دماپا: نگهبان هوشمند مدار بر اساس دما
دماپا چیست و چرا به آن نیاز داریم؟
تصور کنید یک محافظ برای مدارهای الکتریکی هستید. کار شما این است که دائماً دمای آنها را چک کنید. اگر دما از حد مجاز بالاتر رفت، سریع برق را قطع کنید تا وسیله نسوزد یا آتش نگیرد. اگر دما به حد مناسبی رسید، دوباره برق را وصل کنید تا دستگاه به کارش ادامه دهد. دقیقاً این شغل، وظیفهای است که یک دماپا انجام میدهد. به بیان فنی، دماپا یک کلید الکتریکی است که وضعیتش (باز یا بسته) با تغییر دمای محیط یا قطعۀ متصل به آن تغییر میکند.
نیاز به این وسیله از آنجا احساس شد که بسیاری از وسایل برقی حین کار گرما تولید میکنند. اگر این گرما کنترل نشود، ممکن است به خود وسیله آسیب بزند یا حتی باعث حادثه شود. دماپا مانند یک فرمانده هوشمند، بدون نیاز به دخالت انسان، این کنترل دما را انجام میدهد.
نگاهی به درون: دماپا از چه چیزهایی ساخته شده است؟
برای درک عملکرد دماپا، باید با اجزای اصلی آن آشنا شویم. دو نوع رایج دماپا، ترموستات دو فلزی2 و ترمیستور3 هستند که ساختار متفاوتی دارند.
| نوع دماپا | ساختار اصلی | اصل کار (به زبان ساده) | یک مثال آشنا |
|---|---|---|---|
| ترموستات دو فلزی (مکانیکی) | یک نوار یا دیسک که از دو فلز مختلف (مثل آهن و مس) به هم چسبیده تشکیل شده است. | دو فلز با گرم شدن به یک اندازه منبسط نمیشوند. این تفاوت انبساط باعث خم شدن نوار و حرکت یک کنتاکت (اتصال) میشود و مدار را باز یا بسته میکند. | ترموستات اتوی قدیمی، محافظ حرارتی سماور برقی. |
| ترمیستور (الکترونیکی) | یک قطعه الکترونیکی کوچک (مقاومت) که جنس آن از مواد نیمهرسانا مثل اکسید فلزات است. | مقاومت الکتریکی این قطعه با دما تغییر میکند. این تغییر مقاومت توسط یک مدار کنترل شناسایی شده و به فرمان قطع/وصل تبدیل میشود. | حسگر دمای موتور خودرو، مدار کنترل دمای شارژر موبایل. |
حساب و کتاب دما: رابطه دما و مقاومت در ترمیستور
برای دانشآموزان دوره متوسطه که با مبانی الکتریسیته آشنا هستند، عملکرد ترمیستور را میتوان کمی کمیتر بررسی کرد. ترمیستورها دو نوع اصلی دارند: ضریب دمای مثبت4 و ضریب دمای منفی5.
در نوع NTC (که رایجتر است) با افزایش دما، مقاومت الکتریکی کاهش مییابد. این رابطه را میتوان به صورت سادهشده زیر نشان داد:
در این فرمول:
$R_T$ مقاومت در دمای مطلق T (کلوین)،
$R_0$ مقاومت در دمای مرجع $T_0$،
$\beta$ یک ثابت خاص ماده ترمیستور است.
نکته کلیدی: با افزایش T (دما)، مقدار $\frac{1}{T}$ کاهش مییابد و در نتیجه مقدار توان منفی شده و $R_T$ کوچکتر میشود.
مدار الکتریکی (مانند یک پل وتستون6 یا یک مقایسهگر ولتاژ ساده) این تغییر مقاومت را به ولتاژ تبدیل میکند. وقتی این ولتاژ از یک حد آستانه گذر کند، به یک رله7 یا ترانزیستور فرمان میدهد تا کلید اصلی مدار قدرت را قطع یا وصل کند.
از خانه تا صنعت: دماپا در زندگی ما کجاست؟
حالا که با اساس کار آشنا شدیم، بیایید ببینیم این قطعه کوچک در کدام وسایل اطرافمان پنهان شده است:
- وسایل خانگی:
- اتو: وقتی دمای کفی اتو از حد تنظیم شده بالاتر رود، دماپای داخل آن (از نوع دو فلزی) جریان المنت حرارتی را قطع میکند. وقتی دما افت کرد، دوباره آن را وصل میکند. این چرخه باعث میشود اتو همیشه در دمای تقریباً ثابتی کار کند.
- سماور و چایساز برقی: پس از به جوش آمدن آب، دماپا برق را قطع میکند تا آب نجوشد و تمام شود.
- توستر و سشوار: از overheating (گرمای بیش از حد) جلوگیری میکنند.
- ایمنی و حفاظت:
- محافظ حرارتی موتور الکتریکی: در موتور پمپ آب، کولر یا یخچال، اگر به دلیل مشکلی موتور بیش از حد داغ کند، دماپا قبل از ذوب شدن سیمپیچها، برق را قطع میکند.
- قطعکنندههای مدار (بریکر) حساس به دما: در تابلو برق برخی ساختمانها استفاده میشوند.
- سیستمهای پیچیده:
- خودرو: سنسور دمای coolant8 (مایع خنککننده) موتور یک ترمیستور است که اطلاعات را به کامپیوتر خودرو میفرستد تا میزان مصرف سوخت و زمان روشن شدن فن رادیاتور را تنظیم کند.
- رایانهها: روی پردازنده مرکزی (CPU) و کارت گرافیک، حسگرهای دما قرار دارند. اگر دمای این قطعات از حد مجاز بگذرد، نرمافزار سیستم سرعت آنها را کم میکند (تنظیم فرکانس) یا حتی سیستم را خاموش میکند تا آسیب نبیند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. هر دو با دما کار میکنند ولی کارکرد متفاوت دارند. ترموکوپل یک سنسور و مولد ولتاژ است: دو فلز متفاوت در نقطه اتصال با گرم شدن، یک ولتاژ بسیار کوچک تولید میکنند که صرفاً برای اندازهگیری دما استفاده میشود. اما دماپا (ترموستات) یک کلید است: خروجی آن یک عمل مکانیکی (باز/بسته کردن کنتاکت) یا یک سیگنال کنترلی مستقیم برای قطع و وصل جریان بزرگتر است.
پاسخ: دو حالت محتمل است: ۱) اصلاً قطع نمیکند و مدام گرم میشود که منجر به overheating، سوختن المنت، ذوب شدن پلاستیکهای اطراف و خطر آتشسوزی میشود. ۲) برعکس، اصلاً وصل نمیکند یا زودتر از موعد قطع میکند که در این صورت وسیله هرگز به دمای کارکرد مورد نظر نمیرسد (اتو سرد میماند). در هر دو صورت، وسیله باید تعمیر شود.
پاسخ: در مورد ترموستاتهای مکانیکی (مثل اتوهای قدیمی)، معمولاً یک پیچ یا صفحهای برای تنظیم دمای مورد نظر وجود دارد که با چرخاندن آن، فاصله بین کنتاکتها یا میزان حساسیت نوار دو فلزی را تغییر میدهیم. در سیستمهای الکترونیکی، این تنظیم از طریق تغییر مقادیر مقاومتها در مدار کنترل انجام میشود. هشدار: این کار فقط باید توسط افراد متخصص انجام شود زیرا تنظیم اشتباه میتواند خطرناک باشد.
دماپا یک قطعه کلیدی در جهان الکترونیک و برق است که نقش محافظت و کنترل خودکار را بر عهده دارد. ما از انواع ساده مکانیکی آن در وسایل روزمره مانند اتو و سماور استفاده میکنیم و انواع الکترونیکی پیشرفتهتر آن در خودروها، رایانهها و سیستمهای صنعتی، از قطعات حساس در برابر گرمای بیش از حد محافظت میکنند. درک عملکرد این وسیله نه تنها جالب است، بلکه اهمیت رعایت ایمنی در کار با وسایل برقی را نیز به ما یادآوری میکند.
پاورقی
1 دماپا: معادل فارسی پیشنهادی برای Thermostat (ترموستات) و Thermistor (ترمیستور) به عنوان کلیدهای وابسته به دما.
2 ترموستات دو فلزی: Bimetallic Thermostat. کلیدی که عملکرد آن بر اساس تفاوت ضریب انبساط دو فلز چسبیده به هم است.
3 ترمیستور: Thermistor (مخفف Thermal Resistor). یک مقاومت حساس به دما.
4 ضریب دمای مثبت: Positive Temperature Coefficient (PTC). نوعی از ترمیستور که با افزایش دما، مقاومت آن افزایش مییابد.
5 ضریب دمای منفی: Negative Temperature Coefficient (NTC). نوعی از ترمیستور که با افزایش دما، مقاومت آن کاهش مییابد.
6 پل وتستون: Wheatstone Bridge. مداری برای اندازهگیری دقیق تغییرات مقاومت.
7 رله: Relay. یک کلید الکترومغناطیسی که با یک سیگنال کوچک میتواند یک مدار پرتوان را قطع یا وصل کند.
8 coolant: مایع خنککننده.
9 ترموکوپل: Thermocouple. وسیلهای متشکل از دو سیم غیرهمجنس که در صورت ایجاد اختلاف دما بین دو سرشان، ولتاژ تولید میکنند.
