آشنایی با قطعه الکترونیکی ترمیستور(Termistor) شامل (NTC و PTC)

آشنایی با قطعه الکترونیکی ترمیستور (NTC و PTC)

در این آموزش می خواهیم به این پرسش که ترمیستور چیست؟  پاسخ دهیم. ترمیستور یک ماژول نیمه هادی است که مقدار مقاومت آن بزرگتر از مواد رسانا و کمتر از عایق ها است و برای سنجش دما به کار می رود. مواد مورد استفاده برای ساخت ترمیستور مقدار مقاومت و دمای ترمیستور را تعیین می کند. تولیدکنندگان ترمیستور ارتباط دقیقی بین دما و مقاومت آنها برقرار می کنند زیرا این ارتباط عامل بسیار مهمی برای استفاده کنندگان از ترمیستور است. از اکسیدهای فلزات برای ایجاد ترمیستورها استفاده می شود. در طول ساخت آنها، نسبت مقاومت و دما به طور دقیق تعریف می شود زیرا عامل مهمی است که عملکرد ترمیستور را تعیین می کند. در این مقاله نگاهی به کار، ساخت و سایر پارامترهای مرتبط خواهیم داشت. 

ترمیستور چیست؟

ترمیستور مقاومتی است که مقدار مقاومت آن با تغییر دما تغییر می کند.

واژه ترمیستور ترکیبی از دو کلمه اول thermal به معنی گرما و دوم Resistor به معنای مقاومت است.

در مدارهای الکتریکی، ترمیستورها برای متوقف کردن جریان هجومی از مدارها استفاده می‌شوند، زیرا آنها حسگرهایی هستند که  مقاومتشان با جریان و در نتیجه تولید گرما تغییر می کند.

دو دسته اصلی ترمیستورها وجود دارد که اولی NTC (ضریب دمایی منفی) و دومی PTC (ضریب دمایی مثبت) است.

ترمیستور ضریب دمای منفی (NTC) مقاومتی است که با افزایش دما مقدار مقاومت آن کاهش می یابد.

ترمیستورهای NTC (ضریب دمای منفی) بیشتر برای محاسبات مقاومت و محدود کردن مقدار جریان در مدارهای مختلف استفاده می‌شوند.

ضرایب دمایی مثبت (PTC) نیز ترمیستورهایی هستند که مقدار مقاومت آنها با افزایش دما افزایش می یابد.

PTC در مدارها نیز برای محافظت در برابر جریان اضافه در مدارها استفاده می شود.

این مقاومت ها از اکسیدهای فلزات مختلف با استفاده از روش های مختلف برای ایجاد آنها تشکیل می شوند.

تفاوت اصلی بین RTD (آشکارساز دمای مقاومتی) و ترمیستور این است که RTD توسط فلزات مختلف ساخته می شود در حالی که ترمیستورها توسط مواد سرامیکی تشکیل می شوند.

نماد الکترونیکی ترمیستور

عملکرد ترمیستور

مقاومت ترمیستور با تغییر دما تغییر می کند. برای محاسبه مقاومت ترمیستور می توان از اهم متر استفاده کرد.

اگر بتوانیم تغییرات دقیق مقاومت ترمیستور را با تغییر دما پیدا کنیم، به راحتی می توانیم مقدار دما را با مقدار مقاومت پیدا کنیم.

مواد مورد استفاده برای ایجاد ترمیستور تعیین می کند که چه مقدار تغییر در مقاومت رخ می دهد.

اگر نمایش گرافیکی بین مقاومت و دما رسم کنیم، منحنی غیر خطی را دریافت خواهیم کرد. این موضوع در شکل داده شده در زیر نشان داده شده است.

ساختار ترمیستور

برای تولید پودر ترمیستور، 2 یا بیشتر از دو اکسید فلز با هم ترکیب می شوند تا آرایش های خمیر مانندی ایجاد کنند.

سپس سیم های مختلف برای اتصال مدار داخل این خمیر اکسید فلزی قرار داده می شود و پس از آن، این ترکیب جامد شدن و برای خارج شدن آب از آن در کوره قرار می گیرد.

پس از خشک شدن، جامد خمیر به دست آمده از اجاق با روکش شیشه ای پوشانیده می شود تا در برابر رطوبت محافظت شود.

در بازار انواع، پیکربندی و اندازه های مختلف ترمیستورها موجود است.

ترمیستورهای سایز کوچکتر، قطری بین 0.15 تا 1.5 میلی متر دارند و شکل آنها شبیه به دانه است.

این مقاومت ها همچنین در آرایش های حلقه مانندی که در طول قالب گیری ترمیستور که قطر آن از سه میلی متر تا بیست و پنج میلی متر است، ایجاد می شوند.

مقادیر مقاومتی که در ترمیستور استفاده می شود یک کیلو اهم، دو کیلو اهم، ده کیلو اهم و غیره است.

انواع ترمیستورها

دو نوع اصلی ترمیستور وجود دارد که اولی NTC (ضریب دمای منفی) و دومی PTC (ضریب دمای مثبت) است.

ترمیستورهای NTC

این نوع ترمیستورها با فشار دادن دیسک ساخته شده توسط نیمه هادی های مختلف ساخته می شوند.

هنگامی که دمای این ترمیستورها افزایش می یابد، انرژی الکترون های ماده نیز افزایش می یابد، سپس در ساختار ترمیستور شروع به جریان می کنند.

جریان ناشی از حرکت این الکترون ها را می توان در یک فرمول مشخص توصیف کرد.

I = (n.A.v.e)

در معادله فوق، «I» جریان است.

'n' تعداد الکترون هاست.

A مساحت ترمیستور است.

'v' سرعت الکترون ها است.

'e' بار الکترونها است، مقدار آن 1.602e10-19 است.

جریان تولید شده توسط حرکت الکترون ها را می توان با آمپرمتر پیدا کرد.

ترمیستور PTC

در این ترمیستور، افزایش مقدار دما باعث افزایش مقاومت می شود و کاهش دما باعث کاهش مقاومت می شود.

به جای ترمیستورهای NTC (ضریب دمای منفی) معمولاً استفاده می شود، اما PTC برای مدارهای خاصی در حفاظت استفاده می شود. همچنین به عنوان جایگزین فیوزها عمل می کند.

محدوده دمای کارکرد این ترمیستور بین 60 سانتیگراد تا 120 درجه سانتیگراد می باشد.

در موارد خاص دمای کاری آن می تواند صفر تا دویست درجه سانتیگراد باشد.

مقایسه ترمیستور و ترموکوپل

اکنون تفاوت بین ترمیستور و ترموکوپل را با جزئیات شرح می دهیم.

ترمیستورها:

محدوده اندازه گیری دما برای ترمیستور 55 درجه سانتیگراد تا به 155 درجه سانتیگراد است.

برای اندازه گیری دما استفاده می شود.

ترمیستور دارای رفتار غیر خطی  بین مقاومت و دما دارند.

در مورد NTC (ضریب دمای منفی) افزایش دما باعث کاهش مقاومت می شود.

ترموکوپل

محدوده عملیاتی ترموکوپل از 200- تا 350+ برای رده T است، دمای دسته J 95 تا 760 درجه سانتیگراد است، دسته k دارای محدوده دمایی از 95 تا 1260 درجه  سانتیگراد است. 

دقت آن بالاتر است.

اصل کار آن این است که مقدار متفاوت را در پایانه های خود پیدا می کند و سپس با استفاده از این ولتاژها دما را پیدا می کند.

کاربردهای ترمیستور

ترمیستور برای محاسبه سیگنال های انرژی فرکانس بالاتر استفاده می شود.

رسانایی حرارتی مواد مختلف را می توان توسط ترمیستور یافت.

همچنین برای محاسبه ترکیب گازهای مختلف استفاده می شود.

فشار مایعات را می توان توسط ترمیستورها محاسبه کرد.

محاسبات ترمیستور با توجه به ذات غیر خطی آن

ترمیستورهای NTC دارای یک رابطه مقاومت الکتریکی منفی در برابر دما (R/T) هستند. پاسخ منفی نسبتاً بزرگ ترمیستور NTC به این معنی است که حتی تغییرات جزئی دما می تواند باعث تغییرات قابل توجهی در مقاومت الکتریکی آنها شود. این باعث می شود آنها برای اندازه گیری و کنترل دقیق دما ایده آل باشند.

قبلاً گفتیم که ترمیستور یک قطعه الکترونیکی است که مقاومت آن به شدت به دما وابسته است، بنابراین اگر جریان ثابتی را از ترمیستور بفرستیم و سپس افت ولتاژ را در آن اندازه گیری کنیم، بنابراین می توانیم مقاومت آن را در یک دمای خاص تعیین کنیم.

ترمیستورهای NTC با افزایش دما مقاومت خود را کاهش می دهند و در انواع مقاومت های پایه و منحنی های دما موجود هستند. ترمیستورهای NTC معمولاً با مقاومت پایه آنها در دمای اتاق یعنی 25oC مشخص می شوند، زیرا این یک نقطه مرجع مناسب را فراهم می کند. به عنوان مثال، 2kΩ در 25oC ، 10kΩ در 25oC یا 47kΩ در 25oC و غیره.

یکی دیگر از ویژگی های مهم ترمیستور مقدار بتا β آن است. مقدار β یک ثابت ماده است که توسط ماده سرامیکی که از آن ساخته شده است تعیین می شود. شیب منحنی مقاومتی (R/T) را در یک محدوده دمایی خاص بین دو نقطه دما توصیف می کند. هر ماده ترمیستور ثابت ماده متفاوتی دارد و بنابراین منحنی مقاومت در برابر دما متفاوت است.

بنابراین مقدار β مقدار مقاومت ترمیستورها را در دمای اول یا نقطه پایه (که معمولاً 25 درجه سانتیگراد است) که T1 نامیده می شود و مقدار مقاومت ترمیستورها را در یک نقطه دمایی دوم مثلاً 100 درجه سانتیگراد به نام T2 تعیین می کند.

بنابراین مقدار β ثابت ماده ترمیستور را بین محدوده T1 و T2 تعیین می کند. یعنی T1/T2 β  یا 25/100 β  با مقادیر معمولی β ترمیستور NTC  که بین 3000 تا 5000 داده می شود.

البته توجه داشته باشید که هر دو نقطه دمایی T1 و T2 در واحدهای دمایی کلوین محاسبه می‌شوند بطوریکه صفر درجه سانتیگراد به معنای 273.15 درجه کلوین است. بنابراین مقدار 25oC برابر با o + 273.15 = 298.15K و 100oC برابر است با 100o + 273.15 = 373.15K و غیره.

بنابراین با دانستن مقدار β یک ترمیستور خاص (به‌دست‌آمده از برگه اطلاعات سازنده)، می‌توان جدولی از دما در مقابل مقاومت برای ساخت یک نمودار مناسب با استفاده از معادله نرمال شده زیر تهیه کرد:

معادله ترمیستور

که:

T1 اولین نقطه دمایی برحسب کلوین است

T2 دومین نقطه دمایی برحسب کلوین است

R1 مقاومت ترمیستورها در دمای T1 بر حسب اهم است

R2 مقاومت ترمیستورها در دمای T2 بر حسب اهم است

مثال 1

یک ترمیستور NTC  10کیلو اهم دارای مقدار " β " 3455 بین محدوده دمایی 25 درجه سانتیگراد و 100 درجه سانتیگراد است. مقدار مقاومت آن را در دمای 25 درجه سانتیگراد و دوباره در دمای 100 درجه سانتیگراد محاسبه کنید.

با توجه به مفروضات داده شده: β = 3455، R1 = 10kΩ در 25oC. برای تبدیل مقیاس دما از درجه سانتیگراد، oC به درجه کلوین، ثابت ریاضی 273.15 را اضافه کنید.

مقدار R1 قبلاً به عنوان مقاومت پایه 10kΩ داده شده است، بنابراین مقدار R2 در 100oC به صورت زیر محاسبه می شود:

با دادن نمودار مشخصه دو نقطه ای زیر:

توجه داشته باشید که در این مثال ساده، تنها دو نقطه یافت شد، اما عموماً ترمیستورها با تغییرات دما، مقاومت خود را به صورت لگاریتمی-تصاعدی تغییر می‌دهند، بنابراین منحنی مشخصه آنها غیرخطی است، بنابراین هر چه نقاط دمایی بیشتری محاسبه شود، منحنی دقیق‌تر خواهد بود.

و این نقاط را می توان همانطور که نشان داده شده ترسیم کرد تا منحنی مشخصه های دقیق تری برای ترمیستور 10 کیلو اهم NTC که دارای B-value 3455 است ارائه کند.

توجه داشته باشید که (NTC) دارای ضریب دمایی منفی است، یعنی مقاومت آن با افزایش دما کاهش می یابد.

استفاده از ترمیستورها برای اندازه گیری دما

از آنجایی که ترمیستور یک نوع سنسور پسیو است، یعنی برای عملکرد خود نیاز به سیگنال تحریک دارد، هرگونه تغییر در مقاومت آن در نتیجه تغییرات دما می تواند به تغییر ولتاژ تبدیل شود.

مدار مقسم ترمیستور ntc

ساده ترین راه برای انجام این کار استفاده از ترمیستور به عنوان بخشی از مدار تقسیم کننده ولتاژ است. یک ولتاژ تغذیه ثابت در مدار سری مقاومت و ترمیستور اعمال می شود بطوریکه ولتاژ خروجی از دوسر ترمیستور اندازه گیری می شود.

به عنوان مثال اگر از ترمیستور 10 کیلو اهم با مقاومت سری 10 کیلو اهم استفاده کنیم، ولتاژ خروجی در دمای پایه 25 درجه سانتیگراد نصف ولتاژ تغذیه به صورت خواهد بود.

هنگامی که مقاومت ترمیستور به دلیل تغییر دما تغییر می کند، بخشی از ولتاژ تغذیه در ترمیستور نیز تغییر می کند و ولتاژ خروجی تولید می کند که متناسب با بخشی از مقاومت سری کل بین پایانه های خروجی است.

بنابراین مدار مقسم ولتاژ نمونه ای از یک مبدل مقاومت ساده در برابر ولتاژ است که در آن مقاومت ترمیستور توسط دما کنترل می شود و ولتاژ خروجی تولید شده متناسب با دما است. بنابراین هر چه ترمیستور گرمتر شود، ولتاژ خروجی کمتر می شود.

اگر ما موقعیت‌های مقاومت سری، RS و ترمیستور، RTH را جابجا کنیم، ولتاژ خروجی در جهت مخالف تغییر می‌کند، یعنی هر چه ترمیستور داغ‌تر شود، ولتاژ خروجی بیشتر می‌شود.

مدار پل h بر روی ترمیستور

همانطور که نشان داده شده است می توانیم از ترمیستورهای NTC به عنوان بخشی از پیکربندی پایه سنجش دما با استفاده از مدار پل استفاده کنیم. رابطه بین مقاومت های R1 و R2 ولتاژ مرجع VREF را به مقدار مورد نیاز تنظیم می کند. به عنوان مثال، اگر هر دو R1 و R2 مقدار مقاومتی یکسانی داشته باشند، ولتاژ مرجع برابر با نیمی از ولتاژ تغذیه قبلی خواهد بود. یعنی Vs/2.

با تغییر دما و در نتیجه مقدار مقاومت ترمیستور، ولتاژ در VTH نیز تغییر خواهد کرد، که بیشتر یا کمتر از ولتاژ VREF است و سیگنال خروجی مثبت یا منفی را به تقویت‌کننده متصل می‌کند.

مدار تقویت کننده مورد استفاده برای این مدار پل سنجش دمای پایه می تواند به عنوان یک تقویت کننده دیفرانسیل برای حساسیت و تقویت بالا، یا یک مدار ساده اشمیت-تریگر برای سوئیچینگ ON-OFF عمل کند.

مشکل عبور جریان از یک ترمیستور با این روش، این است که ترمیستورها چیزی را تجربه می کنند که به آن اثر خود گرمایی می گویند، یعنی تلفات توان R*I2 می تواند به اندازه ای باشد که گرمای بیشتری ایجاد کند که می تواند توسط خود ترمیستور اتلاف شود. بنابراین مقدار مقاومتی آن نتایج نادرست ایجاد می کند.

بنابراین ممکن است که اگر جریان عبوری از ترمیستور خیلی زیاد باشد، منجر به افزایش اتلاف توان شود و با افزایش دما، مقاومت آن کاهش یافته و باعث جریان بیشتر می‌شود که دما را بیشتر افزایش می‌دهد و نتیجه آن چیزی است که به نام فرار حرارتی شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، ما می خواهیم ترمیستور به دلیل اندازه گیری دمای بیرونی داغ باشد و به خودی خود گرم نشود.

مقدار مقاومت سری، RS بالا باید به گونه‌ای انتخاب شود که پاسخی وسیع و معقول را در محدوده دماهای مورد انتظاری که احتمالاً ترمیستور برای آنها استفاده می‌شود، ارائه دهد و در عین حال جریان را به یک مقدار مطمئن در بالاترین دما محدود کند.

یکی از راه‌های بهبود این امر و داشتن تبدیل دقیق‌تر مقاومت در برابر دما (R/T)، هدایت ترمیستور با منبع جریان ثابت است. تغییر مقاومت را می توان با استفاده از یک جریان مستقیم کوچک و اندازه گیری شده یا DC که از ترمیستور عبور داده می شود تا افت ولتاژ خروجی تولید شده را اندازه گیری کرد.

اندازه گیری مقاومت ترمیستور به کمک ADC میکروکنترلر

یک مدار ترمیستور معمولی را فرض کنید که یک ولتاژ (VSense) را به ورودی ADC فراهم می کند. سپس ADC این ولتاژ را به یک مقدار دیجیتال LSB (کمترین بیت مهم) که متناسب با ولتاژ ورودی است تبدیل می کند. فرض بر این است که رزولوشن متداول ADC  12 بیت باشد شکل زیر هر دو مدار تقسیم کننده ولتاژ و جریان ثابت را نشان می دهد.

می توانید از معادله 1 برای تبدیل مقدار 12 بیتی ADC LSB اندازه گیری شده به ولتاژ استفاده کنید:

که در آن وضوح ADC 4096 بیت است، بافرض ولتاژ مرجع VREF 3.3 ولت و مقدار ADC  اندازه گیری شده 2024 است

مثلا:

معادله 2 مقاومت را از VSense تقسیم کننده ولتاژ محاسبه می کند:

برای مثال

معادله 3 مقاومت را از جریان ثابت Ibias محاسبه می کند:

که در آن Ibias 200 µA (جریان استاندارد پیش‌فرض برای یک قطعه خانواده TMP61) و VSense 1.63 ولت است.

روش دیگر اندازه گیری استفاده از جدول جستجو (LUT) است.

یک جدول جستجو معمولاً از 40- درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد متغیر است، اما بر اساس محدودیت های حرارتی ترمیستور متفاوت است. دو نوع LUT وجود دارد: 1 درجه سانتیگراد و 5 درجه سانتیگراد. برای مثال به شکل زیر مراجعه کنید.

روش LUT به این صورت عمل می کند:

مرحله 1 مقدار درجه سانتیگراد LUT را در حافظه کنترلر خود ذخیره کنید.

مقدار مقاومت اندازه گیری شده را بر اساس مقدار خوانده شده ADC LSB محاسبه کنید.

نزدیکترین تطابق مقاومت را در LUT ذخیره شده پیدا کنید. دمای مربوط به مقدار مقاومت یافت شده، دمای حاصل خواهد بود.

اگر می خواهید به جای گرد کردن به نزدیکترین مقدار در LUT دقت بیشتری داشته باشید، باید یک درونیابی خطی از مرحله 1 درجه سانتیگراد LUT انجام دهید. استفاده از مرحله 5 درجه سانتیگراد LUT باعث صرفه جویی در فضای حافظه می شود زیرا جدول کوچکتر است و درون یابی دقت قابل قبولی را ارائه می دهد. با این حال، یک خطای خطی کوچک در محاسبه دما وجود خواهد داشت.

 درون یابی خطی

درون یابی محاسبه و درج یک مقدار میانی است که بین دو مقدار شناخته شده به دست آمده است.

روش درون یابی به این صورت عمل می کند:

یک مرحله LUT 1 درجه سانتیگراد یا 5 درجه سانتیگراد را در حافظه MCU خود ذخیره کنید.

مقدار مقاومت اندازه گیری شده را بر اساس مقدار خوانده شده ADC LSB محاسبه کنید.

فاصله مقاومت اندازه گیری شده از دو مقدار مقاومت در LUT را محاسبه کنید. همان نسبت مقاومت مربوطه را به مقادیر دما (که به عنوان تقریب خطی دمای واقعی بین دو نقطه نیز شناخته می شود) اعمال کنید.

معادله زیر فرمول فرآیند درونیابی خطی است:

بطوریکه X مقدار معلوم مقاومت ترمیستور است، Y مقدار مجهول دما، X1 و Y1 نزدیکترین مقادیر کمتر از مقاومت شناخته شده برای مقاومت و دمای مربوط به آن هستند، و X2 و Y2 نزدیکترین مقادیر بالاتر از مقاومت شناخته شده هستند. برای مقاومت و دمای مربوط به آن مقدار Y نزدیکترین مقدار دما بین مقادیر درجه حرارت بالا و پایین در LUT شما خواهد بود.

اگر LUT در مراحل 5 درجه سانتی گراد ارائه می شود، توجه داشته باشید که تبدیل آن به LUT 1 درجه سانتی گراد با استفاده از درون یابی خطی می تواند خطای خطی 0.5 درجه سانتی گراد داشته باشد. این یک خطای ریاضی از محاسبه بین دو مقدار در مراحل خطی است 

استفاده از معادله استاینهارت-هارت برای مقاومت مجهول ترمیستور

معادله Steinhart-Hart یک چند جمله ای مرتبه 3 با استفاده از logهای طبیعی است. این می تواند یک روش دقیق برای استخراج دما از یک مقاومت شناخته شده باشد. معادلات مورد استفاده در روش استاینهارت-هارت به سه مقدار مقاومت از LUT ترمیستور برای محاسبه برازش منحنی برآورد شده نیاز دارند:

R1 = مقاومت در کمترین دما (T1 = -40 درجه سانتیگراد).

R2 = مقاومت در دمای متوسط (T2 = 25 درجه سانتیگراد).

R3 = مقاومت در بالاترین دما (T3 = 125 درجه سانتیگراد).

می توانید از این متغیرها در فرمول های ضرایب زیر استفاده کنید و فقط یک بار باید محاسبه کنید.

شما باید هر یک از این عناصر را حل کنید تا سه ضریب مورد نیاز برای محاسبه معادله Steinhart-Hart را تعیین کنید، بطوریکه ln یک لگاریتم طبیعی است.

فرمول های پایین ضرایب مورد نیاز برای محاسبه دما را ارائه می دهند. فقط یک بار باید محاسبه کنید.

آخرین معادله آورده شده در زیر، دما را محاسبه می کند. هر بار که بخواهید دما را از روی مقاومت محاسبه شده بدانید، از این معادله استفاده خواهید کرد.

دقت داشته باشید که T را بر حسب درجه کلوین قرار دهید.