ترمیستور

نام ترمیستور مخفف کلمات (thermally sensitive resistor) به معنی مقاومت حساس به حرارت است، که بیانگر عملکرد خاص ترمیستور است.

امروزه ترمیستورها در قطعات مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند، از سنسورهای حرارتی تا استفاده در ساختار جبران کننده های حرارتی مدارهای الکترونیکی.

گرچه از ترمیستورها در الکترونیک به طور گسترده ای استفاده می شود ولی استفاده از آن ها به اندازه ی سایر قطعات الکترونیکی مانند مقاومت های عادی، خازن ها و ترانزیستورها فراگیر نیست.

نماد مداری ترمیستور

ترمیستورها در مدار به وسیله ی نماد مداری مخصوصشان شناخته می شوند. نماد مداری ترمیستور همان نماد مداری مقاومت استاندارد است که به صورت یک مستطیل می باشد که یک خط مورب روی آن کشیده شده و بخشی کوچکی از این خط عمودی است.

نماد مداری ترمیستور

نماد مداری ترمیستور در دیاگرام های مداری به وفور استفاده می شود.

انواع ترمیستور

چندین روش برای دسته بندی ترمیستورها به انواع مختلف وجود دارد. اولین روش بر مبنای عکس العملی است که به حرارت نشان می دهند. بعضی از آن ها با افزایش حرارت مقاومتشان نیز افزایش می یابد در حالی که بعضی دیگر دچار افت مقاومت می شوند.

می توان از یک معادله ی ساده برای توصیف رفتار و منحنی ترمیستور استفاده نمود:

ΔR = k x DeltaT

در این معادله ΔR میزان تغییر مقاومت، ΔT میزان تغییر دما و K ضریب دمایی مرتبه اول مقاومت است.

در بسیاری از موارد رابطه ی بین دما و مقاومت رابطه ای غیر خطی است، ولی تغییرات کوچک می تواند به صورت خطی در نظر گرفته شود.

در بعضی از ترمیستورها ضریب k مثبت و در بعضی دیگر منفی است.

–  ضریب دمایی منفی (ترمیستورهای NTC):در این ترمیستورها با افزایش دما میزان مقاومت کاهش می یابد، به عبارت دیگر k منفی است. در ادامه ی مقاله بیشتر در مورد NTC توضیح خواهیم داد.

–  ضریب دمایی مثبت (ترمیستورهای PTC): در این نوع ترمیستور افزایش دما موجب افزایش مقاومت می شود، یعنی k مثبت است. در مورد PTC در ادامه ی مقاله توضیح بیشتری خواهیم داد.

علاوه بر دسته بندی فوق که بر حسب طبیعت متغیر با دمای ترمیستور است، نوع دیگری از دسته بندی وجود دارد که بر مبنای مواد استفاده شده در آن می باشد. معمولا از یک تا دو ماده در ترمیستورها استفاده می شود:

– ترکیبات فلزی شامل اکسیده

– نیمه هادی های تک کریستالی

تاریخچه و توسعه ی ترمیستورها

در قرن نوزدهم افراد قادر بودند تغییرات مقاومت به وسیله ی دما را نشان دهند، این کار به طرق مختلف انجام میشد. ولی بسیاری از این روش ها مناسب نبودند زیرا به ازای تغییرات بزرگ دمایی تغییرات کوچکی در مقاومت ایجاد می شد. در ترمیستورها از مواد نیمه هادی استفاده می شود که همین مسئله باعث ایجاد تغییرات مقاومتی بیشتر در رنج دمایی معین می شود.

در بین دو دسته بندی ذکر شده از مواد مورد استفاده در ترمیستورها، ترکیبات فلزی اولین گروهی بودند که کشف شدند. ضریب دمایی منفی در سال ۱۸۳۳ توسط فارادی هنگامی که تغییرات مقاومتی سولفید نقره را بر حسب دما اندازه گیری می کرد، کشف شد. اما تا سال ۱۹۴۰ طول کشید که استفاده از اکسیدهای فلزی به صورت تجاری رایج شود.

با کارهای انجام شده روی مواد نیمه هادی بعد از جنگ جهانی دوم، ترمیستورهای کریستال ژرمانیوم مورد مطالعه قرار گرفتند و سپس ترمیستورهای سیلیکونی توسعه یافتند.

با وجود دسته بندی ترمیستورها به دو نوع ترمیستورهای اکسید فلزی و ترمیستورهای نیمه هادی، اما آن ها محدوده های دمایی مختلفی را پوشش می دهند و از این لحاظ نسبت به یکدیگر برتری ندارند.

ترکیبات و ساختار ترمیستور

ترمیستورها در ابعاد و اشکال مختلفی موجود هستند و همچنین از مواد مختلفی ساخته شده اند که به کاربرد آن ها و محدوده ی دمایی که در آن کار می کنند بستگی دارد. در رابطه با ظاهر فیزیکی شان، در کاربردهایی که لازم است با سطوح صاف در ارتباط باشند می توانند به صورت دیسک های مسطح ساخته شوند. همچنین می توانند به فرم مهره یا میله جهت استفاده در پروب های دمایی ساخته شوند. در واقع شکل ظاهری ترمیستورها به کاربردی که در آن مورد استفاده قرار می گیرند بسیار مرتبط است.

ترمیستورهای اکسید فلزی عموما در محدوده ی دمایی بین ۲۰۰ تا ۷۰۰ کلوین (حدودا -۷۰ تا ۴۵۰ سلسیوس) استفاده می شوند. این ترمیستورها از پودر نوعی ماده ساخته شده اند که در دمای بالا متراکم و سفت می شود.از پرکاربردترین موادی که به این منظور استفاده می شوند می توان به اکسید منگنز، اکسید کبالت، اکسید نیکل، اکسید مس و اکسید آهن اشاره کرد.

ترمیستورهای نیمه هادی در دماهای پائین تر استفاده می شوند. ترمیستورهای ژرمانیوم نسبت به نوع سیلیکونی کاربرد بیشتری دارند و در دماهای زیر ۱۰۰ کلوین مورد استفاده قرار می گیرند یعنی تا ۱۰۰ در جه بالاتر از صفر مطلق. از ترمیستورهای سیلیکونی می توان تا دمای ۲۵۰ کلوین استفاده نمود. بالاتر از این دما ضریب دمایی مثبت شروع می شود. 

کاربردهای ترمیستور

کاربردهای زیادی برای ترمیستورها وجود دارد، آن ها در کاربردهای زیادی دیده می شوند. آن ها با هزینه ی کمی قابل تهیه هستند و المان های موثری در مدارها هستند که استفاده از آن ها بسیار جذاب است. کاربرد اصلی ترمیستورها به این بستگی دارد که از ضریب دمایی آن ها مثبت باشد یا منفی.

۱- کاربرد ترمیستورهای با ضریب دمایی منفی

–  ترمیستورهای دمای بسیار پائین: آن ها به عنوان دماسنج های مقاومتی در اندازه گیری دماهای بسیار پائین استفاده می شوند.

– دماسنج های دیجیتال : این ترمیستورها در دماسنج های دیجیتال مدرن به وفور استفاده می شوند.

– مانیتورینگ جعبه های باتری : ترمیستورهای NTC همچنین جهت مانیتور کردن دمای جعبه های باتری در حین شارژ مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجایی که باتری های جدید از قبیل باتری های لیتیمی (Li-ion) نسبت به شارژ بیش از اندازه بسیار حساس هستند، دما می تواند نشانه ی بسیار خوبی برای بررسی وضعیت شارژ و زمان پایان سیکل شارژ آن ها باشد.

– ادوات حفاظتی جریان هجومی : ترمیستورهای NTC می توانند به عنوان قطعات حفاظتی در برابر جریان هجومی مورد استفاده قرار گیرند. آن ها در ابتدا مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می دهند که مانع از عبور جریان های بزرگ هنگام روشن شدن وسایل برقی می شود، سپس گرم شده و مقاومت آنها پائین می آید و اجازه ی عبور جریان را در طی عملکرد عادی دستگاه می دهند. این نوع از ترمیستورها از ترمیستورهایی که برای اندازه گیری استفاده می شوند، بزرگ تر هستند و مخصوصا برای این منظور طراحی شده اند.

۲- کاربرد ترمیستورهای با ضریب دمایی مثبت

– قطعات محدود کننده ی جریان : ترمیستورهای PTC می توانند به عنوان ادوات محدود کننده ی جریان در مدارهای الکترونیکی به عنوان نوعی فیوز استفاده شوند. جریان موجود در یک وسیله در شرایط عملکرد عادی باعث ایجاد گرمای بسیار کمی می شود که هیچ گونه تاثیر منفی ندارد. اما با افزایش جریان حرارت تولید شده نیز افزایش می یابد و این امکان وجود دارد که وسیله ی مورد نظر نتواند این حرارت را به محیط اطراف منتقل کند، در نتیجه مقاومت افزایش می یابد. این مسئله به نوبه ی خود باعث افزایش حرارت در اثر فیدبک مثبت می شود. هنگامی که مقاومت افزایش می یابد جریان رو به کاهش می گذارد و در نتیجه موجب حفاظت قطعه می شود.

ترمیستورها می توانند در کاربردهای مختلفی به کار روند. آن ها روشی آسان، ارزان و مطمئن جهت اندازه گیری دما ارائه می دهند. از این رو در بسیاری از کاربردهای مختلف از آلارم های آتش نشانی تا دماسنج ها می توانند استفاده شوند. آن ها هم به تنهایی و هم به عنوان بخشی از پل وتستون برای ایجاد دقت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد دیگر ترمیستورها به عنوان وسایل جبران کننده ی حرارتی است. اکثر مقاومت ها دارای ضریب دمایی مثبت هستند، یعنی مقاومتشان با افزایش دما افزایش می یابد. در کاربردهایی که پایداری برای ما اهمیت دارد، می توان از یک ترمیستور با ضریب دمایی منفی استفاده نمود تا تاثیر قطعاتی که ضریب دمایی مثبت دارند را خنثی کند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *