ترمیستور چیست؟ – به زبان ساده

ترمیستور یا مقاومت حرارتی یک قطعه حالت جامد حساس به دما است که تقریباً مشابه مقاومت کار می‌کند. از ترمیستورها می‌توان برای تولید یک ولتاژ خروجی آنالوگ در پاسخ تغییرات دمای محیط استفاده کرد و به همین دلیل، این قطعات نوعی ترنسدیوسر هستند. دلیل این نام‌گذاری آن است که تغییر گرما، سبب تغییر در مشخصات الکتریکی ترمیستورها می‌شود.

ترمیستور اساساً یک ترنسدیوسر حالت جامدِ دو سرِ حساس به دما است که از نیمه‌هادی حساس مبتنی بر اکسید فلز با سرب متالیزه و تَفجوشی شده درون یک قرص سرامیکی ساخته شده است. در نتیجه، مقدار مقاومت آن متناسب با تغییرات کوچک دما تغییر می‌کند. به عبارت دیگر، همان‌طور که از نام "THERM-ally sensitive res-ISTOR" بر می‌آید، وقتی دمای ترمیستور (Thermistor) تغییر کند، مقدار مقاومت آن نیز تغییر خواهد کرد.

در حالی که عموماً تغییر مقاومت به دلیل گرما در مقاومت‌های معمولی نامطلوب است، از این اثر می‌توان در بسیاری از مدارهای آشکارساز دما استفاده کرد. ترمیستورها که قطعات مقاومت متغیر غیرخطی هستند، معمولاً به عنوان سنسورهای دما مورد استفاده قرار می‌گیرند و کاربردهای فراوانی در اندازه‌گیری دمای مایعات و هوای محیط دارند.

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

همچنین، از آن‌جایی که ترمیستور یک قطعه حالت جامد است و از اکسید فلز بسیار حساس ساخته شده، در سطح مولکولی کار می‌کند و وقتی دمای آن زیاد شود، الکترون‌های (لایه ظرفیت) آن فعال‌تر شده و یک ضریب حرارتی منفی تولید می‌کند یا فعالیت آن‌ها کم شده و یک ضریب حرارتی مثبت ارائه می‌دهد.

ترمیستورهای مهر و موم شده، خطاهای خواندن مقاومت را، که به دلیل نفوذ رطوبت وجود دارد، حذف می‌کنند و در عین حال دمای عملکردی بالا و اندازه فشرده‌ای دارند. سه نوع رایج ترمیستورها عبارتند از: ترمیستورهای مهره‌ای، ترمیستورهای دیسکی و ترمیستورهای شیشه‌ای.

این مقاومت‌های وابسته به گرما می‌توانند به دو صورت افزایشی یا کاهشیِ مقاومت در اثر تغییر دما کار کنند. بنابراین، از نظر عملکردی دو نوع ترمیستور وجود دارد: ترمیستور با ضریب حرارتی منفی (Negative Temperature Coefficient) مقاومت یا NTC و تریستور با ضریب حرارتی مثبت (Positive Temperature Coefficient) مقاومت یا PTC.

ترمیستور NTC

در ترمیستورهای با ضریب حرارتی منفی مقاومت یا NTC با افزایش دمای عملکرد مقدار مقاومت کاهش می‌یابد. به طور کلی، ترمیستورهای NTC رایج‌ترین نوع سنسورهای دما هستند، زیرا تقریباً در هر نوع تجهیزی که دما نقشی در آن دارد قابل استفاده‌اند.

فیلم آموزش ابزار دقیق و کنترل – جامع و با نکات مهم در فرادرس

کلیک کنید

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

گفتیم که ترمیستور یک قطعه الکترونیکی است که مقاومت آن بسیار وابسته به دما است. بنابراین، اگر جریان ثابتی از ترمیستور عبور کند و اختلاف ولتاژ دو سر آن را اندازه‌گیری کنیم، می‌توان مقاومت و دمای آن را تعیین کرد.

مقاومت ترمیستورهای NTC با افزایش دما کاهش می‌یابد. این سنسورهای دما در مقاومت‌های پایه و منحنی‌های مختلفی موجود هستند. مشخصه ترمیستورها معمولاً با مقاومت پایه در دمای اتاق (۲۵ درجه سانتی‌گراد) داده می‌شود که یک نقطه مرجع برای آن است.

یک مشخصه مهم دیگر ترمیستورها مقدار B است. مقدار B یک ضریب یا ثابتِ ماده است که با ماده سرامیکی تشکیل دهنده ترمیستور تعیین می‌شود و شیب منحنی مقاومتی (R/T) را در یک محدوده دمایی خاص بین دو نقطه توصیف می‌کند. هر ماده، ضریب خاص مربوط به خود را دارد و منحنی مقاومت بر حسب دمای مواد مختلف نیز متفاوت است.

در نتیجه، مقدار B، مقاومت ترمیستور را در دما یا نقطه پایه اول (معمولاً ۲5 درجه سانتی‌گراد) که $$T_1$$ نامیده می‌شود و نیز در نقطه دمایی دوم، برای مثال 100 درجه سانتی‌گراد که $$T_2$$ نامیده می‌شود توصیف می‌کند. بنابراین، می‌توان گفت B ضریب ماده ترمیستور را در محدوده بین $$T_1$$ و $$T_2$$ تعریف می‌کند. نقطه مورد نظر $$B _{T_1/T_2}$$ یا $$B _{25/100}$$ برای ترمیستورهای NTC می‌تواند هر نقطه‌ای بین 3000 تا 5000 باشد.

بنابراین، با دانستن مقدار B یک ترمیستور خاص (که از دیتاشیت شرکت سازنده استخراج می‌شود)، می‌توان جدولی از دما بر حسب مقاومت تشکیل داد و با استفاده از معادله نرمال شده زیر یک منحنی مناسب را رسم کرد:

$$\large B _ {( T _ 1 / T _ 2 ) }= \frac { T _2 \times T _ 1 } {T_2 - T _ 1 } \times \ln \left ( \frac { R _ 1 } { R _ 2 } \right )$$

که در آن، $$T _1$$ دمای نقطه اول برحسب کلوین، $$T _ 2$$ دمای نقطه دوم برحسب کلوین، $$R _ 1$$ مقاومت ترمیستور در دمای $$T _ 1$$ برحسب اهم و $$R_2$$ مقاومت ترمیستور در دمای $$T_2$$ برحسب اهم است.

مثال

یک ترمیستور NTC را با مقدار ۱۰ کیلواهم در نظر بگیرید که مقدار B‌ آن برابر با 3455 بین محدوده دمایی ۲۵ تا 100 درجه سانتی‌گراد است. برای تبدیل مقیاس دما از درجه سانتی‌گراد به کلوین، آن را با عدد 273.15 جمع می‌کنیم.

مقدار $$R_1$$ برابر با مقاومت 10 کیلواهم پایه است. مقدار مقاومت $$R_2$$ در ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\large B _ {( 25 / 100 ) }= \frac { (100 + 273.15) \times (25 + 273.15) } {(100 + 273.15) - (25 + 273.15) } \times \ln \left ( \frac { 10000 } { R _ 2 } \right )$$

$$\large 3455 = \frac {111254.6725 } { 75 } \times \ln \left ( \frac {10000} {R _ 2 } \right )$$

$$\large 3455 = 1483.4 \times \ln \left ( \frac {10000} {R _ 2 } \right )$$

$$\large \text{e} ^ {\left [ \frac {3455} {1483.4} \right ]} = \frac { 10000} { R _ 2 }$$

$$\large R _ 2 = \frac { 10000 } { \text {e} ^ {2.33 }} = 973\, \Omega$$

خط گذرنده از دو مقدار مقاومت برحسب دما در شکل زیر رسم شده است.

توجه کنید که در این مثال ساده، فقط مقادیر مربوط به دو نقطه را به دست آوردیم، اما معمولاً مقاومت ترمیستورها به صورت نمایی نسبت به تغییرات دما تغییر می‌کند و منحنی مشخصه آن‌ها غیرخطی است. در نتیجه، هرچه نقاط دمایی بیشتری را محاسبه کنیم، منحنی دقیق‌تر خواهد بود.

نقاط دمایی جدول بالا را می‌توان در قالب شکل زیر و با منحنی دقیقی برای یک ترمیستور NTC با مقدار 10 کیلواهم رسم کرد که مقدار B آن برابر با 3455 است. شکل زیر، منحنی مشخصه ترمیستور NTC مورد نظر را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در منحنی بالا می‌بینیم، با افزایش دما، مقاومت ترمیستور کاهش می‌یابد.

استفاده از ترمیستور برای اندازه‌گیری دما

از ترمیستورها می‌توان برای اندازه‌گیری دما نیز استفاده کرد. همان‌طور که می‌دانیم، ترمیستور یک قطعه مقاومتی است و به همین دلیل، طبق قانون اهم، اگر جریانی از آن بگذرد، سبب ایجاد افت ولتاژ خواهد شد. از آن‌جایی که ترمیستور یک سنسور پسیو است، هر گونه تغییر در مقاومت آن در اثر تغییر دما منجر به تغییر ولتاژ می‌شود.

ساده‌ترین راه برای استفاده از ترمیستور، به کار بردن آن به عنوان بخشی یک مدار مقسم ولتاژ است. همان‌طور که در شکل زیر می‌بینیم، یک ولتاژ ثابت به مقاومت و ترمیستور سری با آن اعمال شده و ولتاژ خروجی ترمیستور اندازه‌گیری می‌شود.

اگر برای مثال از یک ترمیستور ۱۰ کیلواهمی با یک مقاومت سری ۱۰ کیلواهمی استفاده کنیم، آن‌گاه ولتاژ خروجی در دمای پایه ۲۵ درجه سانتی‌گراد برابر با نصف ولتاژ منبع خواهد بود. وقتی مقاومت ترمیستور به دلیل تغییر دما تغییر کند، بخشی از ولتاژ منبع که روی ترمیستور قرار دارد نیز تغییر کرده و ولتاژی را تولید خواهد کرد که متناسب با کسری از مقاومت سری کل بین ترمینال‌های خروجی است.

مدار مقسم ولتاژ مثالی از یک مبدل مقاومت به ولتاژ‌ است که در آن، مقاومت ترمیستور با دما تغییر می‌کند و در نتیجه، ولتاژ خروجی تولیدی متناسب با دما خواهد بود. بنابراین، هرچه ترمیستور گرم‌تر شود، ولتاژ کمتر می‌شود. اگر جای مقاومت سری $$R _S$$ را با ترمیستور $$R_{TH}$$ تعویض کنیم، آن‌گاه ولتاژ خروجی در جهت مخالف تغییر خواهد کرد؛ یعنی اگر ترمیستور داغ‌تر شود، ولتاژ خروجی بیشتر می‌شود.

می‌توان از ترمیستورهای NTC به عنوان بخشی از یک پیکربندی اندازه‌گیری دمای پایه با استفاده از مدار پل شکل زیر بهره برد.

رابطه بین $$R_1$$ و $$R_2$$ ولتاژ مرجع $$V_{REF}$$ را در مقدار مورد نیاز تنظیم می‌کند. برای مثال، اگر هر دو مقاومت $$R_1$$ و $$R_2$$ مقدار یکسانی داشته باشند، ولتاژ مرجع برابر با نصف ولتاژ منبع تغذیه، یعنی $$V _ S / 2$$ خواهد بود.

وقتی دما و در نتیجه مقاومت ترمیستور تغییر کند، ولتاژ نیز از مقدار $$V_{TH}$$ به مقداری بالاتر یا پایین‌تر از $$V _ {REF}$$ تغییر می‌کند و یک سیگنال خروجی مثبت یا منفی تولید خواهد کرد که به تقویت کننده متصل به آن وارد می‌شود.

برای آنکه حساسیت و تقویت کنندگی بالا باشد، مدار تقویت کننده که در این مدار پایه پلِ حسِ دما به کار می‌رود، یک تقویت کننده تفاضلی است یا برای آنکه سوئیچینگ ON/OFF انجام شود، یک مدار ساده اشمیت-تریگر (Schmitt-Trigger) خواهد بود.

مشکلی که در عبور جریان از تریستور در این شرایط وجود دارد، این است که گرمای تولیدی ناشی از هبور جریان در ترمیستور که اثر خودگرمایی نامیده می‌شود، ممکن است روی مقدار مقاومت ترمیستور تأثیر داشته و نتیج اشتباهی تولید کند.

بنابراین، ممکن است اگر جریان گذرنده از ترمیستور خیلی بالا باشد، توان اتلافی افزایش یافته و در نتیجه دما زیاد شود و مقاومت را کاهش دهد. این کم شدن مقاومت سبب عبور جریان بیشتری می‌شود و در نتیجه دما افزایش خواهد یافت که به «فرار حرارتی» یا «مهارگسیختگی گرمایی» (Thermal Runaway) معروف است. به عبارت دیگر، می‌خواهیم ترمیستور در اثر دمای خارجی داغ شود و اندازه‌گیری‌ها و نتایج بر این اساس باشد، نه براساس افزایش دمای خودش.

برای حل این مشکل، مقدار مقاومت $$R_S$$ باید به گونه‌ای انتخاب شود که یک پاسخ منطقی گسترده برای محدوده وسیعی از دماها فراهم کند که در آن‌ها ترمیستور به خوبی مورد استفاده قرار گیرد و به طور همزمان جریان را در بالاترین دما در یک مقدار ایمن محدود کند.

یک راه برای بهبود این وضعیت و داشتن یک تبدیل دقیق‌تر مقاومت در برابر دما (R/T)، راه‌اندازی ترمیستور با یک منبع جریان ثابت است. تغییر مقاومت را می‌توان با استفاده از یک جریان مستقیم کوچک و معین (اندازه‌گیری شده) و عبور آن از ترمیستور اندازه‌گیری کرد.

مقابله با جریان‌های هجومی

همان‌طور که دیدیم، از ترمیستورها به عنوان ترنسدیوسرهای حساس به دمای مقاومتی استفاده می‌شود. اما نکته‌ای 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 سبب تولید گرما می‌شود نیز تغییر می‌کند.

طبق قانون اهم، وقتی در اثر اعمال یک اختلاف ولتاژ، جریان از مقاومت R عبور کند، توانی به شکل گرما و طبق رابطه $$I ^ 2 R$$ تلف خواهد شد. به دلیل این اثر خودگرمایی، مقاومت تریستور در اثر عبور جریان تغییر می‌کند.

تجهیزات الکتریکی سلفی یا القایی مانند موتورها، ترانسفورماتورها، بالاست لامپ و... در هنگام روشن شدن، جریان هجومی بالایی می‌کشند. با اتصال ترمیستورهای سری می‌توان به طور قابل توجهی این جریان‌های 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 می‌گیرند.

نمودارهای شکل زیر، تأثیر ترمیستور را در محدود کردن جریان هجومی نشان می‌دهند.

محدودکننده‌های جریان هجومی، انواعی از ترمیستورهای سری هستند که در صورت عبور جریان بار از آن‌ها، مقاومتشان به یک مقدار بسیار کم کاهش پیدا می‌کند. 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 می‌شود. ثابت زمانی، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا مقدار مقاومت به ۶۳ درصد (یعنی $$1$$ به $$1/e$$) کل تغییرات برسد. برای مثال، فرض کنید دمای محیط از صفر به ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد تغییر کند. در نتیجه، ۶۳ درصد ثابت زمانی برابر با مدتی است که طول می‌کشد تا تریستور به یک مقدار مقاومتی در ۶۳ درجه سانتی‌گراد برسد.

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

جمع‌بندی

در این آموزش دیدیم که ترمیستور یک ترنسدیوسر مقاومتی دو سر است که مقدار مقاومت آن با تغییر دمای محیط اطراف تغییر می‌کند. نام ترمیستور (Thermistor) نیز از مفهوم عملکرد آن، یعنی مقاومت گرمایی (Thermal Resistor) گرفته شده است.

ترمیستورها سنسورهای دمای ارزان و ساده‌ای هستند که از اکسید فلز نیمه‌هادی ساخته می‌شوند و در انواع ضریب دمای منفی (NTC) و ضریب دمای مثبت (PTC) موجودند. تفاوت بین این دو نوع این است که در ترمیستورهای NTC با افزایش دما مقاومت کاهش می‌یابد و در ترمیستورهای PTC با افزایش دما مقاومت بیشتر می‌شود.

ترمیستورهای NTC (به ویژه ترمیستور NTC با مقاومت ۱۰ کیلواهمی) رایج‌تر هستند و با یک مقاومت سری $$R _ S$$ می‌توان از آن‌ها به عنوان بخشی از یک مدار تقسیم ولتاژ ساده استفاده کرد که وقتی مقاومت آن به دلیل تغییر دما تغییر می‌کند، یک ولتاژ خروجی وابسته به دما تولید خواهد کرد.

جریان کاری یک ترمیستور باید تا اندازه ممکن کم باشد تا هرگونه اثرات خودگرمایی کاهش یابد. اگر جریان گذرنده از ترمیستور بسیار زیاد باشد، گرمای بیشتری تولید خواهد کرد که سریعاً در ترمیستور تلف شده و ممکن است منجر به نتایج اشتباه شود.

تریستورها با مقاومت پایه و مقدار B مشخص می‌شوند. مقاومت پایه، برای مثال ۱۰ کیلوواهم، مقاومتی از تریسنتور است در یک دمای خاص (معمولاً ۲۵ درجه سانتی‌گراد) داده شده و به صورت $$R _ { 25 }$$ مشخص می‌شود. مقدار B یک مقدار ثابت است که شکل شیب منحنی مقاومتی را برحسب دما (R/T)‌ توصیف می‌کند.

همچنین دیدیم که از ترمیستورها می‌توان برای اندازه‌گیری یک دمای خارجی یا کنترل جریانی که سبب تولید گرما شده است استفاده کرد. با سری کردن یک ترمیستور NTC‌ با یک بار می‌توان به طور قابل توجهی جریان‌های هجومی بزرگ را محدود کرد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• اپتوکوپلر (Optocoupler) چیست؟ — به زبان ساده
• IGBT چیست؟ — به زبان ساده
• دیود زنر — به زبان ساده

^^