ترمیستور چیست؟

یکی از روش های اندازه گیری دما استفاده از سنسور های مقاومتی وابسته به دما است. این سنسور ها از نظر جنس مقاومت به دو گروه RTD و Thermistor تقسیم می شوند. تفاوت این دو گروه در جنس مقاومت آن ها است. مقاومت های ساخته شده از مواد نیمه هادی ترمیستور نامیده می شوند. thermistor مخفف عبارت temperature sensitive resistors یا مقاومت وابسته به دما است. RTD ها مقاومت فلزی حساس به دما هستند که در مقاله ی قبلی بررسی شدند. به منظور آشنایی با این سنسور ها لطفا مقاله ی سنسور RTD چیست را مطالعه فرمایید. در تصویر زیر سمبل های مختلف یک ترمیستور  آورده شده است.

ترمیستور ها سنسور های نسبتا ارزان و مقاومی هستند. از طرفی پاسخ آن ها به تغییرات دما قابل پیش بینی است. در نظر داشته باشید که ترمیستور ها در دمای بیش از حد بالا یا پایین به درستی عمل نمی کنند. از این سنسور ها در اندازه گیری بسیار دقیق استفاده می شود. اصطلاح thermistor ترکیبی از دو حرف Thermal و Resistor است. به عبارت دیگر ترمیستور با ترکیب عبارت های حرارتی و مقاومت ساخته شده است.

انواع ترمیستورها

به صورت کلی ترمیستورها به دو دسته ی زیر تقسیم می شوند:
1. ترمیستورهای ضریب دمایی منفی (NTC (Negative Temperature Coefficient: در NTC با افزایش دما مقاومت ترمیستور کاهش می یابد.
2. ترمیستورهای ضریب دمایی مثبت (PTC (Positive Temperature Coefficient: در PTC با افزایش دما مقاومت آن افزایش می یابد.
به صورت کلی استفاده از ترمیستور های با ضریب دمایی منفی یا NTC رایج تر است. در اندازه گیری دمای سیم پیچ موتور می توان از ترمیستور های PTC استفاده کرد. به منظور آشنایی بیشتر با حفاظت حرارتی سیم پیچ موتور می توانید مقاله ی رله ترمیستور را مطالعه کنید. در تصویر زیر نمونه ایی از منحنی تغییرات مقاومت در ترمیستور های NTC و PTC را مشاهده می کنید.

چند نکته در مورد ترمیستور NTC

ترمیستور NTC سنسور دما با ضریب دمایی منفی است. در این سنسور با افزایش دما میزان مقاومت کاهش می یابد. به صورت کلی افزایش دما در این نوع سنسور مقاومتی موجب کاهش زیاد، دقیق و قابل پیش بینی مقاومت می شود. یک ترمیستور NTC معمولا در دمای -55 تا 200 درجه سلسیوس مقدار دما را با دقت بالایی اندازه می گیرد. قابل ذکر است که برخی از ترمیستور های NTC با طراحی خاص در دمای صفر مطلق و برخی دیگر در دماهای بالاتر نیز استفاده می شوند. تصویر زیر منحنی مشخصه ی یک ترمیستور NTC را نشان می دهد.

همانطور که از شیب منحنی بالا مشخص است، تغییرات کوچک در دما منجر به تغییرات زیادی در مقاومت ترمیستور NTC می شود. این امر نشان دهنده ی حساسیت بالای سنسور است. یکی از معایب این سنسور غیر خطی بودن و اتلاف گرما در آن می باشد. مانند هر مقاومت دیگری، عبور جریان در ترمیستور باعث تولید گرما می شود. این خاصیت می تواند روی دقت دستگاه تاثیر گذار باشد.
به مقدار حرارت مورد نیاز برای افزایش یک درجه سانتی گراد دما در ترمیستور، ظرفیت گرمایی آن گفته می شود. این پارامتر تعیین کننده ی سرعت پاسخ ترمیستور NTC است. هر دو نوع ترمیستور NTC و PTC در زمینه های متفاوتی کاربرد دارند. برخی از پارامتر های سنسور NTC که در دیتاشیت شرکت های سازنده ی آن مشاهده می شوند عبارت اند از:

• مقاومت یا Resistance: به صورت کلی ترمیستور ها در مقاومت های پایه و منحنی های متفاوتی وجود دارند. مشخصه ی این سنسور ها معمولا با مقاومت پایه در دمای 25 درجه ارائه می شود. به عبارت دیگر این پارامتر مقدار مقاومت سنسور در دمای تعیین شده توسط سازنده ی آن را نشان می دهد. از آن جایی که دمای اتاق یا 25 درجه سانتی گرادیک نقطه ی مرجع مناسب است، ترمیستور های NTC معمولا با مقاومت پایه در این دما مشخص می شوند. به عنوان مثال 10KΩ در دمای 25oC.
• تلرانس یا Tolerance: این پارامتر مشخص می کند که مقاومت ترمیستور چقدر می تواند از مقدار تعیین شده فاصله داشته باشد. مقدار تلرانس معمولا بر حسب درصد بیان می شود. به عنوان مثال فرض کنید مقدار مقاومت مشخص شده در 25 درجه سانتی گراد برای یک ترمیستور برابر با 10000 اهم با تلرانس 10% باشد. به این ترتیب مقاومت اندازه گیری شده در دمای 25 درجه برای این ترمیستور می تواند از 9000 تا 11000 اهم باشد.
• ثابت B یا Beta: یکی دیگر از ویژگی های مهم ترمیستور مقدار “B” آن است. این پارامتر رابطه ی مقاومت و دما را در یک محدوده دمایی مشخص نشان می دهد. به عبارت دیگر ضریب بتا مشخص کننده ی شیب منحنی مقاومتی یا R/T در یک محدوده ی دمایی خاص است. به عنوان مثال عبارت “338025/50” مشخص کننده ی ثابت بتای 3380 در محدوده دمایی 25 تا 50 درجه سانتی گراد است. هر ماده ی ترمیستور دارای ثابت مواد یا B متفاوت و در نتیجه منحنی مقاومت در برابر دما ی متفاوتی می باشد. به منظور اطلاع از مقدار B یک سنسور باید به دیتاشیت شرکت سازنده ی آن مراجعه کرد.
• تلرانس ثابت بتا یا Tolerance on Beta constants: میزان تلرانس ثابت بتا بر حسب درصد است.
• محدوده ی دما ی کاری یا Operating Temperature Range: مشخص کننده ی حداقل و حد اکثر دمای کاری ترمیستور است.
• ثابت زمان حرارتی یا Thermal time constant: به میزان زمان لازم هنگام تغییر دما جهت رسیدن به 63 درصد اختلاف بین دمای قدیمی و دمای جدید Thermal time constant گفته می شود.
• ثابت انتشار گرمایی یا Thermal Dissipation Constant: ترمیستور ها نیز مانند RTD ها خاصیت خودگرمایی یا Self_heating دارند. به عبارت دیگر هنگام عبور جریان خود ترمیستور نیز گرم می شود. پارامتر ثابت انتشار گرمایی مقدار مقدار Power لازم برای افزایش دمای ترمیستور تا 1 درجه سانتی گراد را مشخص می کند. واحد Thermal Dissipation Constant بر حسب میلی وات بر درجه سانتی گراد یا mW/°C است.
• حداکثر توان مجاز یا Maximum Allowable Power: این پارامتر مشخص کننده ی حداکثر اتلاف توان بوده و بر حسب وات است.
• جدول دمای مقاومت یا Resistance Temperature Table: این جدول مقادیر مقاومت و دمای مرتبط به آن ها را در محدوده ی عملکرد دمایی ترمیستور ها نشان می دهد. به صورت کلی ترمیستور ها در رنج دمایی نسبتا محدودی عمل می کنند. این رنج دمایی بسته به نوع ساختار و روکش آن ها از منفی 50 تا 300 درجه سانتی گراد است. در تصویر زیر یک سنسور ACCPBT-NTC را مشاهده می کنید.

چند نکته در زمینه ی سنسور PTC

سنسور PTC یک ترمیستور با ضریب دمایی مثبت است. مقاومت این ترمیستور ها با افزایش دما، زیاد می شود. ترمیستور های PTC بر اساس ساختار، مواد مورد استفاده و فرآیند تولید آن ها گروه بندی می شوند. به عنوان مثال Silistor ها از سیلیکون به عنوان ماده ی نیمه هادی استفاده کرده و خطی هستند. در مقابل، ترمیتسور های سوئیچینک PTC دارای مشخصه ی غیر خطی هستند. با گرم شدن این ترمیستور ها ابتدا مقاومت آن ها کاهش پیدا کرده و پس از رسیدن به دمای بحرانی، با افزایش دما مقاومت آن ها به صورت چشم گیری افزایش می یابد. در تصویر زیر نماد ترمیستور PTC طبق استاندارد IEC نمایش داده شده است.

در تصویر زیر منحنی مشخصه ی یک Silistor به همراه یک ترمیستور PTC نوع سوئیچینگ یا switching type PTC Thermistor را مشاهده می کنید:

طبق تصویر بالا یک silistor PTC  دارای مشخصه ی خطی می باشد. منحنی دوم مربوط به ترمیستور سوئیچیگ بوده و به دلیل سرامیک پلی کریستالی دارای رفتاری غیر خطی است. در این ترمیستور مقاومت سنسور با افزایش دما کاهش می یابد. کاهش مقاومت ترمیستور سوئیچیگ تا رسیدن دما به نقطه ی آستانه ادامه داشته و با افزایش دما پس از آن به صورت چشم گیری افزایش می یابد.

برخی از اصطلاحات موجود در ترمیستور های PTC عبارت اند از:
• مقاومت حداقل یا Rmin: برابر با حداقل مقاومتی است که می توان روی ترمیستور PTC نوع سوئیچ اندازه گیری کرد. در منحنی R/T مقاومت نقطه ایی که پس از آن ضریب حرارتی دما مثبت می شود، برابر با مقدار Rmin است. به منظور درک بهتر این تعریف به تصویر قبل توجه کنید.
• مقاومت نامی یا R25: مقاومت نامی PTC معمولا به عنوان مقاومت در دمای 25 درجه سانتی گراد تعریف می شود. این امر به طبقه بندی ترمیستور ها با توجه به مقدار مقاومت آن ها کمک می کند. این مورد نیز در تصویر قبل مشخص شده است.
• TC یاTransition temperature : طبق تصویر قبل می توان دید که ترمیستور های سیوئیچینگ PTC تا رسیدن به نقطه ی مقاومت Rmin دارای درجه حرارت منفی کوچکی هستند. با افزایش دما و عبور از دمای 25 درجه، ضریب حرارتی اندکی مثبت می شود. به عبارت دیگر با افزایش دما از 25 درجه و رسیدن به دمای گذار خود یا دمای TC ضریب حرارتی مثبت و کوچکی را تجربه می کنند. در برخی موارد از دمای TC به عنوان دمای سوئیچ یا دمای Curie یاد می شود. دمای سوئیچ دمایی است که در آن مقاومت ترمیستور های نوع سوئیچینگ به سرعت شروع به افزایش می کنند. در بیشتر مواقع منظور از دمای Curie همان دمایی است که مقاومت سنسور در آن دما دو برابر مقدار مقاومت Rmin می باشد.
• ثابت اتلاف یا Dissipation constant: این پارامتر نشان دهنده ی رابطه ی بین Power اعمال شده و افزایش دمای ناشی از خود گرمایی یا self-heating است. برخی از عوامل موثر روی ثابت اتلاف شامل مواد سازنده ی سیم ها ی اتصال، نحوه ی نصب ترمیستور، دمای محیط و غیره هستند. به صورت کلی ثابت اتلاف، تاثیر عمده ایی روی خواص خود گرمایی ترمیستور دارد.
• حد اکثر جریان نامی یا Maximum rated current: جریان نامی مشخص کننده ی حد اکثر جریانی است که می تواند در شرایط محیطی مشخصی به طور مداوم از طریق سنسور ترمیستور PTC عبور کند. مقدار این جریان به ثابت اتلاف و منحنی R/T بستگی دارد.
• حد اکثر ولتاژ نامی یا Maximum rated voltage: نشان دهنده ی بالاترین ولتاژی است که در شرایط محیطی خاصی می توان به صورت مداوم روی ترمیستور اعمال کرد. مقدار این پارامتر نیز به ثابت اتلاف و منحنی R/T بستگی دارد.
مقاومت نامی ترمیستور PTC معمولا در دمای 25 درجه سانتی گراد درجه بندی می شود. به عنوان مثال یک ترمیستور با رتبه ی 200Ω دارای مقاومت 200 اهم در دمای 25 درجه سانتی گراد است.

گروه بندی ترمیستور ها بر اساس شکل و اندازه ی آن ها

ترمیستور های NTC و PTC دارای بدنه ایی از اکسید فلزی یا metallic oxide هستند. این سنسور ها یک تجهیز نیمه هادی بوده و در اشکال متفاوتی ساخته می شوند. رایج ترین ترمیستور ها مدل های دیسکی یا Disc، مهره ای یا Bead و میله ای یا Rod هستند. ترمیستور های مهره ایی اندازه ی نسبتا کوچک تری دارند. اندازه ی ترمیستور از یک میلی متر برای مدل های مهره ای تا چندین سانتی متر برای مدل دیسکی متغیر است. در تصویر زیر نمونه ای از انواع ترمیستورها را مشاهده می کنید.

تصویر زیر نمونه ایی از ترمیستور های دیسکی را نشان می دهد.

ترمیستور های NTC از نوع Glass Bead در تصویر زیر آورده شده اند.