ترمیستور سنسوری بسیار دقیق و مقرون به صرفه برای اندازه‌گیری دما است.
ترمیستور چیست؟
ترمیستورها نوعی نیمه‌هادی هستند، بدین معنا که مقاومت آنها بیشتر از مواد رسانا، اما کمتر از مواد نارسانا است. رابطه میان دمای یک تریستور و مقاومت آن بسیار وابسته به مواد سازنده آن است. از آنجایی که این ویژگی اصلی مورد توجه خریداران ترمیستور است، سازنده معمولا آن را با دقت بالایی تعیین می‌کند.
ترمیستورها از اکسیدهای فلزی، اتصال‌دهنده‌ها و ثبیت‌کننده‌ها تشکیل شده‌اند، که به صورت ویفر فشرده شده و سپس به اندازه تراشه برش داده شده و به شکل دیسک یا اشکال دیگر (مهره و میله‌ای و آیسی) ساخته می‌شوند. نسبت دقیق مواد سازنده، “منحنی” مقاومت/دمای آنها را تعیین می‌کند. پس از آنجایی که این نسبت، چگونگی عملکرد ترمیستور را تعیین می‌کند، سازنده‌ها معمولا آن را با دقت بالایی کنترل می‌کنند.
ترمیستورها، که از عبارت مقاومتهای حساس به گرما (Thermal Resistor) مشتق شده اند، سنسورهایی بسیار دقیق و مقرون به صرفه برای اندازه‌گیری دما هستند.
نماد ترمیستور
پیکان جهت دار با حرف T نشان‌دهنده این است که مقاومت با توجه به دما تغییر می‌کند. جهت پیکان یا میله اصلا مهم نیست.
انواع ترمیستور
ترمیستورها در دو نوع، NTC (ضریب دمایی منفی) و PTC (ضریب دمایی مثبت) در دسترس هستند، معمولا ترمیستور NTC برای اندازه‌گیری دما بکاربرده می‌شود.
با افزایش دمای محیط اطراف، ترمیستورهای NTC باعث کاهش مقدار مقاومت ترمیستور می شوند. عموما، ترمیستورهای NTC معروف‌ترین و پرکاربردترین نوع سنسور دما هستند زیرا می‌توانند تقریبا در همه نوع ابزار که دما نقش مهمی در آنها ایفا می‌کند، مورد استفاده قرار بگیرند.
ترمیستورهای حرارتی NTC دارای رابطه معکوس بین مقاومت الکتریکی و دما هستند. پاسخ منفی نسبتا زیاد ترمیستور NTC به این معنی است که حتی کوچکترین تغییر در دما می‌تواند تغییر قابل توجهی در مقاومت الکتریکی آنها ایجاد کند. این مورد آنها را برای اندازه‌گیری دقیق دما و کنترل آن ایده آل می کند.
قبلا اشاره کردیم ترمیستور المانی الکترونیکی است که مقاومتش وابستگی بالایی به دما دارد بنابراین اگر جریان ثابتی از آن عبور دهیم و افت ولتاژ را محاسبه کنیم، می‌توانیم مقاومتش را در آن دمای مشخص بیابیم.
مقاومت یک ترمیستور NTC با افزایش دما کاهش می‌یاید و بر اساس مقاومت پایه و منحنی حرارتی انواع مختلف دارد. ترمیستورهای NTC معمولا بر اساس مقاومت پایه در دمای اتاق (25 درجه سانتی‌گراد) طبقه‌بندی می‌شوند زیرا این امر یک نقطه مرجع مناسب فراهم می‌کند ؛ مثلا، مقاومت 22 کیلواهم در 25 درجه، مقاومت 10 کیلواهم در 25 درجه و مقاومت 47 کیلواهم در 25 درجه و … .
ثابت B ترمیستور
ویژگی مهم دیگر یک ترمیستور مقدار پارامتر «B» است. مقدار B همان ثابت یا ضریب ماده است که اندازه‌اش توسط ماده سازنده قسمت سرامیکی تعیین می‌شود. این مقدار نشان دهنده گرادیان تغییرات (شیب) منحنی مقاومت – دما بین دو نقطه دمایی در محدوده دمایی مشخص می‌باشد. هر ماده ترمیستوری، ثابت ماده متفاوتی دارد و به طبع آن منحنی مقاومت-دما نیز متفاوت خواهد بود.
ثابت B درجه حساسیت ترمیستور (نرخ تغییر مقاومت آن) را به تغییرات دما بیان می کند.
نرخ تغییر را می توان با شیب یک خط نیز بیان کرد. هر چه شیب بیشتر باشد، حساسیت هم بالاتر است.
پس مقدار B، مقدار مقاومت ترمیستور در اولین نقطه دمایی (با T1 شناخته می‌شود) یا نقطه پایه (معمولا 25 درجه می‌باشد) و مقدار مقاومت ترمیستور در دومین نقطه دمایی (با T2 شناخته می‌شود)، مثلا 100 درجه، را مشخص می‌کند.
بنابراین، مقدار B، ثابت ماده ترمیستوری بین محدوده T1 و T2 را مشخص می‌کند؛ این پارامتر برای ترمیستورهای NTC معمول با مقدار B بین 3000 تا 5000، به صورت BT1/T2 نشان داده می‌شود و در این حالت خاص می‌توان به صورت B25/100 بیان کرد. با این وجود، توجه داشته باشید که در هنگام محاسبه مقدار دما در دو نقطه T1 و T2 باید مقدار دما بر حسب کلوین استفاده شود (کلوین °273.15 = (C)0° ). بنابراین مقدار 25 و 100 درجه سانتی‌گراد به ترتیب برابر با 15/298 و 15/373 درجه کلوین هستند.
بنابراین با دانستن مقدار B برای یک ترمیستور خاص (به دست‌آمده از دیتاشیت سازنده)، این امکان وجود دارد تا جدولی از نسبت دما و مقاومت ایجاد کرد تا بتوان با استفاده از فرمول زیر یک منحنی مناسب به دست آورد:
T1 : دمای نقطه 1 بر حسب درجه کلوین
T2 : دمای نقطه 2 بر حسب درجه کلوین
R1 : مقاومت ترمیستور در دمای T1 بر حسب اهم
R2 : مقاومت ترمیستور در دمای T2 برحسب اهم
منحنی مشخصه ترمیستور NTC
توجه داشته باشید که ضریب حرارتی منفی وجود دارد (NTC)، یعنی اینکه مقاومت با افزایش دما کاهش می‌یاید.
گستره دمایی، دقت و پایداری ترمیستور
ترمیستورها بسیار دقیق هستند (0.05ºC± تا 1.5ºC ± )، اما تنها در یک گستره دمایی محدود که در حدود 50ºC دمای پایه است. گستره دمای کاری برای اغلب ترمیستورها از0ºC تا 100ºC است. ترمیستورهای کلاس A بالاترین دقت را دارند، در حالی‌که می توان ترمیستورهای کلاس B در جایی استفاده کرد که اندازه‌گیری دقیق مورد نیاز نیست. پس از تکمیل فرآیند ساخت، ترمیستورها از نظر شیمیایی پایدار هستند و دقت آنها با گذشت زمان بطور قابل توجهی تغییر نمی‌کند.
اندازه‌گیری دما با ترمیستور
حال چگونه می‌توان برای اندازه‌گیری دما از ترمیستور استفاده کرد. تا به الان متوجه شده‌ایم که ترمیستور یک المان مقاومتی است و بر اساس قانون اهم، اگر جریانی از آن عبور دهیم، در طول آن افت ولتاژی تولید خواهد شد. می‌دانیم ترمیستور یک سنسور نوع پسیو است و به همین خاطر برای انجام کار به سیگنال تحریک نیاز دارد، پس هرگونه تغییر در مقاومتش به خاطر تغییر دما می‌تواند به سیگنال ولتاژ خروجی تبدیل شود.
ساده‌ترین روش انجام این کار این است که از ترمیستور در حالت تقسیم مقاومتی که در شکل قابل مشاهده است، استفاده کنیم. یک منبع ولتاژ ثابت به یک ترمیستور و یک مقاومت که به صورت سری بسته شده اند، متصل می‌کنیم و سپس ولتاژ خروجی را از دو سر ترمیستور اندازه‌گیری می‌کنیم.
اگر به عنوان مثال از یک مقاومت 10 کیلواهم و یک ترمیستور 10 کیلواهم استفاده کنیم، ولتاژ خروجی در دمای پایه 25 درجه سانتی‌گراد برابر نصف منبع ولتاژ ثابت خواهد بود:
10Ω⁄((10Ω+10Ω) )=0.5
زمانی که مقاومت ترمیستور به دلیل تغییر دما تغییر کند، آن بخشی از ولتاژ منبع ولتاژ که روی دو سر ترمیستور وجود دارد تغییر می‌کند و به نسبت کل مقاومت سری قرار گرفته بین ترمینال‌های خروجی، ولتاژ خروجی تولید می‌کند.
بنابراین، مدار تقسیم مقاومتی مثالی از مبدل ساده مقاومت به ولتاژ می‌باشد که در آن مقاومت ترمیستور توسط حرارت کنترل می‌شود و یا به عبارت دیگر مقدار ولتاژ خروجی تولید‌شده به مقدار تغییر دما بستگی دارد. پس هر چقدر ترمیستور گرم‌تر شود، ولتاژ خروجی پایین‌‌تر می‌آید.
اگر جای مقاومتهای Rs و Rth (به ترتیب مقاومت سری و مقاومت ترمیستور) را عوض کنیم، ولتاژ خروجی در جهت مخالف عمل خواهد کرد یا به عبارت دیگر هر چقدر ترمیستور گرم‌تر شود، ولتاژ خروجی بالاتر می‌رود.
می‌توان از ترمیستورهای NTC به عنوان بخشی از ساختار پایه حسگر دمایی با استفاده از مدار پل (در شکل پایین) بهره برد. رابطه بین مقاومتهای R1 و R2، ولتاژ مرجع (VREF) را به اندازه دلخواه تعیین می‌کند؛ مثلا اگر مقاومت های R1 و R2 برابر باشند، مقدار ولتاژ مرجع برابر با نصف ولتاژ منبع ولتاژ خواهد بود یعنی Vs⁄2.
همانگونه که دما و به تبع آن مقدار مقاومت ترمیستور تغییر می‌کند، مقدار ولتاژ VTH تغییر می‌کند و اگر مقدارش از مقدار ولتاژ VREF بیشتر یا کمتر باشد، به ترتیب سیگنال ولتاژی مثبت یا منفی که به تقویت‌کننده متصل است، ایجاد می‌کند. تقویت‌کننده مورد استفاده در این مدار می‌تواند هم به عنوان تقویت‌کننده دیفرانسیلی برای حس کردن کوچکترین تغییر و تقویت آن تغییر استفاده شود و هم به عنوان مدار ساده اشمیت تریگر برای روشن و خاموش کردن کلید.
مشکل عبور جریان از داخل یک ترمیستور این است که ترمیستورها در این شرایط اثر خودحرارتی از خود نشان می‌دهند. در این حالت توان هدر رفته (R^2*I) می تواند به اندازه‌ای بزرگ باشد که از حد مجاز توان هدر رفته ترمیستور بالاتر رفته و به دلیل اثرگذاری منفی بر مقاومتش، سیگنال‌های خروجی اشتباه تولید کند.
پس امکان دارد که اگر جریان عبوری از ترمیستور بیش از اندازه زیاد شود، توان هدر رفته بیشتر خواهد شد و با افزایش دما، مقاومتش کم می شود و باعث افزایش جریان عبوری می‌شود که این امر خود باعث افزایش بیشتر دما شده که به فرار دمایی مشهور است. به عبارت دیگر، می خواهیم ترمیستور به خاطر دمای خارجی گرم شود نه به خاطر اثر خود حرارتی.
مقدار مقاومت سری، (Rs بالا) باید به گونه‌ای انتخاب شود که یک پاسخ نسبتا گسترده را در محدوده دمای مورد انتظاری که ترمیستور احتمالا 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 مورد و داشتن یک تبدیل مقاومت به دمای دقیق (R/T) این است که ترمیستور با یک منبع جریان ثابت تغذیه شود. تغییر مقاومت می‌تواند به وسیله عبور یک جریان کوچک و مستقیم (جریان DC ) از ترمیستور و محاسبه افت ولتاژ ایجاد شده در خروجی اندازه‌گیری شود.
اشکال و کاربردهای متداول ترمیستورها
ترمیستورها در شکل‌های مختلفی همچون دیسک، چیپ، گوی شکل و میله‌ای وجود دارند و می‌توانند روی صفحه تخت قرار بگیرند یا داخل یک سیستم جاسازی شوند. آنها می‌توانند توسط یک رزین اپوکسی، شیشه و فنولیک پخته شده احاطه شوند و همچنین می‌توان آنها را رنگ‌آمیزی کرد. برای اینکه بهترین جنس ترمیستور را انتخاب کنید باید ماده‌ای (جامد، مایع یا گاز) که ترمیستور آن را نظارت می‌کند مورد توجه باشد.
به عنوان مثال، یک ترمیستور گوی شکل برای قرار گرفتن داخل سیستم مناسب است در‌حالی‌که برای سطوح نوری، شکل های میله‌ای، دیسکی و استوانه ای مناسب می‌باشند. ترمیستورهای به شکل چیپ معمولا روی برد مدار چاپی (PCB) سوار می‌شوند. بسیاری از اشکال مختلف ترمیستور وجود دارند:
شکلی را انتخاب کنید که حداکثر تماس سطحی را با دستگاهی که دمای آن نظارت می‌شود، داشته باشد. صرف نظر از نوع ترمیستور، اتصال به دستگاه مانیتور شده باید با استفاده از خمیر بسیار رسانای حرارتی یا چسب اپوکسی انجام شود. معمولا مهم است که این خمیر یا چسب رسانای الکتریکی نباشد.
ترمیستورها محکم هستند و قیمت مناسبی دارند و کار با آنها راحت است و در برابر تغییرات دمایی پاسخ‌های قابل پیش‌بینی از خود نشان می‌دهند. در حالی که در محیط‌های به شدت سرد یا گرم کارایی بالایی ندارند، در کاربردهایی که به اندازه‌گیری دما در نقطه دلخواه پایه می‌پردازد، بهترین سنسور قابل انتخاب هستند. همچنین زمانی‌که به دقت بالای دمایی نیاز داریم، ترمیستورها ایده‌آل هستند.
برخی از استفاده‌های رایج از ترمیستورها در دماسنج‌های دیجیتالی، در ماشین‌ها برای اندازه‌گیری دمای روغن و سیستم خنک‌کننده، در وسایل الکتریکی خانگی همچون فرها و یخچال‌ها می‌باشد. آنها همچنین در هر کاربرد که نیاز به محافظت از مدار در برابر سرما یا گرما و تامین امنیت آنها می‌باشد، پیدا می‌شوند. برای کاربردهای پیچیده‌تر، همچون آشکارسازهای تثبیت‌کننده لیزری، بلوک‌های لیزری و ابزار کوپل کننده شارژ (CCD)، ترمیستور در داخل IC قرار دارد.؛ مثلا، یک ترمیستور 10 کیلواهم، استانداردی است که در داخل بسته‌های لیزری قرار دارد.
ترمیستورها در گستره وسیعی از کاربردهای تجاری و صنعتی برای اندازه‌گیری دمای سطوح، مایعات و گازهای محیط بکاربرده می‌شوند. هنگامی‌که در ردیاب‌های حافظتی قابل اطمینان غلاف می‌شوند، می‌توانند در صنایع غذایی و آشامیدنی، در آزمایشگاه‌های علمی و در R&D بکاربرده شوند. ترمیستورهایی که در پروب‌های سطوح دمای بالا نصب شده‌اند برای غوطه‌ور شدن در مایعات خورنده مناسب هستند، و می‌توان از آنها در فرآیندهای صنعتی استفاده کرد، در حالی‌که ترمیستورهای با نوک وینیل برای کاربردهای خارجی یا بیولوژیکی مناسب هستند. همچنین ترمیستورهایی با پوشش‌های جز حسگر به سبک قفس فلزی یا پلاستیکی برای اندازه‌گیری دمای هوا وجود دارند.
ترمیستور و جلوگیری کردن از جریان تهاجمی
تا به اینجا دیدیم که از ترمیستورها به عنوان مبدل حساس حرارتی-مقاومتی استفاده شده است، اما می‌دانیم که ترمیستورها ابزار الکترونیکی مقاومتی هستند و به همین دلیل مقاومت ترمیستور می‌تواند یا به دلیل دمای خارجی و یا به دلیل تغییرات دمایی ناشی از جریان الکتریکی عبوری از آن، تغییر کند.
قانون اهم می گوید زمانی که جریان الکتریکی از داخل مقاومت R عبور می‌کند، به دلیل ولتاژ اعمال شده و اثر گرامازایی ، توان به صورت گرما هدر می‌رود. به دلیل اثر خودحرارتی که جریان به هنگام عبور از ترمیستور ایجاد می‌کند، مقاومت یک ترمیستور با تغییر اندازه جریان عبوری می‌تواند تغییر کند.
ابزارآلات الکتریکی سلف‌دار همچون موتور‌ها، ترانس‌ها، روشنایی بلست (Ballest light) و …، زمانی که استارت می‌زنند از جریان‌های تهاجمی اضافه رنج می‌برند. با این حال می‌توان از ترمیستورهای سری‌بسته‌شده برای محدود کردن بهینه هر نوع جریان اولیه بالا تا حدی که خطری برای دستگاه نداشته باشد، استفاده کرد. ترمیستورهای NTC با مقدار مقاومت سرد پایین (در 25 درجه سانتی‌گراد) برای چنین تنظیمات جریانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
محدودکننده‌های جریان هجومی و محدودکننده‌های سیگنال موجی، انواعی از ترمیستورهای در حالت سری هستند که با گرم شدن توسط جریان باری که از آن عبور می‌کند، مقاومت آنها به مقدار بسیار پایینی کاهش می‌یابد. در شروع کار، مقدار مقاومت سرد ترمیستور (مقاومت پایه‌اش) نسبتا بالاست و جریان تهاجمی در جهت بار را کنترل می‌کند.
به دلیل جریان بار، ترمیستور شروع به گرم شدن می‌کند. به نسبت این افزایش، مقاومتش تا نقطه‌ای کاهش می‌یابد که توان تلف‌شده کافی در امتدادش وجود داشته باشد تا بتواند در برابر ولتاژ اعمالی ایجاد شده در طول بار، مقاومت پایین خود را حفظ کند.
به دلیل اینرسی حرارتی جرم آن، این اثر گرمایشی چند ثانیه طول می‌کشد که در طی آن جریان بار به جای افزایش لحظه‌ای به تدریج افزایش می‌یابد، بنابراین هر جریان هجومی زیاد محدود می‌شود و توان کشیده‌شده متناسب با آن کاهش می‌یابد. به دلیل این عمل حرارتی، ترمیستورهای کنترل‌کننده جریان هجومی می‌توانند در حالت مقاومت کم خود بسیار داغ شوند. از آنجایی که این ترمیستورها پس از قطع برق نیاز به یک دوره خنک شدن یا بازیابی دارند، بنابراین لازم است که مقاومت ترمیستور NTC به اندازه کافی بازیابی شود تا برای دفعه بعدی آماده باشد.
سرعت پاسخ یک ترمیستور محدود کننده جریان با ثابت زمانی آن داده می‌شود. یعنی زمان صرف شده برای تغییر مقاومت آن به میزان 63% از کل تغییر (یعنی از 1 تا )؛ مثلا فرض کنید دمای محیط از صفر درجه تا 100 درجه تغییر کند، پس 63% ثابت زمانی مدت زمانی خواهد بود که ترمیستور، یک مقدار مقاومتی در 63 درجه داشته باشد.
ترمیستورهای NTC در برابر جریان‌های ناخواسته تهاجمی بالا عمل محافظتی انجام می‌دهند و این کار را با پایین نگه داشتن مقاومتشان در هنگام تامین پیوسته توان به بار انجام می‌دهند. برتری ترمیستورها این است که قادر هستند جریان‌های تهاجمی بیشتر نسبت به مقاومتهای محدود کننده جریان ثابت استاندارد با توان مصرفی مشابه را کنترل کنند.
یک ترمیستور PTC کارکرد متفاوتی دارد. مقاومت این ترمیستور با کاهش و افزایش دما، به ترتیب کم و زیاد می‌شود. این نوع ترمیستور عموما به صورت فیوز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترمیستور در یک سیستم کنترلی
کاربرد اصلی ترمیستور اندازه‌گیری دمای دستگاه است. در یک سیستم کنترل دما، ترمیستور قطعه کوچک اما مهمی از یک سیستم بزرگتر است. یک کنترل‌کننده دما، دمای ترمیستور را کنترل می‌کند. سپس به هیتر یا خنک‌کننده دستور می‌دهد که چه زمانی روشن یا خاموش شود تا دمای سنسور حفظ شود.
در نمودار زیر، که یک سیستم نمونه را نشان می‌دهد، سه جزء اصلی برای تنظیم دمای یک دستگاه استفاده شده‌است: سنسور دما، کنترل‌کننده دما، و دستگاه پلتیر (که در اینجا با عنوان TEC یا خنک‌کننده ترموالکتریک مشخص شده است). سر سنسور به صفحه خنک‌کننده متصل است که برای خنک کردن دستگاه باید دمای خاصی را حفظ کند و سیم‌ها به کنترل‌کننده دما متصل می شوند. کنترل‌کننده دما نیز به صورت الکترونیکی به دستگاه پلتیر متصل می‌شود که دستگاه مورد نظر را گرم و خنک می‌کند. هیت سینک به دستگاه پلتیر متصل می‌شود تا به دفع گرما کمک کند.
وظیفه سنسور دما ارسال فیدبک دما به کنترل‌کننده دما است. سنسور دارای مقدار کمی جریان است که به آن جریان بایاس می‌گویند که توسط کنترل‌کننده دما ارسال می شود. کنترلر نمی تواند مقاومت را بخواند، بنابراین باید با استفاده از منبع جریان، تغییرات مقاومت را به تغییرات ولتاژ تبدیل کند تا یک جریان بایاس در ترمیستور اعمال شود تا ولتاژ کنترلی تولید شود.
کنترل‌کننده دما مغز این عملیات است. اطلاعات سنسور را می‌گیرد، آن را با توجه به نیاز واحدی که باید خنک شود (به نام نقطه تنظیم) مقایسه می‌کند و جریان را از طریق دستگاه پلتیر تنظیم می‌نماید تا دما را مطابق با نقطه تنظیم تغییر دهد.
محل قرارگیری ترمیستور در سیستم هم بر پایداری و هم بر دقت سیستم کنترل تاثیر می‌گذارد. برای پایداری بهتر، ترمیستور باید تا حد امکان نزدیک به هیتر ترموالکتریک یا مقاومتی قرار گیرد. برای بهترین دقت، ترمیستور باید نزدیک دستگاهی باشد که نیاز به کنترل دما دارد. در حالت ایده‌آل، ترمیستور در دستگاه تعبیه شده‌است، اما می‌توان آن را با استفاده از خمیر یا چسب رسانای حرارتی نیز متصل کرد. حتی اگر دستگاهی تعبیه شده باشد، شکاف‌های هوا باید با استفاده از خمیر حرارتی یا چسب از بین برود.
شکل زیر دو ترمیستور را نشان می‌دهد که یکی مستقیما به دستگاه و دیگری از راه دور یا دور از دستگاه متصل است. اگر سنسور خیلی دور از دستگاه باشد، زمان تاخیر حرارتی به طور قابل توجهی دقت اندازه‌گیری دما را کاهش می‌دهد، در حالی که قرار دادن ترمیستور خیلی دور از دستگاه پلتیر، پایداری را کاهش می دهد.
در شکل زیر، نمودار تفاوت خواندن دما توسط هر دو ترمیستور را نشان می‌دهد. ترمیستور متصل به دستگاه به سرعت به تغییر بار دمایی واکنش نشان داد و دماهای دقیق را ثبت کرد. ترمیستور از راه دور نیز واکنش نشان داد اما نه به این سرعت. مهمتر از آن، خواندن‌ها کمی بیش از نیم درجه کاهش یافته‌است. زمانی که دماهای دقیق مورد نیاز است، این تفاوت می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.
