ترمیستور چیست و چگونه کار می‌کند؟

واژه ترمیستور (Thermistor) تکواژ مرکب عبارت THERMally sensitive ResISTOR است که به معنای مقاومت حساس به دما است. ترمیستور در واقع نوعی از نیمه رساناها به شمار می‌آید که مانند رزیستور به دما حساس است و واکنش نشان می‌دهد. در نتیجه مقدار اندازه‌گیری شده مقاومت الکتریکی یک ترمیستور به دمای محیطی وابسته است که ترمیستور در آن نصب شده است. به همین دلیل با محاسبه این مقاومت، می‌توان دما را اندازه‌گیری کرد. این تجهیز، انتخابی بسیار دقیق و مقرون به صرفه برای اندازه‌گیری دما محسوب می‌شود. دلایل محبوبیت بالای ترمیستور برای اندازه‌گیری دما، پایداری، سطح بالای تکرارپذیری و تغییرات بالای مقاومت به ازای هر درجه تغییر دما است که باعث رزولوشن بالاتر می‌شود.

عناصر سازنده ترمیستور

رابطه بین دما و مقاومت ترمیستور تا حد زیادی به مواد سازنده ترمیستور وابسته است. سازندگان ترمیستور معمولا این مشخصه را درجه دقت بالایی تعیین می‌کنند. زیرا این مشخصه مهم‌ترین مشخصه مورد نظر خریداران است. معمولا ترمیستورها از اکسید فلزات، ترمیستورها از اکسیدهای فلزی، بایندرها (binders) و تثبیت کننده‌هایی تشکیل شده‌اند که به شکل ویفر فشرده شده و سپس به اندازه تراشه بریده می‌شوند و یا به شکل دیسک باقی می‌مانند یا به شکل دیگری در می‌آیند. نسبت دقیق مواد کامپوزیتی عامل اصلی موثر بر منحنی مقاومت-دمای ترمیستورها است. سازندگان معمولاً این نسبت را با دقت زیادی کنترل می‌کنند، زیرا تعیین‌کننده اصلی این است که ترمیستور چگونه کار کند.

انواع ترمیستور

ترمیستورها شامل دو نوع هستند: ترمیستور با ضریب دمایی منفی (Negative Temperature Coefficient) یا ترمیستور NTC و ترمیستور با ضریب دمایی مثبت (Positive Temperature Coefficient) یا ترمیستور PTC. در ترمیستور NTC با افزایش دما، مقاومت کاهش می‌یابد. اما در ترمیستور PTC با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می‌یابد. معمولا ترمیستور NTC بیشتر برای اندازه‌گیری دما و ترمیستور PTC در کاربردهای محافظت مدار استفاده می‌شود.

تفاوت ترمیستور PTC و ترمیستور NTC

ترمیستورهای PTC خود به دو گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند. گروه اول از جنس فلزات پلاتین، نیکل، مس و تنگستن است. این گروه به لحاظ تئوری بازه دما ۲۷۰- تا ۹۸۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کنند. اما در عمل معمولا برای اندازه‌گیری دما در بازه ۲۵۰- تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد مورد استفاده قرار می‌گیرد. گروه دوم ترمیستورهای PTC از جنس فلزات کرپم، کبالت، آهن و ترکیب منگنز و نیکل است. این گروه بازه ۵۰- تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کنند. اگر جنس ترمیستور از پلاتین باشد، تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کند. اما اگر جنس ترمیستور از نیکل باشد، فقط تا ۳۱۵ درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کند. برای سیم‌پیچ موتورهای بزرگ از جنس مس استفاده می‌شود که تا ۱۵۰درجه سانتی‌گراد را اندازه‌گیری می‌کنند.

نکته دیگری که در مورد ترمیستورهای NTC و PTC وجود دارد این است که ترمیستور نوع NTC قیمت بالاتری دارد، چون دقت اندازه‌گیری آن بالاتر است. در ترمیستور PTC به ازای هر درجه افزایش دما ۳ تا ۵٪ مقاومت افزایش می‌یابد. اما در ترمیستور NTC به ازای هر درجه افزایش دما، ۰.۵٪ مقاومت افزایش می‌یابد. در نتیجه منحنی مشخصه دما مقاومت پیوسته‌‌تر است و رزولوشن بالاتری دارد. به دلیل قیمت و دقت بالاتر، ترمیستور NTC بیشتر در کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نکته دیگر این است که در ترمیستور PTC منحنی مشخصه دما مقاومت تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد خطی است، به همین دلیل در این بازه بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای دمای زیر ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد اولویت استفاده با ترمیستور PTC است، اما برای دماهای بالاتر از این مقدار، از تایپ‌های مختلف ترموکوپل استفاده می‌شود.

مقاومت ترمیستورها

ترمیستور از موادی ساخته می‌شود که مقاومت معینی دارند. با افزایش دما، مقاومت ترمیستور NTC به صورت غیرخطی و بر طبق یک منحنی مشخص کاهش می‌یابد. همان طور که اشاره کردیم، شکل این منحنی مشخصه دما مقاومت توسط ویژگی‌های موادی تعیین می‌شود که ترمیستور از آن‌ها ساخته شده است. ترمیستورها در بازه وسیعی از مقاومت‌های پایه و منحنی مشخصه‌های دما مقاومت مختلف موجود هستند.

در کاربردهای دمای پایین (۵۵- تا حدود ۷۰ درجه سانتی‌گراد) معمولا از ترمیستورهای با مقاومت کمتر ۲۲۵۲ تا ۱۰۰۰۰ اهم استفاده می‌کنند. اما در کاربردهای دمای بالا معمولا از ترمیستورهای با مقاومت بزرگ‌تر (بیش از ۱۰۰۰۰ اهم) استفاده می‌شود. برخی مواد سازنده پایداری بهتری نسبت به سایر انواع فراهم می‌کنند. مقاومت ترمیستورها معمولا در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد تعیین می‌شود. ترمیستورها دارای دقت تقریبا ۰.۲± درجه سانتی‌گراد در بازه دمایی مشخص خود هستند. ترمیستورها مقاوم، ارزان و بادوام هستند و برای کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی مناسب هستند.

ترمیستورهای دارای پوشش اپوکسی برای استفاده در دماهای پایین‌تر (معمولا ۵۰- تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد) نیز موجود هستند. ترمیستورها همچنین با پوشش‌های شیشه‌ای برای استفاده در دماهای بالاتر (معمولا ۵۰- تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) نیز موجود هستند. این پوشش‌ها از ترمیستور و سیم‌های اتصال آن در برابر رطوبت، خوردگی و تنش‌های مکانیکی محافظت می‌کنند.

دقت ترمیستورها

ترمیستورها دارای دقت بالا از ۰.۰۵± درجه سانتی‌گراد تا ۱.۵± درجه سانتی‌گراد هستند. اما این دقت فقط در یک بازه دمایی محدود است که در حدود ۵۰ درجه سانتی‌گراد از دمای پایه است. محدوده دمای کار برای اکثر ترمیستورها بین ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. ترمیستورهای کلاس A بیشترین دقت را دارند، در حالی که ترمیستورهای کلاس B را می‌توان در سناریوهایی مورد استفاده قرار داد که نیاز کمتری به اندازه‌گیری دقیق وجود دارد. پس از تکمیل فرآیند ساخت، ترمیستورها از نظر شیمیایی پایدار هستند و دقت آنها با افزایش سن تغییر قابل توجهی نمی‌کند.

کاربردهای ترمیستور

ترمیستورها اغلب برای کاربردهایی انتخاب می‌شوند که استحکام، قابلیت اطمینان و پایداری مهم هستند. آن‌ها برای استفاده در محیط‌هایی با شرایط کاری سخت یا محل‌هایی که نویز الکترونیکی بالا باشد، مناسب هستند. ترمیستورها در اشکال مختلفی موجود هستند. شکل اید‌ه‌آل برای یک کاربرد خاص به این بستگی دارد که ترمیستور روی سطح نصب شود یا در یک سیستم تعبیه شود. همچنین به نوع ماده اندازه‌گیری شده نیز بستگی دارد.

ترمیستورها در طیف گسترده ای از کاربردهای تجاری و صنعتی برای اندازه‌گیری دمای سطوح، مایعات و گازهای محیطی استفاده می‌شوند. هنگامی که در پروب‌های محافظتی قرار بگیرند، می‌توانند به صورت قابل اعتمادی ضد عفونی شوند. در نتیجه در صنایع غذایی و نوشیدنی، آزمایشگاه‌های علمی و تحقیق و توسعه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترمیستورهای سنگین نصب شده روی پروب برای غوطه‌ور شدن در سیالات خورنده مناسب هستند و می‌توانند در فرآیندهای صنعتی استفاده شوند. در حالی که پایه‌های ترمیستور با نوک وینیل (vinyl) در خارج از منزل یا برای کاربردهای بیولوژیکی استفاده می‌شوند. ترمیستورها با پوشش‌های المان فلزی یا پلاستیکی قفس‌مانند برای انداز‌ه‌گیری دمای هوا نیز موجود هستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:

سنسور RTD چیست و چگونه کار می‌کند؟

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

ترموکوپل چیست؟

ترموول (Thermowell) ــ انواع مختلف، تعیین طول و نحوه نصب

ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

بازتاب داخلی کلی یا Total Internal Reflection چیست؟

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع