ترمیستورهای NTC چیستند؟
ترمیستور تعبیهشده در یک پروب استیل ضدزنگ
NTC مخفف “ضریب دمای منفی” Negative Temperature Coefficient است. ترمیستورهای NTC مقاومتهایی با ضریب دمای منفی هستند، به این معنی که با افزایش دما، مقاومت آنها کاهش مییابد. این قطعات عمدتاً به عنوان سنسورهای مقاومتی دما و دستگاههای محدودکننده جریان استفاده میشوند. ضریب حساسیت دمایی آنها حدود پنج برابر بیشتر از سنسورهای دمایی سیلیکونی سیلیستورها و حدود ده برابر بیشتر از سنسورهای دمایی مقاومتی (RTDها) است. سنسورهای NTC معمولاً در محدوده دمایی ۵۵- تا ۲۰۰+ درجه سانتیگراد استفاده میشوند.
غیرخطی بودن رابطه بین مقاومت و دما در ترمیستورهای NTC، هنگام استفاده از مدارهای آنالوگ برای اندازهگیری دقیق دما، چالش بزرگی ایجاد میکرد. با این حال، توسعه سریع مدارهای دیجیتال این مشکل را با امکان محاسبه مقادیر دقیق از طریق درونیابی جدولهای Lookup یا حل معادلاتی که منحنی معمول NTC را تقریب میزنند، حل کرد.
تعریف ترمیستور NTC
ترمیستور NTC یک مقاومت حساس به دما است که در آن مقاومت با افزایش دمای هسته مقاومت در محدوده دمایی عملیاتی، کاهشی بزرگ، دقیق و قابل پیشبینی نشان میدهد.
ویژگیهای ترمیستورهای NTC
برخلاف RTDها سنسورهای دمایی مقاومتی که از فلزات ساخته میشوند، ترمیستورهای NTC معمولاً از سرامیکها یا پلیمرها ساخته میشوند. مواد مختلف مورد استفاده در ساخت ترمیستورهای NTC منجر به پاسخهای دمایی متفاوت و همچنین ویژگیهای عملکردی متفاوت میشود.
پاسخ دمایی
اکثر ترمیستورهای NTC معمولاً برای استفاده در محدوده دمایی بین ۵۵- تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد مناسب هستند، جایی که دقیقترین قرائتها را ارائه میدهند. خانوادههای خاصی از ترمیستورهای NTC وجود دارند که میتوانند در دماهای نزدیک به صفر مطلق ۲۷۳.۱۵- درجه سانتیگراد و همچنین برای استفاده در دماهای بالای ۱۵۰ درجه سانتیگراد طراحی شدهاند.
حساسیت دمایی یک سنسور NTC به صورت “درصد تغییر بر درجه سانتیگراد” یا “درصد تغییر بر درجه کلوین” بیان میشود. بسته به مواد مورد استفاده و جزئیات فرآیند تولید، مقادیر معمول حساسیت دمایی بین ۳- تا ۶- درصد بر درجه سانتیگراد است.
مقایسه منحنی مقاومت-دمای NTC و RTD
همانطور که از شکل مشاهده میشود، ترمیستورهای NTC شیب مقاومت-دمای بسیار تندتری نسبت به RTDهای آلیاژ پلاتین دارند که به معنای حساسیت دمایی بهتر است. با این حال، RTDها دقیقترین سنسورها باقی میمانند با دقت ±۰.۵ درصد از دمای اندازهگیری شده، و در محدوده دمایی بین ۲۰۰- تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد، که محدوده بسیار وسیعتری نسبت به سنسورهای دمایی NTC است، مفید هستند.
مقایسه با سایر سنسورهای دما
در مقایسه با RTDها، ترمیستورهای NTC اندازه کوچکتر، پاسخ سریعتر، مقاومت بیشتر در برابر ضربه و ارتعاش و هزینه کمتری دارند. ترمیستورهای NTC دقت کمی نسبت به RTDها دارند. دقت ترمیستورهای NTC مشابه ترموکوپلها است. با این حال، ترموکوپلها میتوانند در دمای بسیار بالا در حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت کنند و در این کاربردها به جای ترمیستورهای NTC استفاده میشوند. با این وجود، ترمیستورهای NTC حساسیت، پایداری و دقت بیشتری نسبت به ترموکوپلها در دماهای پایینتر ارائه میدهند و با مدارهای اضافی کمتری استفاده میشوند، بنابراین هزینه کلی کمتری دارند. این هزینه به دلیل عدم نیاز به مدارهای conditioning سیگنال تقویتکنندهها، مبدلهای سطح و غیره که اغلب در مورد RTDها و همیشه در مورد ترموکوپلها مورد نیاز است، کاهش مییابد
اثر خودگرمایی
اثر خودگرمایی پدیدهای است که زمانی رخ میدهد که جریان الکتریکی از ترمیستور NTC عبور کند. از آنجایی که ترمیستور در اصل یک مقاومت الکتریکی است، هنگامی که جریان از آن عبور میکند، مقداری از انرژی الکتریکی را به صورت گرما تلف میکند. این گرما در هسته ترمیستور تولید میشود و میتواند بر دقت اندازهگیریهای دمایی تأثیر بگذارد.
میزان این اثر به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:
- مقدار جریان عبوری از ترمیستور
- نوع محیط اطراف ترمیستور (مایع، گاز، یا وجود جریان هوا یا مایع روی سنسور)
- ضریب دمایی ترمیستور
- سطح تماس ترمیستور با محیط
نکته جالب این است که مقاومت ترمیستور NTC (و در نتیجه جریان عبوری از آن) به شرایط محیطی اطراف آن وابسته است. این ویژگی اغلب در حسگرهای تشخیص حضور مایع، مانند آنهایی که در مخازن ذخیره استفاده میشوند، به کار گرفته میشود. به این صورت که تغییرات مقاومت ناشی از اثر خودگرمایی میتواند نشاندهنده وجود یا عدم وجود مایع در مخزن باشد.
ظرفیت گرمایی
ظرفیت گرمایی مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای ترمیستور به میزان ۱ درجه سانتیگراد است و معمولاً بر حسب mJ/°C بیان میشود. دانستن ظرفیت گرمایی دقیق هنگام استفاده از سنسور ترمیستور NTC به عنوان یک دستگاه محدودکننده جریان هجومی بسیار مهم است، زیرا سرعت پاسخ سنسور دما را تعریف میکند
انتخاب منحنی و محاسبات
فرآیند انتخاب ترمیستور باید به ثابت اتلاف Dissipation Constant، ثابت زمانی حرارتی
Thermal Time Constant، مقدار مقاومت، منحنی مقاومت-دما و تلرانسها توجه کنید، که از مهمترین عوامل هستند.
از آنجایی که رابطه بین مقاومت و دما منحنی R-Tبسیار غیرخطی است، در طراحی سیستمهای عملی باید از تقریبهای خاصی استفاده کرد
تقریب مرتبه اول
یک تقریب، که سادهترین برای استفاده است، تقریب مرتبه اول است که بیان میکند:
ΔR=k⋅ΔTΔR=k⋅ΔT
جایی که k ضریب دمای منفی، ΔT تفاوت دما و ΔR تغییر مقاومت ناشی از تغییر دما است. این تقریب مرتبه اول فقط برای محدوده دمایی بسیار محدود معتبر است و فقط میتواند برای دماهایی استفاده شود که k در کل محدوده دما تقریباً ثابت باشد
فرمول بتا
معادله دیگری که نتایج رضایتبخشی ارائه میدهد، دقیق تا ±۱ درجه سانتیگراد در محدوده ۰ تا ۱۰۰+ درجه سانتیگراد است. این معادله به یک ثابت مادهای β وابسته است که میتواند از طریق اندازهگیریها به دست آید. معادله به صورت زیر نوشته میشود:
R(T)=R(T0)⋅eβ(1T−1T0)R(T)=R(T0)⋅eβ(T1−T01)
جایی که R(T) مقاومت در دمای T بر حسب کلوین، و R(T0) نقطه مرجع در دمای T0 است. فرمول بتا نیاز به کالیبراسیون دو نقطهای دارد و معمولاً در کل محدوده مفید ترمیستور NTC دقیقتر از ±۵ درجه سانتیگراد نیست
معادله استینهارت-هارت
بهترین تقریب شناختهشده تا امروز، فرمول استینهارت-هارت است که در سال ۱۹۶۸ منتشر شد:
1T=A+B⋅ln(R)+C⋅(ln(R))3T1=A+B⋅ln(R)+C⋅(ln(R))3
جایی که ln R لگاریتم طبیعی مقاومت در دمای T بر حسب کلوین است، و A، B و C ضرایبی هستند که از اندازهگیریهای تجربی به دست میآیند. این ضرایب معمولاً توسط فروشندگان ترمیستور به عنوان بخشی از دیتاشیت منتشر میشوند. فرمول استینهارت-هارت معمولاً تا حدود ±۰.۱۵ درجه سانتیگراد در محدوده ۵۰- تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد دقیق است، که برای اکثر کاربردها کافی است. اگر دقت بالاتری مورد نیاز باشد، محدوده دمایی باید کاهش یابد و دقت بهتر از ±۰.۰۱ درجه سانتیگراد در محدوده ۰ تا ۱۰۰+ درجه سانتیگراد قابل دستیابی است
انتخاب تقریب مناسب
انتخاب فرمول مورد استفاده برای استخراج دما از اندازهگیری مقاومت باید بر اساس قدرت محاسباتی موجود و همچنین نیازهای واقعی تلرانس باشد. در برخی کاربردها، تقریب مرتبه اول بیش از حد کافی است، در حالی که در برخی دیگر حتی معادله استینهارت-هارت نیز نیازها را برآورده نمیکند و ترمیستور باید نقطه به نقطه کالیبره شود، با انجام تعداد زیادی اندازهگیری و ایجاد یک جدول Lookup
ساختار و ویژگیهای ترمیستورهای NTC
مواد معمولاً مورد استفاده در ساخت مقاومتهای NTC شامل پلاتین، نیکل، کبالت، آهن و اکسیدهای سیلیکون هستند که به صورت عناصر خالص یا به عنوان سرامیکها و پلیمرها استفاده میشوند. ترمیستورهای NTC بسته به فرآیند تولید مورد استفاده، به سه گروه تقسیم میشوند
ترمیستورهای مهرهای
این ترمیستورهای NTC از سیمهای سربی آلیاژ پلاتین ساخته میشوند که مستقیماً در بدنه سرامیکی سینتر شدهاند. آنها معمولاً زمان پاسخ سریعتر، پایداری بهتر و امکان کار در دمای بالاتر نسبت به ترمیستورهای دیسکی و چیپی ارائه میدهند، اما شکنندهتر هستند. معمولاً آنها را در شیشه مهر و موم میکنند تا از آسیبهای مکانیکی در طول مونتاژ محافظت شود و پایداری اندازهگیری آنها بهبود یابد. اندازههای معمول آنها بین ۰.۰۷۵ تا ۵ میلیمتر قطر دارند
ترمیستورهای دیسکی و چیپی
این ترمیستورهای NTC دارای کنتاکتهای سطحی فلزیشده هستند. آنها بزرگتر هستند و در نتیجه زمان واکنش کندتری نسبت به ترمیستورهای مهرهای دارند. با این حال، به دلیل اندازهشان، ثابت اتلاف توان مورد نیاز برای افزایش دمای آنها به میزان ۱ درجه سانتیگراد بالاتری دارند. از آنجایی که توان تلفشده توسط ترمیستور متناسب با مربع جریان است، آنها میتوانند جریانهای بالاتری را نسبت به ترمیستورهای مهرهای تحمل کنند. ترمیستورهای دیسکی با فشار دادن مخلوطی از پودرهای اکسید در یک قالب گرد و سپس سینتر کردن در دمای بالا ساخته میشوند. چیپها معمولاً با فرآیند Tape-Casting ساخته میشوند که در آن یک سوسپانسیون از مواد به صورت یک لایه ضخیم پخش شده، خشک و به شکل برش داده میشود. اندازههای معمول آنها بین ۰.۲۵ تا ۲۵ میلیمتر قطر دارند
ترمیستورهای NTC محصور در شیشه
این سنسورهای دمایی NTC در یک حباب شیشهای airtight مهر و موم شدهاند. آنها برای استفاده در دمای بالای ۱۵۰ درجه سانتیگراد یا برای نصب روی برد مدار چاپی طراحی شدهاند، جایی که استحکام ضروری است. محصور کردن ترمیستور در شیشه پایداری سنسور را بهبود میبخشد و سنسور را از محیط محافظت میکند. آنها با مهر و موم کردن ترمیستورهای مهرهای NTC در یک محفظه شیشهای ساخته میشوند. اندازههای معمول آنها بین ۰.۴ تا ۱۰ میلیمتر قطر دارند
کاربردهای معمول
ترمیستورهای NTC در طیف گستردهای از کاربردها استفاده میشوند. آنها برای اندازهگیری دما، کنترل دما و جبران دما استفاده میشوند. همچنین میتوانند برای تشخیص وجود یا عدم وجود مایع، به عنوان دستگاههای محدودکننده جریان در مدارهای منبع تغذیه، برای نظارت بر دما در کاربردهای خودرو و در بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده شوند. سنسورهای NTC را میتوان بسته به ویژگی الکتریکی مورد استفاده در یک کاربرد، به سه گروه تقسیم کرد
ویژگی مقاومت-دما
کاربردهای مبتنی بر ویژگی مقاومت-دما شامل اندازهگیری دما، کنترل و جبران دما میشود. این موارد همچنین شامل موقعیتهایی میشود که در آنها از ترمیستور NTC استفاده میشود تا دمای سنسور دما به برخی پدیدههای فیزیکی دیگر مرتبط شود. این گروه از کاربردها نیاز دارند که ترمیستور در شرایط بدون توان (zero-power) کار کند، به این معنی که جریان عبوری از آن تا حد امکان کم نگه داشته شود تا از گرم شدن پروب جلوگیری شود
ویژگی جریان-زمان
کاربردهای مبتنی بر ویژگی جریان-زمان شامل مواردی مانند ایجاد تأخیر زمانی، محدود کردن جریان هجومی (inrush current)، سرکوب جهشهای ناگهانی (surge suppression) و بسیاری دیگر است. این ویژگیها به دو پارامتر اصلی ترمیستور NTC، یعنی ظرفیت گرمایی و ثابت اتلاف (Dissipation Constant)، وابسته هستند.
در این نوع کاربردها، مدار به این اصل تکیه میکند که با عبور جریان از ترمیستور NTC، دمای آن به تدریج افزایش مییابد. این افزایش دما باعث کاهش مقاومت ترمیستور میشود. در یک نقطه خاص، این تغییر مقاومت منجر به ایجاد یک تغییر در مدار میشود که بسته به نوع کاربرد، میتواند برای ایجاد تأخیر زمانی، محدود کردن جریان، یا سرکوب جهشهای ناگهانی استفاده شود.
ویژگی ولتاژ-جریان
کاربردهای مبتنی بر ویژگی ولتاژ-جریان ترمیستور معمولاً شامل تغییرات در شرایط محیطی یا تغییرات مدار است که منجر به تغییر در نقطه کار روی یک منحنی مشخص در مدار میشود. بسته به کاربرد، این میتواند برای محدود کردن جریان، جبران دما یا اندازهگیری دما استفاده شود
نماد ترمیستور NTC
نماد زیر برای ترمیستور با ضریب دمای منفی (NTC) مطابق با استاندارد IEC استفاده میشود
