ترمیستور: مقاومتی که با تغییر دما تغییر می‌کند
ترمیستور چیست و چگونه متولد شد؟
ترمیستور یک قطعهٔ الکترونیکی است که مقاومت الکتریکی آن با تغییر دمای محیطش، تغییر می‌کند. نام آن از ترکیب دو کلمهٔ حرارتی و مقاومت ساخته شده است. این قطعه معمولاً از مواد نیم‌رسانا4 ساخته می‌شود. کشف این پدیده به اوایل قرن نوزدهم برمی‌گردد، اما ترمیستورهای مدرن و قابل اعتماد، در حدود سال 1930 میلادی توسعه یافتند.
برای درک ساده‌تر، یک سیم لامپ را تصور کنید. وقتی لامپ روشن است، سیم آن داغ می‌شود. اگر بتوانیم مقاومت الکتریکی این سیم را در حالتی که سرد است و وقتی که داغ است اندازه بگیریم، متوجه تغییر آن می‌شویم. ترمیستور همین کار را به صورت بسیار دقیق‌تر و در ابعاد کوچک انجام می‌دهد.
انواع اصلی ترمیستور: NTC و PTC
ترمیستورها بر اساس رفتارشان در برابر دما به دو دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند. این تفاوت اساسی، کاربردهای کاملاً متفاوتی را برای آن‌ها به وجود آورده است.
| نوع ترمیستور | واکنش به افزایش دما | یک مثال ساده | کاربردهای رایج |
|---|---|---|---|
| NTC (ضریب دمای منفی) | مقاومت آن کاهش می‌یابد. | مانند یخی که در هوای گرم ذوب می‌شود و مقاومتش در برابر جریان آب کم می‌شود. | سنجش دمای هوا، کنترل کنندهٔ باتری شارژر، دماسنج دیجیتال |
| PTC (ضریب دمای مثبت) | مقاومت آن افزایش می‌یابد. | مانند یک دروازه‌بان که با ازدحام جمعیت، گذر افراد را سخت‌تر می‌کند. | محافظت در برابر جریان بیش‌ازحد، مدارهای محدود کنندهٔ جریان، سشوار |
ریاضیات پشت پرده: رابطهٔ دما و مقاومت
برای دانش‌آموزان دبیرستانی که با مفاهیم پیشرفته‌تر ریاضی آشنا هستند، رابطهٔ بین دما و مقاومت در یک ترمیستور NTC را می‌توان با یک فرمول ساده‌شده نشان داد. این رابطه نمایی است و به صورت زیر بیان می‌شود:
در این فرمول:
$ R_T $ مقاومت در دمای T (بر حسب کلوین5)
$ R_0 $ مقاومت در دمای مرجع $ T_0 $ (معمولاً 25°C)
$ B $ ثابت مادهٔ ترمیستور (ضریب بتا)
$ e $ عدد اویلر (تقریباً برابر 2.718)
این فرمول نشان می‌دهد که با افزایش دما (T)، مقدار $ \frac{1}{T} $ کوچک‌تر می‌شود و در نتیجه مقدار توان منفی شده و مقدار کل $ e^{...} $ کاهش می‌یابد. بنابراین مقاومت $ R_T $ نیز کم می‌شود که دقیقاً خاصیت NTC است.
ساخت یک دماسنج ساده با ترمیستور
بیایید یک پروژهٔ علمی ساده را بررسی کنیم: ساخت یک دماسنج هشداردهنده. برای این کار به یک ترمیستور NTC، یک باتری 9 ولت، یک مقاومت معمولی، یک ال‌ای‌دی (LED) و یک ترانزیستور نیاز داریم.
ترمیستور و مقاومت معمولی را به صورت سری به باتری وصل می‌کنیم. نقطه‌ای بین این دو را به پایهٔ کنترل ترانزیستور متصل می‌کنیم. وقتی دمای محیط بالا می‌رود، مقاومت ترمیستور NTC کم می‌شود. این کار باعث می‌شود ولتاژ در نقطهٔ اتصال تغییر کند. وقتی این ولتاژ از یک حد خاص گذشت، ترانزیستور روشن شده و جریان را به ال‌ای‌دی می‌فرستد و آن را روشن می‌کند. بنابراین روشن شدن ال‌ای‌دی به ما هشدار می‌دهد که دما از یک حد مجاز بیشتر شده است. از این اصل ساده در سیستم‌های هشدار آتش‌سوزی نیز استفاده می‌شود.
کاربردهای شگفت‌انگیز ترمیستور در زندگی روزمره
شما هر روزه و شاید بدون آن که بدانید، از ترمیستورها استفاده می‌کنید. این قطعات کوچک در بسیاری از وسایل الکترونیکی اطراف ما وجود دارند.
شارژر موبایل: یک ترمیستور NTC در نزدیکی باتری قرار می‌گیرد تا دمای آن را هنگام شارژ کنترل کند. اگر باتری بیش از حد داغ شود، شارژر به طور خودکار جریان شارژ را کاهش می‌دهد یا قطع می‌کند تا از آسیب دیدن باتری و خطر آتش‌سوزی جلوگیری شود.
خودروی شما: ترمیستورها برای اندازه‌گیری دمای مایع خنک‌کنندهٔ موتور، دمای هوای ورودی و حتی دمای داخل کابین استفاده می‌شوند. این اطلاعات به کامپیوتر مرکزی خودرو کمک می‌کنند تا عملکرد بهینه‌ای داشته باشد.
سشوار: در بسیاری از سشوارها از یک ترمیستور PTC استفاده می‌شود. وقتی سشوار روشن می‌شود، این ترمیستور ابتدا جریان زیادی را از خود عبور می‌دهد تا المنت گرم شود. با گرم شدن المنت، مقاومت ترمیستور PTC به شدت افزایش یافته و جریان را محدود می‌کند. این کار به صورت خودکار از داغ شدن بیش از حد سشوار جلوگیری می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. هر دو حسگر دما هستند اما اصول کار کاملاً متفاوتی دارند. ترمیستور مقاومت خود را با دما تغییر می‌دهد، در حالی که ترموکوپل با تغییر دما یک ولتاژ بسیار کوچک تولید می‌کند. ترمیستورها معمولاً برای محدوده‌های دمایی کوچک‌تر و با دقت بالاتر استفاده می‌شوند.
اتصال سری یا موازی ترمیستورها می‌تواند برای ایجاد یک منحنی مقاومت-دمای خاص یا افزایش دقت در یک محدودهٔ دمایی معین استفاده شود. برای مثال، با اتصال موازی یک NTC و یک PTC می‌توان مداری ساخت که مقاومت کلی آن در یک محدودهٔ دمایی خاص تقریباً ثابت بماند.
هرگز! اگر ترمیستوری در یک مدار بسوزد یا خراب شود، جایگزین کردن آن با یک مقاومت ثابت معمولی باعث از کار افتادن عملکرد حساس به دمای آن وسیله می‌شود. برای مثال، اگر در شارژر موبایل این کار را انجام دهید، مدار دیگر قادر به تشخیص دمای باتری نبوده و ممکن است منجر به overheating (گرمایش بیش از حد) و خطر آتش‌سوزی شود.
ترمیستورها نمونه‌ای شگفت‌انگیز از چگونهگی تعامل علم فیزیک و مهندسی برق هستند. این قطعات کوچک با تغییر مقاومت خود در برابر دما، نقش محافظ و حسگر را در countless (بی‌شمار) وسیلهٔ الکترونیکی زندگی ما ایفا می‌کنند. از گوشی هوشمند در جیب شما تا خودرویی که با آن سفر می‌کنید، همگی از وجود این حسگرهای کوچک و مفید بهره می‌برند. درک اصول اولیهٔ کار آن‌ها نه تنها جذاب است، بلکه پنجره‌ای به دنیای پیچیده اما زیبای الکترونیک می‌گشاید.
پاورقی
1 ترمیستور (Thermistor)
2 NTC: Negative Temperature Coefficient
3 PTC: Positive Temperature Coefficient
4 نیم‌رسانا (Semiconductor)
5 کلوین (Kelvin): واحد اندازه‌گیری دمای مطلق در سیستم SI.
6 ترموکوپل (Thermocouple)
