ترمیستور چیست؟ انواع ترمیستورها و کاربردها

ترمیستور، انواع، مزایا، معایب و کاربردها

دما، در عملکرد هر مدار الکترونیکی نقش حیاتی دارد. هر قطعه الکترونیکی دارای محدودیت حرارتی و محدوده دمای عملیاتی ایمن است که برای عملکرد دقیق باید رعایت شود. برای نظارت بر دما، از سنسورهای مختلفی استفاده می شود که ترمیستور یک راه حل کارآمد و مقرون به صرفه است.

ترمیستور چیست؟

واژه ترمیستور ترکیبی از دو واژه  Thermal(حرارت) و Resistor(مقاومت) است. ترمیستور، نوعی مقاومت است که مقاومت آن با تغییر دما، تغییر می کند.

ترمیستور، یک جزءغیرفعال است که برای کار کردن به منبع انرژیِ اضافی نیاز ندارد. ترمیستورها برای اندازه گیری دما ارزان و دقیق هستند، اما در شرایط خشن، مانند دمای بسیار بالا یا بسیار پایین به خوبی عمل نمی کنند.

مقدار مقاومت هر یک از مقاومت‌ها تحت تأثیر تغییر دما قرار می گیرد، اما ضریب دمایی آن به قدری پایین است که تغییرات در خواص الکتریکی آن چندان قابل توجه نیست. از طرف دیگر، ترمیستورهایی که ضرایب حرارتی بسیار بالایی دارند، مستعد تغییرات الکتریکی قابل توجه با دما هستند.

اصول کاری

ترمیستور برای اندازه گیری دما استفاده می شود.

اصول کار و عامل فیزیکی برای اندازه گیری دما، مقدار مقاومت و تغییرات مقاومت است.

ترمیستور از مواد نیمه هادی ساخته شده است که مقاومت آن تا حد زیادی به دمای محیط بستگی دارد. مقاومت آنها به طور قابل توجهی با درجه حرارت تغییر می کنند.

بسته به ماده مورد استفاده، مقاومت ممکن است با افزایش دما، افزایش یا کاهش یابد. درصورت افزایش، PTC و در صورت کاهش، NTC نامیده می شود.

این تغییر مقاومت را می توان برای محاسبه دمای دقیق محیط در یک مدار، کالیبره و اندازه گیری کرد.

برای اندازه گیری دقیق، حداکثر تماس سطحی با قطعه یا تجهیزات ضروری است. برای به حداکثر رساندن رسانایی حرارتی بین سطوح، از خمیر حرارتی مخصوص بین آنها استفاده می شود.

انواع ترمیستور

دو نوع ترمیستور وجود دارد؛

• ترمیستور PTC (ضریب دمای مثبت)
• ترمیستور  NTC (ضریب دمای منفی)

برای درک تفاوت اساسی بین ترمیستورهای PTC و NTC می‌توان از این معادله خطی برای رابطه بین تغییر دما و مقاومت استفاده کرد؛

dR = k dT

• dR = تغییر در مقاومت
• k = ضریب دما
• dT = تغییر دما

ضریب دما می تواند مثبت یا منفی باشد و خاصیت الکتریکی قطعه را کاملاً تغییر می دهد.

ترمیستورِ دارای ضریب حرارتی مثبت PTC و ترمیستورِ با ضریب حرارتی منفی NTC نامیده می شود.

ترمیستور PTC

ترمیستور PTC یا ترمیستور با ضریب دمایی مثبت، نوعی ترمیستور است که مقاومت آن با دمای اطراف نسبت مستقیم دارد.

مقاومت آن با افزایش دما افزایش می یابد و با کاهش دما کاهش می یابد.

از مواد سرامیکی پلی کریستالی ساخته شده است. مقاومت آن در یک منحنی به صورت غیر خطی افزایش می یابد.

افزایش مقاومت در دماهای پایین بسیار اندک است و زمانی که دما به بالای نقطه سوئیچینگ (T_R) می رسد، به سرعت افزایش می یابد.

نماد بالا، نشان دهنده یک ترمیستور PTC با (T⁺) است تا نشان دهد ترمیستور دارای ضریب دمایی مثبت است.

منحنی مشخصه

منحنی مشخصه ترمیستور، رابطه‌ی بین مقاومت (محور Y) و دما (محور X) را نشان می دهد.

در اینجا منحنی خصوصیات یک ترمیستور PTC آمده است.

ترمیستورها در دمای 25 درجه سانتیگراد مقدار مقاومت نامی خود را دارند. بنابراین، هر ترمیستور PTC که دارای مقاومت نامی باشد، مقاومت محیط آن 25 درجه سانتیگراد است.

انواع ترمیستور  PTC

دو نوع ترمیستور PTC وجود دارد؛

• سیلیستورها (Silistors)
• PTC نوع سوئیچینگ

سیلیستورها (Silistors)

سیلیستور یک ترمیستور PTC است که از سیلیکون ساخته شده و دارای ویژگی خطی است. مقاومت، به صورت خطی با افزایش دما، افزایش می یابد.

PTC نوع سوئیچینگ

PTC نوع سوئیچینگ یک ترمیستور غیر خطی است که از بدنه سرامیکی پلی کریستالی ساخته شده است.

دارای یک ناحیه NTC کوچک است که در آن، مقاومت با افزایش دما تا یک نقطه خاص به نام دمای بحرانی یا دمای کوری کمی کاهش می یابد.

پس از آن نقطه، با افزایش جزئی دما مقاومت به طور تصاعدی افزایش می یابد.

مزایای ترمیستور PTC

• محافظت بهتری در برابر اضافه بار ایجاد می کند.
• می تواند به طور موثر و ایمن، یک موتور الکتریکی را راه اندازی کند.
• مقاومت آن به صورت خطی با دما تغییر می کند.
• اندازه آن جمع و جور است.
• ارزان تر است.

معایب ترمیستور PTC

• در مقایسه با ترمیستورهای NTC حساسیت چندانی ندارند.
• خواندن آن، تحت تأثیر اثر خود گرمایی قرار می گیرد.
• در مقایسه با ترمیستور NTC محدوده دمایی محدودی دارد.

کاربردهای PTC

• حفاظت از جریان بیش از حد: هنگامی که جریان از حد معینی فراتر رود، گرما ایجاد می کند که می تواند به سیم کشی و همچنین قطعات آسیب برساند. مقاومت ترمیستور PTC با دمایی که می توان برای جلوگیری از افزایش جریان استفاده کرد، افزایش می یابد.
• حفاظت در برابر جریان هجومی: جریان هجومی، جریان راه اندازی است که توسط یک موتور در هنگام راه اندازی آن کشیده می شود که بسیار زیاد است و می تواند به سیم پیچ های آن آسیب برساند. یک ترمیستور PTC گرم می شود و مقاومت آن افزایش می یابد که این افزایش مقاومت مدار جریان هجومی را محدود می کند.
• راه اندازی موتور: برخی از موتورها دارای سیم پیچ کمکی راه اندازی هستند که فقط برای راه اندازی موتور استفاده می شود. در ابتدا، مقاومت PTC بسیار کم است و اجازه می دهد تا جریان از این سیم پیچ کمکی عبور کند. دما و همچنین مقاومت PTC به تدریج افزایش می یابد. هنگامی که موتور به سرعت معینی می رسد، مقاومت PTC تا حدی افزایش می یابد که جریان سیم پیچ های راه انداز را مسدود می کند.
• تاخیر زمانی: PTC می تواند پس از مدتی تاخیر از حالت مقاومت کم به حالت مقاومت بالا تغییر وضعیت دهد. زمان می تواند به تغییر دما یا ولتاژ مورد استفاده بستگی داشته باشد. می توان در مدارها برای دستیابی به یک تابع تاخیر زمانی محاسبه شده  از PTC استفاده کرد. (قطع کننده های مدار، تایمر، رله)
• کنترل دما: ترمیستور PTC می تواند یک بخاری را کنترل کند تا دمای آن از یک حد معین بیشتر نشود. هنگامی که دما از حد معینی فراتر رفت، PTC منبع تغذیه را قطع می کند و هنگامی که دما به زیر حد معینی می رسد، دوباره روشن می شود.
• فیوز الکتریکی: مقاومت می تواند با افزایش دمای داخلی ناشی از جریان عبوری، افزایش یابد. این می تواند به عنوان فیوز عمل کند و در صورت افزایش جریان بیش از حد، جریان  را قطع کند.

ترمیستور NTC

همانطور که از نام آن پیداست، ترمیستور NTC یا ضریب دمای منفی دارای ضریب k منفی است. بنابراین، مقدار مقاومت آن به طور معکوس با دما تغییر می کند. مقاومت با افزایش دما کاهش می یابد و بالعکس. شکل زیر، نماد ترمیستور NTC است.

ترمیستورهای NTC از اکسیدهای نیکل، کبالت، مس، آهن و تیتانیوم ساخته شده اند. آنها معمولاً در یک محدوده دمایی بسیار زیاد با نظارت بسیار دقیق بر دما کار می کنند.

آنها بیشتر در دستگاه های سنجش دما استفاده می شوند، برخلاف PTC که بیشتر به عنوان محدود کننده جریان استفاده می شود.

منحنی مشخصه ها

منحنی مشخصه زیر، مقایسه بین مقاومت و دمای ترمیستور NTC را نشان می دهد. مقاومت به صورت غیر خطی با تغییر دما به شکل منحنی زیر تغییر می کند.

نمودار داده شده یک تغییر شدید در مقاومت از چند اهم به مگا اهم را با تغییر دما نشان می دهد، بنابراین سنجش دمای دقیق و حساسیت بالا را ارائه می دهد.

مزایای ترمیستور  NTC

• NTC بسیار حساس تر از PTC می باشد..
• در محدوده وسیع تری از دما کار می کند.
• زمان پاسخگویی سریعتر و با دقت بالا دارد.
• آنها یک خوانش دقیق دما را ارائه می دهند.
• جمع و جور هستند و فضای کمتری را روی برد مدار می گیرند.

برخی از معایب ترمیستور NTC

• اثر خود گرمایشی(self-heating) می تواند باعث خطا در اندازه گیری دما شود.
• مقاومت به طور غیر خطی با دما تغییر می کند.

کاربردهای NTC

ترمیستور NTC عمدتاً برای اندازه گیری دما استفاده می شود. در اینجا برخی از کاربردهای ترمیستور NTC آورده شده است؛

• دماسنج دیجیتال: مقاومت NTC با یک تغییر جزئی دما به طور قابل توجهی تغییر می کند و می تواند طیف وسیعی از دماها را با دقت بالا حس کند. به همین دلیل است که ترمیستور NTC در دماسنج دیجیتال استفاده می شود.
• مانیتورینگ و کنترل دما: عملکرد قطعات الکترونیکی به ویژه قطعات نیمه هادی، تا حد زیادی به دمای محیط بستگی دارد. ترمیستورهای NTC برای نظارت و حفظ دما برای اطمینان از عملکرد بدون وقفه تجهیزات استفاده می شوند.
• اعلام حریق: در هر ساختمانی از اعلام حریق برای تشخیص اولین نشانه آتش سوزی و هشدار به پرسنل داخل ساختمان و همچنین مقامات مربوطه استفاده می شود. ترمیستورهای NTC در اعلام حریق برای تشخیص دما استفاده می شوند.
• حفاظت در برابر جریان هجومی: جریان هجومی یک جریان راه اندازی بسیار زیاد موتور است. ترمیستور NTC مقاومت اولیه بالایی دارد که جریان راه اندازی را محدود می کند و بسیار موثرتر از استفاده از یک مقاومت ثابت برای محدود کردن جریان هجومی است.

انواع ترمیستور بر اساس مواد

ترمیستور را می توان به سه نوع مختلف تقسیم کرد؛

• ترمیستور مهره ای
• ترمیستور نوع دیسکی
• ترمیستور استوانه ای
• ترمیستور سطح فلزی

ترمیستور مهره ای

همانطور که از نام آن پیداست، ترمیستورهای مهره ای به شکل مهره و از اتصال مستقیم سیم به بدنه سرامیکی ساخته شده است.

آنها ثبات بهتری را با زمان پاسخ سریع ارائه می دهند. ساختار شان به آنها اجازه می دهد تا در دماهای بسیار بالا کار کنند.

برای محافظت بیشتر از آسیب مکانیکی، آنها در شیشه محصور می شوند. آنها بسیار کوچک هستند و به همین دلیل سریعترین زمان پاسخگویی را دارند. اما قابلیت کنترل جریان پایینی دارند.

ترمیستورهای نوع دیسکی یا تراشه

بدنه چنین ترمیستوری به شکل دیسک یا تراشه و دارای سطح فلزی بزرگتری است.

با توجه به سطح بزرگتر آن، زمان پاسخ دهی کندتری دارند و قابلیت انتقال جریان بالاتری نسبت به نوع مهره ای دارند.

ترمیستور استوانه ای

بدنه این ترمیستور به شکل استوانه ای فشرده است. اندازه آنها در مقایسه با انواع دیگر بزرگتر است. آنها ستبر و قابل اعتماد هستند.

ترمیستور سطح فلزی

این ترمیستورها به جای سر سیمهای زینترینگ (مانند سایر انواع ذکر شده) دارای کنتاکت‌های سطحی فلزی هستند.

آنها دارای کنتاکت های فلزی شعاعی یا محوری هستند که برای اتصال مستقیم یا نصب سطحی بر روی بورد مدار استفاده می شود.

ترمیستورها نیز بر اساس مواد استفاده شده تقسیم بندی می شوند. آنها عملکرد، دوام و پایداری خود را بهبود می بخشند.

ترمیستورهای محصور شیشه ای

ترمیستورها در یک بدنه شیشه ای مهر و موم شده اند تا محدوده دمای عملیاتی خود را بهبود بخشند.

این یک بدنه شیشه ای آب بندی شده در برابر ورود یا خروج هوا است که پایداری آن را بهبود می بخشد و از آسیب های مکانیکی محافظت می کند. ترمیستورهای محصور شده شیشه ای می توانند در دمای بالای 150 درجه سانتیگراد کار کنند.

ترمیستور  PAN

ترمیستور PAN از نوع خاصی از اکسید فلزی ساخته شده است که به دما بسیار حساس است.

دقت بسیار بالایی با تلرانس تا 0.2 ± درجه سانتی گراد دارد. زمان پاسخگویی بسیار سریع با دقت بسیار بالایی دارد.

این یک نوع ترمیستور NTC است که در صنایع برای اندازه گیری دقیق آن استفاده می شود. محدوده عملیاتی آن 25 درجه تا 85 درجه سانتیگراد است.

ترمیستورهای قابل تعویض دقیق

آنها دقیق ترین ترمیستور هستند که بر اساس یک منحنی مشخصه های خاص تولید می شوند. آنها سریع بوده و پایداری طولانی مدت با دقت دمای بالا دارند.

آنها در محدوده 0 تا 70 درجه سانتیگراد با نوع مشابه قابل تعویض هستند و با تعویض قطعه معیوب آنها نیازی به کالیبراسیون مجدد ندارند.

مزایای ترمیستور

• زمان پاسخگویی سریع دارد.
• از دقت بالایی برخوردار است.
• آنها در طیف وسیعی از دماها عمل می کنند.(به ویژه ترمیستورهای NTC)
• در استفاده طولانی مدت بسیار پایدارتر هستند.
• می توان آن را به گونه ای طراحی کرد که در برابر هر گونه تنش مکانیکی مقاومت کنند.
• به هر شکلی قابل طراحی است.
• حساسیت بالاتری نسبت به سایر سنسورهای دما دارد.
• سایز کوچکتری دارد.
• طراحی های ستبری دارند.
• نسبت به سایر سنسورها ارزانتر است.
• می توان از آن در مکان های دور استفاده کرد.

معایب ترمیستور

• اکثر ترمیستورها دارای محدوده دمایی محدودی هستند به خصوص ترمیستورهای دقیق که دقت بالایی دارند.
• مقاومت با توجه به دما به صورت غیر خطی تغییر می کند.
• با توجه به اثر خود گرمایشی(self-heating)، ممکن است خطا در خوانش ایجاد شود.
• ظریف و شکننده هستند.

کاربردهای ترمیستور

• وظیفه اصلی ترمیستور استفاده به عنوان سنسور دما است.
• در دماسنج های دیجیتال استفاده می شوند.
• ترمیستورها برای کنترل و حفظ دمای یک اتاق برای مصارف خانگی و اداری استفاده می شوند.
• آنها در اتومبیل ها برای نظارت بر دما استفاده می شوند.
• برای محافظت در برابر جریان اضافه در مدارهای الکتریکی استفاده می شوند و به عنوان فیوز نیز عمل می کنند.
• ترمیستورهای Inrush برای راه اندازی ایمن موتور الکتریکی استفاده می شوند.
• آنها همچنین تأخیر زمانی را در مدارهای الکتریکی فراهم می کنند.

مرجع؛                              electricaltechnology.org/2021/11/thermistor.html