ترمیستور چیست و چه کاربردی دارد؟ 

همانطور که می دانید برای تعیین محدودیت هایی خاصی در لوازم خانگی یا محیط های صنعتی، نیاز به سنجش و اندازه گیری دما هست. برای این منظور سنسورهای مختلفی وجود دارند که از جمله رایج ترین آنها می توان به ترموکوپل ها، سنسورهای نیمه رسانا، آشکارساز های دمای مقاومتی که عموماً به عنوان RTD و ترمیستور شناخته می شوند، اشاره کرد. در ادامه قصد داریم با ترمیستور، انواع مختلف، کاربردهای آن و تفاوت ترمیستور با RTD و ترموکوپل آشنا شویم.

تاریخچه ترمیستور

مایکل فارادی دانشمند انگلیسی، اولین بار مفهوم ترمیستورها را در سال 1833 در حالی که در مورد رفتار نیمه رسانا سولفید نقره گزارش می داد، کشف کرد. او در طی تحقیقات خود متوجه شد که مقاومت سولفیدهای نقره با افزایش دما، کاهش می یابد. این کشف بعدها منجر به تولید تجاری ترمیستورها در دهه 1930 شد، زمانی که ساموئل روبن اولین ترمیستور تجاری را اختراع کرد.

ترمیستور (Thermistor) چیست؟

ترمیستور یا مقاومت حرارتی (Thermal Resistor) یک قطعه پسیو است که مقاومت آن با تغییر دما در یک سیستم تغییر می کند. بنابراین ترمیستورها به عنوان یک ابزار ارزان، دقیق و پویا برای اندازه گیری دما عمل می کنند. میزان مقاومت یک ترمیستور به موادی که برای تولید آنها استفاده می شود، بستگی دارد؛ معمولا مقاومت های حرارتی با استفاده از سرامیک یا پلیمر ساخته می شوند.

ترمیستورها برای نظارت بر دمای اطراف یک دستگاه و تغییرات دما در آن استفاده می شوند. تغییرات دما که توسط یک مقاومت حرارتی شناسایی می‌شود، بر تجهیزات تأثیر می‌گذارد و برای سنجش دما و قطع اضافه بار استفاده می‌شود. مقاومت های حرارتی را می توان در مجموعه ای از مدارها، تجهیزات و دستگاه هایی یافت که روشی کم هزینه برای اندازه گیری دما ارائه می دهند. همانطور که گفتیم، ترمیستور نوعی مقاومت است؛ آن هم از نوع مقاومت حرارتی. جهت خرید مقاومت کافی است به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کرده و انواع مقاومت حرارتی را با قیمت و کیفیت عالی در آنجا بیابید.

نماد و واحد اندازه گیری ترمیستور

مقاومت های حرارتی زمانی ایده آل هستند که به خواندن دقیق دما نیاز باشد. نماد مدار یک مقاومت حرارتی در زیر نشان داده شده است:

واحد اندازه گیری ترمیستور، همانند مقاومت در واحد اهم است.

نحوه عملکرد ترمیستور به چه صورت است؟

اصل کار یک مقاومت حرارتی به این صورت است که مقاومت آن به دمای آن بستگی دارد. می توانیم مقاومت ترمیستور را با استفاده از اهم متر اندازه گیری کنیم. اگر رابطه دقیقی بین چگونگی تأثیر تغییرات دما بر مقاومت ترمیستور بدانیم، با اندازه گیری مقاومت ترمیستور می توانیم دمای آن را بدست آوریم. میزان تغییر مقاومت به نوع ماده استفاده شده در مقاومت حرارتی بستگی دارد. رابطه بین دما و مقاومت ترمیستور، غیر خطی است. یک نمودار مقاومت حرارتی معمولی در زیر نشان داده شده است:

اگر ترمیستوری با نمودار دمای بالا داشته باشیم، می‌توانیم به سادگی مقاومت اندازه‌گیری شده توسط اهم متر را با دمای نشان داده شده در نمودار تنظیم کنیم. با رسم یک خط افقی در مقابل مقاومت در محور y و کشیدن یک خط عمودی به پایین از جایی که این خط افقی با نمودار قطع می شود، می توانیم دمای مقاومت حرارتی را بدست آوریم.

ساختار مقاومت حرارتی

برای ساختن یک مقاومت حرارتی، دو یا چند پودر نیمه رسانای ساخته شده از اکسیدهای فلزی را با یک چسب مخلوط می کنند تا یک ماده رقیق ایجاد شود. قطرات کوچکی از این ماده رقیق روی سیم های لید تشکیل می شود.

برای خشک کردن، باید آن را در یک کوره پخت قرار دهیم. در طی این فرآیند، ماده رقیق روی سیم های لید جمع می‌شود تا اتصال الکتریکی ایجاد شود. این اکسید فلزی فرآوری شده با قرار دادن یک پوشش شیشه ای روی آن مهر و موم می شود. این پوشش شیشه ای، به ترمیستورها خاصیت ضد آب می دهد و به بهبود پایداری آنها کمک می کند.

شکل ها و اندازه های مختلفی از مقاومت های حرارتی در بازار موجود است؛ مقاومت های حرارتی کوچکتر به شکل مهره هایی با قطر 0.15 میلی متر تا 1.5 میلی متر هستند. مقاومت های حرارتی همچنین ممکن است به شکل دیسک و واشر باشند که با فشار دادن مواد ترمیستور تحت فشار بالا به شکل‌های استوانه‌ای مسطح با قطر 3 میلی‌متر تا 25 میلی‌متر ساخته می شوند.

اندازه معمول یک ترمیستور 0.125 تا 1.5 میلی متر است. مقاومت های حرارتی موجود در بازار دارای مقادیر اسمی 1K، 2K، 10K، 20K، 100K و … هستند. این مقدار نشان دهنده مقدار مقاومت در دمای 25 درجه سانتی گراد است. ترمیستورها در مدل های مختلفی موجود هستند: نوع مهره ای، نوع میله ای، نوع دیسکی و … . از مزایای عمده مقاومت های حرارتی می توان به اندازه کوچک و هزینه نسبتا پایین آنها اشاره کرد.

انواع ترمیستور

ترمیستورها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند:

ترمیستور نوع NTC

در ترمیستور نوع NTC یا Negative Temperature Coefficient ، که به آن ترمیستور ضریب حرارتی منفی یا سنسور دما ntc نیز گفته می شود، با افزایش دما، مقاومت کاهش می یابد و با کاهش دما، مقاومت افزایش می یابد. بنابراین در یک ترمیستور NTC، دما و مقاومت با یکدیگر نسبت عکس دارند. این نوع مقاومت، از رایج ترین نوع مقاومت های حرارتی است. رابطه بین مقاومت و دما در یک ترمیستور NTC توسط معادله زیر کنترل می شود:

که در آن:

• مقاومت در دمای T (K) است
• مقاومت در دمای (K)  است.
• دمای مرجع است (معمولاً 25 درجه سانتیگراد)
• β یک ثابت است، که مقدار آن به ویژگی های ماده بستگی دارد. معمولا مقدار اسمی 4000 در نظر گرفته شده است.

اگر مقدار β زیاد باشد، رابطه مقاومت و دما بسیار خوب خواهد بود. مقدار بالاتر β به معنای تغییر بیشتر مقاومت برای افزایش یکسان دما است؛ از این رو شما حساسیت (و در نتیجه دقت) مقاومت حرارتی را افزایش داده اید.

ترمیستور نوع PTC

در ترمیستور نوع PTC یا Positive Temperature Coefficient، که به آن ترمیستور ضریب حرارتی مثبت یا سنسور ptc نیز گفته می شود، با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می یابد و با کاهش دما، مقاومت کاهش می یابد؛ بنابراین در یک ترمیستور PTC دما و مقاومت نسبت مستقیم دارند.

اگرچه مقاومت های حرارتی PTC به اندازه مقاومت های حرارتی NTC رایج نیستند، اما اغلب به عنوان نوعی محافظ مدار استفاده می شوند. مانند عملکرد فیوزها، ترمیستورهای PTC می توانند به عنوان دستگاه محدود کننده جریان عمل کنند. هنگامی که جریان از دستگاه عبور می کند مقدار کمی گرمایش مقاومتی ایجاد می کند. اگر جریان به اندازه‌ای زیاد باشد که گرمای بیشتری نسبت به آنچه دستگاه می‌تواند به محیط اطراف خود از دست بدهد، تولید کند، دستگاه گرم می‌شود. در ترمیستور PTC این گرم شدن باعث افزایش مقاومت آن نیز می شود.

لازم به ذکر است که ترمیستورها در هر دو نوع نصب سطحی یا پایه دار در بازار وجود دارند. مقاومت حرارتی اس ام دی یا همان مقاومت smd نوع رایج تر و مورد استفاده بیشتر مهندسان الکترونیک است چراکه نصب SMD، پایداری دمایی بسیار بهتری را برای مدارها فراهم می کند.

کاربرد ترمیستورهای NTC و PTC

برخی از کاربردهای ترمیستور NTC و PTC عبارتند از:

• جبران درجه حرارت
• اندازه گیری دما
• کنترل دما
• محدودیت جریان هجومی

مزایای ترمیستورهای NTC و PTC

ترمیستورهای NTC، قابل اعتماد و پایدار هستند و برای مقابله با شرایط محیطی و ایمنی در برابر نویز، از دیگر سنسورهای دما مجهزتر هستند. در ادامه برخی از مزایای استفاده از آنها را ذکر کرده ایم:

• اندازه جمع و جور: وجود انواع پکیج ها به مقاومت حرارتی اجازه می دهد در فضاهای کوچک یا تنگ کار کنند. در نتیجه فظای کمتری روی بردهای مدار چاپی اشغال می کنند.
• زمان پاسخگویی سریع: ابعاد کوچک آنها امکان واکنش سریع به تغییر دما را فراهم می کند، به خصوص در مواقعی که به بازخورد فوری نیاز است.
• مقرون به صرفه: نه تنها ترمیستورها نسبت به سایر سنسورهای دما ارزان تر هستند، اگر مقاومت حرارتی خریداری شده دارای منحنی RT صحیح باشد، در حین نصب یا در طول عمر آن نیازی به کالیبراسیون دیگری نیست.
• قابلیت تطابق: توانایی به دست آوردن یک مقاومت خاص در یک دمای خاص.
• مطابقت منحنی: مقاومت های حرارتی قابل تعویض با دقت 0.1 + تا 2 + سانتی گراد.

کاربردهای ترمیستور

کاربرد ترمیستورها به شرح زیر است:

• همانطور که پیش از این اشاره شد، مقاومت های حرارتی جمع و جور هستند؛ بنابراین می توان از آن به عنوان سنسور دما در دماسنج های دیجیتال یا ترموستات ها استفاده کرد.
• در صنعت خودرو برای اندازه‌گیری دمای مایع خنک‌کننده و روغن در کامیون‌ها و خودروها می توان از آنها استفاده کرد.
• از مقاومت حرارتی برای افزایش یا کاهش مقدار حرارت مورد نیاز در لوازم خانگی استفاده میکنند.
• برای محافظت از مدارها از اثر اضافه بار که حاصل افزایش مقدار مقاومت است، از ترمیستور استفاده می شود. از این رو ترمیستورها به عنوان محافظ مدار نیز عمل می کنند.
• در باتری های شارژی و مدارهای دستگاه الکترونیکی از مقاومت حرارتی استفاده می شود.
• تولید ولتاژ خروجی آنالوگ در پاسخ به تغییرات دمای محیط
• مانیتورینگ دما در سیستم های هواشناسی، لباس شویی، ظرف شویی، پرینتر 3بعدی و …

چه چیزی باعث از کار افتادن مقاومت حرارتی می شود؟

وقوع شرایط مدار باز به دلیل جدایی مکانیکی بین لید و مقاومت، سبب از کار افتادن ترمیستور می شود که منجر به حمل نادرست یا آسیب ناشی از گرما خواهد شد. این یکی از دلایل خرابی مقاومت حرارتی است. دلیل دیگر می تواند کهنه شدن ترمیستور باشد. با توجه به این دلایل، نوسانات در مقادیر دما رخ می دهد و مجموعه مقادیر نادرست دما را نمایش می دهد؛ این مشکل را می توان با جایگزینی ترمیستور برطرف کرد.

نحوه تست سنسور ترمیستور

برای تست سنسور ترمیستور می توانیم از مولتی متر آنالوگ استفاده کنیم. مراحلی که برای آزمایش مقاومت های حرارتی انجام می شود، عبارت‌اند از:

• مولتی متر آنالوگ را به سیم های مقاومت حرارتی وصل کنید؛ قطبیت اهمیتی ندارد.
• با استفاده از میله لحیم کاری آهن می توانیم ترمیستور را گرم کنیم.
• هنگامی که حرارت در مقاومت حرارتی تمایل به تغییر دارد، مقادیر در مولتی متر تقریباً افزایش یا کاهش می یابند.
• تجزیه و تحلیل گرافیکی، بر اساس نوع ترمیستور انتخابی PTC یا NTC است.
• برای مقاومت های حرارتی سالم، تغییر در نوشته ها روان و بدون اشکال است.

تفاوت ترمیستور با RTD چیست؟

سنسور دمای مقاومتی که به عنوان سنسورهای RTD شناخته می شوند، بسیار شبیه به ترمیستورها هستند. هر دوی RTD و ترمیستور بسته به دما، مقاومت متفاوتی دارند.

تفاوت اصلی این دو در نوع موادی است که از آن ساخته شده اند. مقاومت های حرارتی معمولاً با مواد سرامیکی یا پلیمری ساخته می شوند در حالی که RTD ها از فلزات خالص ساخته می شوند. از نظر عملکرد، مقاومت های حرارتی تقریباً در همه جوانب برنده هستند.

ترمیستورها دقیق تر، ارزان تر و زمان پاسخ دهی سریع تری نسبت به RTD ها دارند. تنها نقطه ضعف واقعی مقاومت حرارتی در مقابل RTD زمانی است که به محدوده دما می رسد. RTD ها می توانند دما را در محدوده وسیع تری نسبت به ترمیستور اندازه گیری کنند.

تفاوت ترمیستور با ترموکوپل چیست؟

ترمیستور، یک مقاومت حساس به حرارت است که یک تغییر پیوسته، کوچک و تدریجی در مقاومت مرتبط با تغییرات دما را نشان می دهد. ترموکوپل ها تغییرات متناسب با دما را از طریق ولتاژ متغیر ایجاد شده بین دو فلز غیر مشابه که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شده اند، منعکس می کنند. هر دو گزینه های خوبی برای سنجش و کنترل دما هستند. انتخاب بهترین گزینه به نوع و مشخصات کاربرد مورد نیاز شما بستگی دارد. به طور کلی می توان تفاوت های این دو را به صورت زیر شرح داد:

ترمیستور

• رنج محدودتری از سنجش (55 تا 150 + درجه سانتیگراد؛ اگرچه بسته به برند متفاوت است)
• پارامتر سنجش = مقاومت
• رابطه غیر خطی بین پارامتر سنجش (مقاومت) و دما
• ترمیستورهای NTC با افزایش دما، کاهش تقریباً تصاعدی در مقاومت دارند.
• برای تشخیص تغییرات جزئی دما خوب است (استفاده از مقاومت حرارتی به طور دقیق و با وضوح بالا در محدوده بیش از 50 درجه سانتیگراد دشوار است).
• مدار سنسور ساده است و نیازی به تقویت ندارد.
• معمولاً به سختی می توان بدون کالیبراسیون، دقت را بهتر از 1 درجه سانتی­گراد کرد.

ترموکوپل

• دارای طیف گسترده ای از سنجش دما (نوع= T 200-350- درجه سانتیگراد؛ نوع J =95-760 درجه سانتیگراد؛ نوع K = 95-1260 درجه سانتیگراد؛ انواع دیگر به دماهای حتی بالاتر هم میروند)
• می تواند بسیار دقیق باشد.
• پارامتر سنجش = ولتاژ تولید شده توسط اتصالات در دماهای مختلف
• ولتاژ ترموکوپل نسبتاً کم است.
• یک رابطه خطی بین پارامتر سنجش (ولتاژ) و دما وجود دارد.

مزایا و معایب ترمیستور

برخی از مزایای ترمیستورها عبارت‌اند از:

• اندازه کوچک و جمع و جور
• حساسیت و دقت بالا نسبت به سایر سنسورها
• استفاده راحت و آسان
• دارای عملکرد سریع
• قابل تنظیم
• دارای قیمتی مناسب

برخی از معایب ترمیستورها به شرح زیر می باشند:

• غیر خطی هستند؛ به خصوص در دمای بالا
• شکننده است.
• رنج دمای کاری محدودی دارد.
• در خطوط توان به محافظ نیاز دارند.

ترمیستورها با تغییرات دما، مقدار مقاومت را تغییر می دهند و برای شرایطی مناسب هستند که در آن یک دمای خاص باید حفظ شود، چرا که به تغییرات کوچک دما حساس هستند. ترمیستور ها می توانند مایع، گاز یا جامد را بسته به نوع ترمیستور اندازه گیری کنند.

مقاومت های حرارتی بهترین راه برای اندازه گیری و کنترل دمای یک کولر ترمو الکتریک، به عنوان بخشی از یک سیستم کنترل دما به دلیل قابلیت تنظیم در چند مرحله هستند. هر چه مقاومت حرارتی به دستگاهی که باید نظارت شود، نزدیکتر باشد، نتیجه بهتری حاصل خواهد شد. از آنجایی که ترمیستورها نوعی مقاومت متغیر هستند، شما می توانید جهت خرید مقاومت متغیر به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کرده و انواع مقاومت متغیر از جمله مقاومت حرارتی را با قیمتی مناسب یافته و خریداری کنید.