکثر مقاومتهای معمولی (ثابت و متغیر) ، این ضریب دما بسیار پایین نگه داشته می شود ، به طوری که تغییر دما بر مقاومت آنها تأثیر قابل توجهی نمی گذارد. از سوی دیگر ، ضریب دمای ترمیستور به میزان قابل توجهی بالا است ، بنابراین مقاومت آنها نسبت به تغییر دما تغییر می کند.

از آنجا که در ترمیستور ، تغییرات فیزیکی (تغییر در دمای آن) تمایل به تغییر خواص الکتریکی آن (مانند مقاومت) دارد ، می توان آن را مبدل نیز نامید.

ترمیستور بیشتر از اکسیدهای فلزی حساس بر پایه نیمه رسانای متالیزه شده یا متخلخل روی دیسک یا مهره سرامیکی ساخته می شود.

بنابراین ما می توانیم ترمیستور را به صورت زیر تعریف کنیم:

“یک مبدل دو طرفه جامد حساس به حرارت ، که اجازه می دهد تا تغییر قابل توجهی در مقدار مقاومتی آن نسبت به تغییر دمای محیط ایجاد شود.”

برخی از ترمیستورهای عملی در شکل زیر نشان داده شده است:

ترمیستور ها دارای چند نوع هستند؟

همانطور که قبلاً بحث شد ، وابستگی دمایی یک مقاومت با ضریب دمای آن تعریف می شود. بر این اساس ترمیستورها بر اساس نوع ضریب دما به دو دسته طبقه بندی می شوند.
دو نوع ضریب دما وجود دارد: ضریب دمای منفی و ضریب دمای مثبت. مواد نیمه هادی سرامیکی که برای هر نوع ترمیستور استفاده می شود ، متفاوت است ، زیرا ضریب دما به مواد مورد استفاده بستگی دارد.
بیایید در مورد هر کدام به طور خلاصه بحث کنیم!

ترمیستور NTC:

تعریف – ترمیستور NTC یا ضریب دمای منفی المانی است که مقاومت آن با افزایش دما کاهش می یابد. این نوع مقاومتها معمولاً با افزایش دما ، مقدار مقاومت آنها به طور قابل توجه ، دقیق و پیش بینی شده کاهش میابد

موارد مورد استفاده در این نوع مقاومت:

برخلاف سایر مقاومتهای معمولی (ثابت یا متغیر) ، این نوع مقاومتها، از سرامیک و پلیمرهایی ساخته می شوند که از اکسیدهای فلزی تشکیل می شوند. در مورد ترمیستور NTC ، کبالت ، نیکل ، آهن و اکسیدهای مس ترجیح داده می شوند

نماد ترمیستور NTC:

نماد ترمیستور NTC به صورت زیر است:

منحنی مشخصه:

یک ترمیستور معمولی NTC دقیق ترین قرائت ها را در محدوده دمایی ۵۵- تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد نشان می دهد. با این حال ، برخی از ترمیستورهای NTC طراحی شده ، در دمای صفر مطلق (-۲۷۳٫۱۵) و برخی دیگر می توانند در بالای ۱۵۰ درجه سلسیوس استفاده شوند. شکل زیر منحنی مشخصه یک ترمیستور NTC را نشان می دهد:

از شکل می توان گفت که  ترمیستورهای ntc دارای منحنی دما و  مقاومت شیب دار هستند که نشان دهنده حساسیت خوب دما میباشد.

با این حال ، به دلیل رابطه غیر خطی بین مقاومت و دما ، از معادله تقریب خط برای طراحی سیستم عملی استفاده می شود.

ساده ترین معادله تقریب خط به صورت زیر است:

𝛥R = k𝛥T ، که در آن k ضریب دمای منفی ترمیستور است.

اتلاف گرما:

مانند هر مقاومتی ، ترمیستور نیز هر زمان که مقدار قابل توجهی جریان از آن عبور می کند ، گرما را پخش می کند. این گرما در هسته ترمیستور دفع می شود ، بنابراین می تواند دقت المان را خراب کند.

ظرفیت گرمایی:

گرمای مورد نیاز برای افزایش دما تا ۱ درجه سانتیگراد در ترمیستور NTC ، ظرفیت گرمایی آن نامیده می شود.

ترمیستور PTC:

تعریف:

PTC یا ضریب دمای مثبت ترمیستورها مقاومت هایی هستند که مقاومت آنها با افزایش دمای محیط افزایش می یابد.

انواع ترمیستورهای PTC – ترمیستورهای PTC بر اساس ساختار ، مواد مورد استفاده و فرایند تولید آنها گروه بندی می شوند. سیلیستورها (Silistors)، ترمیستورهای PTC هستند که به گروه اول (با توجه به مواد استفاده شده و ساختار) تعلق دارند. آنها از سیلیکون به عنوان نیمه هادی استفاده می کنند و دارای ویژگی خطی هستند. نوع تعویضی PTC Thermistors متعلق به دسته دوم (با توجه به فرایند تولید) است. این ترمیستور دارای منحنی مشخصه غیر خطی است. با گرم شدن ptc ترمیستور تعویضی ، ابتدا مقاومت شروع به کاهش می کند ، تا دمای بحرانی مشخص ، و پس از آن با افزایش گرما ، مقاومت به طور چشمگیری افزایش می یابد.

نماد ترمیستور PTC – شکل زیر نماد مورد استفاده برای ترمیستورهای PTC را در نمودار مدار نشان می دهد.

منحنی مشخصه – شکل زیر منحنی مشخصه یک سیلیستور PTC و PTC تعویضی را نشان می دهد.

توضیحات منحنی مشخصه:

ما می بینیم که یک PTC سیلیستور دارای ویژگی خطی است. این بدان معنی است که این ترمیستور PTC نسبت به تغییر دما حساس است. مقاومت آن به طور خطی با افزایش دما افزایش می یابد. منحنی مشخصه نوع PTC تعویضی متفاوت است. بدلیل سرامیک پلی کریستالی استفاده شده در آن دارای منحنی مشخصه غیر خطی است. از شکل می بینیم که تا دمای خاصی ، اجازه دهید آن را دمای آستانه بنامیم ، مقاومت با افزایش دما بسیار شبیه به ترمیستور NTC کاهش می یابد. با افزایش دما فراتر از دمای آستانه ، مقاومت هم با افزایش دما به طور چشمگیری افزایش می یابد.

مقاومت نامی ترمیستور – مقاومت ترمیستور PTC در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد درجه بندی می شود. این بدان معنی است که اگر یک ترمیستور PTC پیدا کنید که دارای مقدار ۲۰۰Ω است ، این بدان معناست که این مقدار مقاومت در ۲۵ درجه سانتیگراد است.

اکنون که ما در مورد انواع ترمیستورها با توجه به نوع ضریب دما بحث کرده ایم ، طبقه بندی دیگری بر اساس شکل و اندازه ترمیستورها وجود دارد.

طبقه بندی بر اساس نوع ، اندازه و شکل ترمیستورها

ترمیستور ، چه ترمیستور NTC باشد چه PTC ، بدنه ای از اکسید فلزی دارد. بدنه اکسید فلزی ترمیستور را می توان به اشکال و اندازه های مختلف فشرده کرد.

آنها را می توان به شکل مهره ، دیسک یا استوانه یا میلیه ای شکل داد.

بنابراین ، آنهایی که به صورت مهره فشرده می شوند به عنوان ترمیستور مهره ، آنهایی که روی دیسک فشرده می شوند به عنوان ترمیستور دیسک شناخته می شوند و به طور مشابه ، نوع سوم ترمیستورهای استوانه ای یا میله ای هستند. در بین این دسته بندی ها ترمیستورهای مهره ای کوچکترین اندازه را به خود اختصاص داده اند.

شکل زیر هر یک از این نوع دسته بندی ها را نشان می دهد

ترمیستور چگونه کار می کند؟

ترمیستور بر اساس یک اصل ساده کار می کند: تغییر دمای ترمیستور ، منجر به تغییر مقاومت آن می شود.

دمای آن چگونه تغییر می کند؟

دمای ترمیستور می تواند به دلیل عوامل خارجی یا عوامل داخلی تغییر کند.

مهمترین عامل داخلی جریان عبوری از ترمیستور است. با افزایش جریان عبوری ، ترمیستور شروع به گرم شدن می کند. این جریان عبوری باعث افزایش دمای ترمیستور می شود.

بسته به نوع ترمیستور (چه NTC چه PTC) ، مقاومت آن نسبت به این تغییر دما تغییر می کند.

از نظر عوامل خارجی ، دمای ترمیستور را می توان با تغییر دمای محیط تغییر داد.

رابطه مقاومت و دما را می توان با معادله زیر تقریب زد:

که

از نظر ضریب دمای مقاومت ، این معادله را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

موارد استفاده و کاربردهای ترمیستورهای NTC

در این بخش ما توضیح مختصری در مورد کاربردهای متداول هر نوع از ترمیستور به شما ارائه می دهیم. ترمیستور های NTC و PTC با توجه به نیاز در صنایع مختلف به کار برده می شود.

سنسور دما NTC : رایج ترین استفاده از ترمیستور اندازه گیری دمای محیط است. ترمیستور NTC ، حساسیت زیاد به دما برای این کاربرد ایده آل در نظر گرفته می شود. این نوع از ترمیستور ها ارزان هستند و بیشتر برای محدوده دما -۴۰oC تا +۳۰۰o استفاده می شوند
جدا از محدوده دما ، معیارهای دیگری که هنگام انتخاب ترمیستور برای کاربردهای موردنیاز در نظر گرفته می شود عبارتند از: محدوده مقاومت ، دقت ، حداقل و حداکثر دمای محیط ، زمان پاسخگویی و الزامات ابعادی (سایز ترمیستور ).
یک مدار بسیار ساده که از ترمیستور برای اندازه گیری دما استفاده می کند در زیر نشان داده شده است. این چیزی نیست جز یک پل وتستون (Wheatstone). در ابتدا ، هر ۴ مقاومت (که یکی از آنها ترمیستور است) متعادل هستند ، به این معنی که هیچ جریان از طریق آمپرمتر وجود نخواهد داشت.با تغییر دما بدیهی است که مقاومت ترمیستور را تغییر داده و از این رو جریانی در آمپرمتر جریان می یابد.

جبران دما – حتی اگر همه نیمه هادی ها دارای ضریب دما باشند ، NTC حساسیت بالایی نسبت به دما دارد. بنابراین ، NTC برای جبران پاسخ نامطلوب به تغییرات دما در مدار انتخاب شده است. شبکه جبران غالباً شامل مقاومت های سری (یا شانت) و یک مدار تقسیم ولتاژ است. ترمیستورهای نوع پیچ برای این کاربرد ترجیح داده می شوند زیرا دمای ترمیستور و اجزاء که به تغییر دما پاسخ می دهد باید مطابقت داشته باشد.

مدارت حفاظتی با استفاده از ترمیستور:

شکل زیر یک مدار حفاظت ناشی از گرما با استفاده از ترمیستور را نشان می دهد.

به عنوان سیستم اعلام حریق – از ترمیستورهای NTC می توان برای ساخت زنگ خطر ساده استفاده کرد. یک مدار ساده هشدار دهنده اتش در شکل زیر نشان داده شده است.

در این مدار ، مقاومت ترمیستور ولتاژ مقاومت را که باعث تحریک ترانزیستور می شود کنترل می کند. همانطور که ترمیستور افزایش دما را احساس می کند ، مقاومت آن کاهش می یابد و این به نوبه خود ولتاژ مقاومت را افزایش می دهد که باعث تحریک و سوئیچ ترانزیستور می شود. و در نتیجه ترانزیستور زنگ را فعال می کند ،بنابراین بدین صورت مدار اعلام حریق را از طریق زنگ یا بلندگو هشدار میدهد

اینها برخی از مدارهای پایه و ساده بودند که از ترمیستورها استفاده می کردند. این مدارها به مدارهای پیشرفته تبدیل شده اند تا در کاربردهای مختلف عملی مورد استفاده قرار گیرند. برخی از کاربردهای عملی عبارتند از:

کنترل کننده های دما در تلفن همراه ، یخچال سشوار و غیره
دستگاه اندازه گیری دما برای نظارت بر دمای گازهای خروجی ، سرسیلندر و غیره
برای کنترل درجه حرارت برای حفظ دمای اتاق در سطح مطلوب و مشخص.
به عنوان تثبیت کننده دما در دیودهای لیزری و …

کاربردهای ترمیستورهای PTC

ترمیستورهای PTC را می توان بر اساس کاربردهای خاص به طور کلی به دو دسته طبقه بندی کرد. بیایید برخی از کاربردهای آن را در این دسته ها مورد بحث قرار دهیم.

الف) ترمیستورهای قدرت PTC:

استفاده از ترمیستورهای PTC به عنوان فیوز – برای مدارهایی که نیاز به حفاظت ویژه دارند ، در این نوع کاربردها ترمیستورهای PTC به عنوان فیوز عمل می کنند. ترمیستورهای سرامیکی PTC جایگزین فیوزهای معمولی برای محافظت از بارها مانند موتورها ، ترانسفورماتورها و غیره هستند.

شکل زیر یک مدار ساده را با استفاده از ترمیستور PTC به عنوان فیوز متصل به بار به صورت سری را نشان می دهد.

این نوع ترمیستورهای PTC به عنوان سوئیچ در مدارهای راه انداز موتور ، مدارهای Degaussing و غیره استفاده می شود.
ترمیستورهای PTC به دلیل مقاومت و ویژگی دما ، انتخاب خوبی برای بخاری ها و ترموستات های کوچک هستند.

ب) سنسورهای ترمیستور PTC

سنسور ترمیستور PTC در صنایع مختلف استفاده می شود. استفاده به عنوان سنسور سطح ، آنها انتخاب خوبی برای تشخیص و کنترل سرریز نفتکش ها هستند.

نوع دیگری از سنسورها که با استفاده از ترمیستور PTC ساخته می شوند ، البته سنسور دما است. در اینجا وقتی از این PTC استفاده می شود ، فقط ناحیه شیب دار R/T آنها در نظر گرفته می شود. همچنین ، مقاومت به عنوان تابعی از دمای محیط در نظر گرفته می شود زیرا اثر واریستور حذف نشده است. این سنسورها در مکانهایی که محدودیت دما برای اهداف حفاظتی مورد نیاز است مفید هستند.

شکل زیر مدار پایه و ساده را برای حفاظت از نیمه هادی های قدرت توسط سنسور دمای محدود PTC Thermistor نشان می دهد.

بنابراین اینها برخی از کاربردهای رایج ترمیستورها بودند.

این ترمیستورها اساساً در دمای بالا استفاده نمی شوند. برای کاربردهایی که ترمیستورها باید در معرض دمای بالا قرار بگیرند ، از ترمیستورهای متفاوتی استفاده می شود. بیایید در بخش بعدی به طور مختصر در مورد آنها بحث کنیم.
نکاتی در مورد ترمیستورهای درجه حرارت بالا

ترمیستورهای دمای بالا متفاوت از ترمیستورهای معمولی ساخته می شوند ، زیرا باید دمای بالا را تا ۲۰۰ الی ۲۵۰ درجه سانتی گراد تحمل کنند. در اینجا درباره ترمیستورهای سری امگا ۵۵۰۰ بحث می کنیم. این ترمیستورهای شیشه ای دارای حداکثر درجه حرارت پیوسته ۸۰- تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد و برای عملکرد متناوب حداکثر تا ۲۵۰ درجه سانتی گراد است. این یک ترمیستور مهره ای است که پایه های آن توسط روکش طلا پوشانده شده اند

شکل زیر ترمیستور امگا ۵۵۰۰ سری را نشان می دهد.

این ترمیستورها

از نوع NTC هستند و دارای درجه مقاومت (یعنی مقاومت در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد) ۲۲۵۲Ω ، ۳۰۰۰Ω ، ۵۰۰۰Ω و ۱۰۰۰۰Ω هستند.

برخلاف ترمیستورهای دیگر ، این ترمیستورهای با درجه حرارت بالا از نظر شیمیایی کاملاً پایدار بوده و با گذشت زمان تأثیر چندانی نمی گیرند.

نتیجه

در این مقاله ، ما در مورد Thermistors و انواع آن بحث کرده ایم. اساساً ترمیستور چیزی نیست جز مقاومتی که مقاومت آن به دما بستگی دارد و از این رو نام آن “مقاومت های کنترل شده با حرارت” یا “ترمیستورها” است. به طور کلی ترمیستورها بسته به نوع تغییر مقاومت آنها با دما بر دو نوع هستند ، ترمیستورهای NTC و PTC. هر دو ویژگی R/T متفاوتی دارند و بنابراین برای کاربردهای مختلف استفاده می شود.

اجازه دهید مقایسه ای بین ترمیستورهای NTC و PTC انجام دهیم. این به بازنگری مفاهیم اساسی هر دو نوع ترمیستور کمک می کند.

برای مطالعه بیشتر:

آموزش اندازه گیری دما با ترمیستور