ترمیستور: مقاومت حساس به دما و کاربردهای آن در دنیای امروز
ترمیستور چیست و چگونه ساخته میشود؟
ترمیستور1 قطعهای الکترونیکی از جنس مواد نیمههادی است که مقاومت الکتریکی آن با تغییر دما، تغییرات زیادی از خود نشان میدهد. این قطعه برخلاف مقاومتهای معمولی که تغییرات مقاومت آنها در برابر دما ناچیز و معمولاً ناخواسته است، به طور ویژه برای بهرهگیری از همین ویژگی طراحی و ساخته میشود .
فرآیند ساخت ترمیستورها جالب توجه است. برای ساخت این قطعه، پودرهای اکسید فلزاتی مانند منگنز، نیکل، کبالت یا مس را با یک مادهٔ چسبزا مخلوط کرده و به شکل یک دوغاب درمیآورند. سپس مقدار بسیار کمی از این دوغاب روی دو سیم فلزی (سرب) قرار داده شده و در کورهای با دمای بسیار بالا پخته میشود. در این فرآیند، مواد به هم میچسبند و یک اتصال الکتریکی پایدار ایجاد میکنند. برای محافظت در برابر رطوبت و عوامل محیطی، اغلب روی این قطعه را با یک لایه شیشهای یا رزین اپوکسی میپوشانند . ترمیستورها در اندازههای بسیار کوچک از 0.15 میلیمتر تا چند سانتیمتر به شکلهای مهرهای، دیسکی و میلهای ساخته میشوند.
دو خانواده اصلی: NTC و PTC
تمام ترمیستورها یکسان عمل نمیکنند. بر اساس نوع واکنش به دما، آنها به دو دستهٔ کلی تقسیم میشوند:
- نوع NTCترمیستور با ضریب دمایی منفی2: در این ترمیستورها، با افزایش دما، مقاومت الکتریکی کاهش مییابد. این رابطه عکس، محبوبترین و رایجترین نوع ترمیستورها را ساخته است. مواد نیمههادی به کار رفته در آنها با گرم شدن، الکترونهای آزاد بیشتری در اختیار میگذارند و جریان را راحتتر عبور میدهند .
- نوع PTCترمیستور با ضریب دمایی مثبت3: این ترمیستورها رفتاری کاملاً برعکس دارند. با افزایش دما، مقاومت آنها نیز افزایش مییابد. در برخی از انواع PTC، پس از عبور از یک دمای آستانه (که به آن دمای کوری میگویند)، مقاومت به طور ناگهانی و بسیار شدید افزایش پیدا میکند و عملاً جریان را قطع میکند. این ویژگی آنها را به محافظی عالی برای مدارها تبدیل کرده است .
برای درک بهتر تفاوت این دو، به مثال عینی زیر توجه کنید: فرض کنید یک ترمیستور NTC و یک PTC در دمای معمولی اتاق، مقاومتی برابر دارند. اگر هر دو را حرارت دهیم، مقاومت NTC پیوسته کم میشود (مثلاً از 1000 به 100 اهم)، در حالی که مقاومت PTC ابتدا کمی افزایش و سپس به طور ناگهانی به چندین هزار اهم میرسد.
| ویژگی | ترمیستور NTC | ترمیستور PTC |
|---|---|---|
| رابطه مقاومت و دما | معکوس (دما ↑، مقاومت ↓) | مستقیم (دما ↑، مقاومت ↑) |
| ماده سازنده اصلی | اکسیدهای فلزی (منگنز، نیکل، کبالت) | سرامیک (باریم تیتانات) یا پلیمرهای رسانا |
| کاربرد اصلی | اندازهگیری دقیق دما (سنسور دما) | حفاظت از مدار (فیوز خودبازیاب) |
| شکل منحنی مشخصه | کاهنده نمایی | افزاینده نمایی (با یک جهش ناگهانی) |
معادله ریاضی حاکم بر ترمیستورها (فرمول بتا)
اگرچه ترمیستورها قطعاتی غیرخطی هستند و رابطه مقاومت و دما در آنها یک خط صاف نیست، اما میتوان با استفاده از فرمولهای ریاضی این رابطه را مدلسازی کرد. پرکاربردترین روش برای ترمیستورهای NTC، استفاده از معادله بتا(β)4 است. این معادله به ما اجازه میدهد با دانستن مقاومت در یک دمای مشخص (معمولاً 25 درجه سانتیگراد) و مقدار بتا که در دیتاشیت قطعه داده میشود، مقاومت آن را در هر دمای دیگری محاسبه کنیم .
برای محاسبه بتا بین دو دما:
مثال عملی محاسبه
فرض کنید یک ترمیستور NTC داریم که مقدار مقاومت آن در دمای 25 درجه سانتیگراد برابر 10,000 اهم (10K) است و مقدار بتای آن در بازه دمایی 25 تا 100 درجه، 3455 است. میخواهیم مقاومت آن را در دمای 100 درجه سانتیگراد به دست آوریم .
- گام اول: تبدیل دما به کلوین
T1 = 25°C + 273.15 = 298.15 K
T2 = 100°C + 273.15 = 373.15 K - گام دوم: قرار دادن مقادیر در فرمول
$ R_2 = 10000 \times \exp\left(3455 \times (\frac{1}{373.15} - \frac{1}{298.15}) \right) $ - گام سوم: محاسبه
$ \frac{1}{373.15} - \frac{1}{298.15} \approx 0.00268 - 0.003354 = -0.000674 $
$ 3455 \times -0.000674 \approx -2.329 $
$ R_2 = 10000 \times e^{-2.329} \approx 10000 \times 0.0973 \approx 973 \, \Omega $
همانطور که مشاهده میکنید، مقاومت از 10,000 اهم در دمای اتاق به 973 اهم در دمای جوش آب رسیده است که کاهش قابل توجهی را نشان میدهد .
| دما (درجه سانتیگراد) | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| مقاومت (اهم) | 18476 | 12185 | 10000 | 8260 | 5740 | 4080 | 2960 | 2188 | 1645 | 1257 | 973 |
کاربردهای عملی ترمیستور در زندگی روزمره
شاید بدون آنکه بدانید، روزانه بارها با ترمیستورها سروکار دارید. این قطعات کوچک نقش مهمی در عملکرد صحیح بسیاری از وسایل الکترونیکی ایفا میکنند .
- در یخچال و فریزر: یک ترمیستور NTC دمای داخل را اندازهگیری میکند و با ارسال سیگنال به برد الکترونیکی، کمپرسور را برای سرد کردن بیشتر یا توقف آن کنترل مینماید.
- در گوشیهای هوشمند: ترمیستورهایی در کنار باتری و پردازنده اصلی گوشی تعبیه شدهاند تا دمای آنها را پایش کنند. اگر دمای گوشی هنگام شارژ یا کار با برنامههای سنگین بیش از حد بالا رود، گوشی به طور خودکار عملکرد خود را محدود کرده یا شارژ را قطع میکند تا از آسیب جلوگیری شود .
- در خودروها: از ترمیستورها برای اندازهگیری دمای مایع خنککننده موتور و دمای هوای ورودی به موتور استفاده میشود. این اطلاعات برای کامپیوتر خودرو (ECU) حیاتی است تا بهترین زمان پاشش سوخت و زمان جرقه شمعها را محاسبه کند .
- در پکیجهای گرمایشی: ترمیستورهای NTC دمای آب در حال گردش را اندازه میگیرند تا دمای آب خروجی ثابت بماند و از جوش آمدن آب جلوگیری شود .
- به عنوان فیوز خودبازیاب: در مدارهای الکترونیکی حساس، از ترمیستورهای PTC به جای فیوز استفاده میشود. اگر جریان از حد مجاز بیشتر شود، ترمیستور داغ شده و مقاومتش آنقدر زیاد میشود که عملاً جریان را قطع میکند. پس از رفع مشکل و خنک شدن قطعه، دوباره به حالت اول بازمیگردد و مدار دوباره وصل میشود .
چالشهای مفهومی در درک ترمیستور
❓ چرا منحنی مشخصه ترمیستور غیرخطی است و نمیتوان با یک رابطه ساده و مستقیم، دما را از روی مقاومت آن محاسبه کرد؟
غیرخطی بودن ذات ترمیستور به خواص فیزیکی مواد نیمههادی سازنده آن برمیگردد. برخلاف فلزات خالص مانند پلاتین در سنسورهای RTD5 که افزایش دما باعث افزایش تقریباً خطی مقاومت میشود، در نیمههادیها با افزایش دما، تعداد حاملهای بار (الکترونها و حفرهها) به صورت نمایی افزایش مییابد. این افزایش نمایی حاملها، کاهش نمایی مقاومت را به دنبال دارد. به همین دلیل، برای دقت بالا نمیتوان از یک خط راست استفاده کرد و باید از معادلات پیچیدهتری مانند معادله استینهارت-هارت یا جداول از پیش محاسبه شده بهره برد .
❓ پدیده خودگرمایشی در ترمیستور چیست و چگونه میتواند باعث خطا در اندازهگیری دما شود؟
از آنجایی که ترمیستور یک مقاومت است، وقتی جریان الکتریکی از آن عبور میکند، طبق قانون ژول، در آن گرما تولید میشود ($P = RI^2$). این گرمای تولید شده میتواند دمای خود ترمیستور را کمی بالاتر از دمای محیطی که قصد اندازهگیری آن را داریم، ببرد. به این پدیده، خودگرمایشی میگویند. در کاربردهای دقیق سنجش دما، باید جریان عبوری از ترمیستور را آنقدر کم نگه داریم تا گرمای تولیدی ناچیز و قابل چشمپوشی باشد. در مقابل، در کاربردهایی مثل دبیسنجها یا آشکارسازهای خلأ، از همین پدیده برای اندازهگیری استفاده میشود .
❓ اگر ترمیستورهای NTC برای سنجش دما مناسبترند، پس چرا ترمیستورهای PTC ساخته میشوند و چه مزیتی دارند؟
این دو نوع ترمیستور برای اهداف کاملاً متفاوتی بهینهسازی شدهاند. NTC به دلیل تغییر آرام و مداوم مقاومت در بازه وسیعی از دما، برای اندازهگیری ایدهآل است. اما PTC، به خصوص انواع پلیمری و سرامیکی آن، در دمای خاصی یک جهش ناگهانی و بسیار بزرگ در مقاومت خود نشان میدهند. این رفتار شبیه یک کلید است: تا دمای مشخص، مقاومت پایین و جریان عبور میکند، اما به محض رسیدن به آن دما، مقاومت به شدت بالا رفته و جریان را قطع میکند. این ویژگی یک عملگر یا محافظ عالی میسازد که میتواند مانند یک فیوز قابل بازیابی یا یک رگولاتور دمای ساده عمل کند .
پاورقی
1 ترمیستور (Thermistor): قطعهای نیمههادی که مقاومت الکتریکی آن با تغییرات دما بهشدت تغییر میکند. نام آن از ترکیب دو واژه Thermal (حرارتی) و Resistor (مقاومت) گرفته شده است.
2 ترمیستور با ضریب دمایی منفی (NTC - Negative Temperature Coefficient): نوعی ترمیستور که در آن با افزایش دما، مقاومت الکتریکی کاهش مییابد.
3 ترمیستور با ضریب دمایی مثبت (PTC - Positive Temperature Coefficient): نوعی ترمیستور که در آن با افزایش دما، مقاومت الکتریکی افزایش مییابد.
4 مقدار بتا (Beta Value - β): یک ثابت ماده بر حسب کلوین است که شیب منحنی مقاومت-دمای یک ترمیستور NTC را در یک بازه دمایی مشخص توصیف میکند و در فرمولهای محاسباتی کاربرد دارد.
5 RTD (Resistance Temperature Detector): آشکارساز دمای مقاومتی، نوعی سنسور دما که از فلز خالص (معمولاً پلاتین) ساخته شده و با افزایش دما، مقاومت آن به طور نسبتاً خطی افزایش مییابد.
