ترمیستور چیست؟ + انواع، کاربرد و روش کار

دما یکی از مهمترین عواملی است که کیفیت زندگی ما و سلامت سیستم‌ها را تعیین می‌کند. برای تعیین محدودیت‌هایی در محیط‌های صنعتی یا لوازم‌خانگی، به سنجش و اندازه‌گیری دما نیاز داریم. به این منظور سنسورهای مختلفی طراحی شده‌اند که از جمله رایج‌ترین آنها می‌توان به ترموکوپل و ترمیستورها اشاره کرد. در ادامه قصد داریم شما را با ترمیستور، انواع مختلف و کاربردهای آن آشنا کنیم.

ترمیستور چیست؟

ترمیستور یا مقاومت حرارتی (Thermal Resistor) یک قطعه پسیو است. مقاومت این قطعه با تغییر دما در یک سیستم تغییر می‌کند. ترمیستورها معمولاً از مواد نیمه‌رسانا تولید می‌شوند. در این قطعه مقاومت الکتریکی با دما به طور غیرخطی تغییر می‌کند. ترمیستورها به‌عنوان یک ابزار ارزان، دقیق و پویا برای اندازه‌گیری دما عمل می‌کنند.

این قطعه بسیار دقیق است (دقت 0.05± درجه سانتیگراد تا 1.5± درجه سانتیگراد)، اما فقط در محدوده دمایی محدودی که در حدود 50 درجه سانتیگراد از دمای پایه است، کار می‌کنند. محدوده دمای کار برای اکثر ترمیستورها بین 0 تا 100 درجه سانتیگراد است. میزان مقاومت یک ترمیستور به مواد اولیه‌ای که برای تولید آن استفاده می‌شود، بستگی دارد. معمولاً مقاومت‌های حرارتی با استفاده از سرامیک یا پلیمر تولید می‌شوند.

اندازه‌گیری دما با ترمیستورها هم همانند سنسورهای دمای RTD است. ترمیستور و آر تی دی، هر دو مقاومت حساس به دما هستند. تفاوت این قطعه با RTD در نوع مقاومت بکار رفته است. جنس ماده سازنده RTD از فلزات خالص مانند پلاتین، نیکل و … است که ضریب دمایی مثبت دارند. در واقع، با افزایش دما مقاومت آنها افزایش می‌یابد که این همان وظیفه اصلی RTD است. از RTD برای اندازه‌گیری تغییرات دمایی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.

ترمیستور از چه قطعاتی تشکیل شده است؟

برای ساختن ترمیستور، دو یا چند پودر نیمه‌رسانا ساخته شده از اکسیدهای فلزی را با یک کلاسور مخلوط کرده و دوغاب ایجاد می‌کنند. قطره‌های کوچکی از این دوغاب بر روی سیم‌های سرب تشکیل می‌شود. برای خشک‌کردن، باید آن را در کوره پخت قرار دهیم. در طی این فرایند، این دوغاب روی سیم‌های سرب جمع شده و اتصال برق ایجاد می‌کند.

این اکسید فلزی فراوری شده با قراردادن یک پوشش شیشه‌ای روی آن آب‌بندی می‌شود. این پوشش شیشه‌ای خاصیت ضد آب بودن به ترمیستورها می‌دهد و به بهبود پایداری آنها کمک می‌کند. اشکال و اندازه‌های مختلفی از ترمیستور در بازار موجود است. ترمیستورهای کوچک‌تر به شکل مهره‌هایی با قطر 0.15 میلی‌متر تا 1.5 میلی‌متر هستند.

ترمیستورها ممکن است به‌صورت دیسک و واشر باشند که با فشاردادن ماده ترمیستور تحت‌فشار زیاد به شکل استوانه‌ای مسطح با قطر از 3 میلی‌متر تا 25 میلی‌متر ساخته می‌شوند.

اندازه معمولی ترمیستور در صنایع 0.125 میلی‌متر تا 1.5 میلی‌متر است. ترمیستورهای موجود در بازار دارای مقادیر اسمی 1K ،2K ،10K ،20K ،100K و … هستند. این مقدار مقاومت را در دمای 25 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. ترمیستورها در مدل‌های مختلفی در دسترس هستند:

• مهره‌ای
• میله‌ای
• دیسکی و …

اصلی‌ترین مزیت ترمیستورها اندازه کوچک و هزینه نسبتاً کم آنهاست.

ترمیستور چگونه کار می‌کند؟

اصل کار یک مقاومت حرارتی به این صورت است که مقاومت به دما وابسته است. می‌توانید مقاومت ترمیستور را با استفاده از اهم‌متر اندازه‌گیری کنید. اگر رابطه دقیقی بین چگونگی تأثیر تغییرات دما بر مقاومت ترمیستور بدانید، با اندازه‌گیری مقاومت ترمیستور می‌توانید دمای آن را به دست آورید. میزان تغییر مقاومت به نوع ماده استفاده شده در مقاومت حرارتی بستگی دارد. رابطه بین دما و مقاومت ترمیستور، غیرخطی است. 

انواع ترمیستور کدام است؟

1- ترمیستور نوع NTC 

در ترمیستور نوع (NTC (Negative Temperature Coefficient که به آن ترمیستور ضریب حرارتی منفی یا سنسور دما ntc نیز گفته می‌شود. با افزایش دما، مقاومت کاهش می‌یابد و با کاهش دما، مقاومت افزایش می‌یابد؛ بنابراین در یک ترمیستور NTC، دما و مقاومت با یکدیگر نسبت عکس دارند. این نوع مقاومت، از رایج‌ترین نوع مقاومت‌های حرارتی است. ترمیستورهای NTC بر اساس نوع مواد تشکیل‌دهنده، در دودسته زیر قرار می‌گیرند:

ترمیستورهای مهره‌ای:

1. از سیم‌های سرب آلیاژ پلاتین ساخته شده‌اند و درون بدنه‌ای از جنس سرامیک قرار گرفته‌اند.
2. نسبت به سنسورهای دیگر در دمای بالاتری کارکرده و واکنش سریع‌تری دارند.
3. بسیار آسیب‌پذیر هستند.
4. اغلب در درون شیشه قرار می‌گیرند تا در برابر آسیب‌های احتمالی در زمان مونتاژ محافظت شده و ثبات دمایی آن‌ها نیز افزایش یابد.

ترمیستورهای دیسکی و تراشه‌ای:

1. نسبت به ترمیستورهای مهره‌ای بزرگ‌تر هستند.
2.  هر دو دارای سطوح فلزی هستند.
3. زمان واکنش آن‌ها نسبت به ترمیستورهای مهره‌ای کوتاه‌تر است.
4. اندازه آن‌ها این امکان را فراهم می‌سازد تا در صورت افزایش دمای ۱ درجه‌ای هم ‌توان بیشتری داشته باشند.
5. در حقیقت، این نوع از ترمیستورها، نسبت به ترمیستورهای مهره‌‌ای توانایی بیشتری برای هدایت جریان‌های بالاتر دارند.
6. در اندازه‌های مختلفی از ۰.۲۵ میلی‌متر تا ۲۵ میلی‌متر تولید می‌شوند.

2- ترمیستور نوع PTC 

در ترمیستور نوع (PTC (Positive Temperature Coefficient که به آن ترمیستور ضریب حرارتی مثبت یا سنسور ptc  نیز گفته می‌شود، با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می‌یابد و با کاهش دما، مقاومت کاهش می‌یابد؛ بنابراین در یک ترمیستور PTC دما و مقاومت نسبت مستقیم دارند.

اگرچه مقاومت‌های حرارتی PTC به‌اندازه مقاومت‌های حرارتی NTC رایج نیستند، اما اغلب به‌عنوان نوعی محافظ مدار استفاده می‌شوند. مانند عملکرد فیوزها، ترمیستورهای PTC می‌توانند به‌عنوان دستگاه محدودکننده جریان عمل کنند. هنگامی که جریان از دستگاه عبور می‌کند مقدار کمی گرمایش مقاومتی ایجاد می‌کند. اگر جریان به‌اندازه‌ای زیاد باشد که گرمای بیشتری نسبت به آنچه دستگاه می‌تواند به محیط اطراف خود از دست بدهد، تولید کند، دستگاه گرم می‌شود. در ترمیستور PTC این گرم‌شدن باعث افزایش مقاومت آن نیز می‌شود.

لازم به ذکر است که ترمیستورها در دو نوع نصب سطحی یا پایه‌دار در بازار وجود دارند. مقاومت حرارتی اس ام دی (smd) یا نصب روی سطح نوع رایج‌تر و مورداستفاده بیشتر مهندسان الکترونیک است؛ چراکه نصب SMD، پایداری دمایی بسیار بهتری را برای مدارها فراهم می‌کند. ترمیستورهای PTC بر اساس مواد تشکیل‌دهنده و ساختار خود به چند گروه تقسیم می‌شوند:

ترمیستورهای PTC سیلیستور:

1. در داخل این نوع از ترمیستورها از سیلیکون آلاییده برای تبدیل آن به جسم نیمه‌رسانا استفاده شده است.
2. سیلیکون آلاییده با افزودن ناخالصی و تبدیل آن از یک جسم عایق به رسانا ایجاد می‌شود.
3. .این نوع از ترمیستورها از لایه‌های بسیار نازک سیلیکون ساخته شده و بعد به اشکال مختلف در می‌آیند.
4. از آن‌‌ها به‌عنوان سنسور دمایی استفاده می‌شود.

ترمیستورهای  switching PTC:

1. این نوع ترمیستورها از مواد پلی کریستالی ساخته می‌شوند.
2. این مواد خرد و ترکیب و شکل دهی شده و سپس جاگذاری می‌شوند. 
3. مراحل تولید می‌بایست کاملاً تمیز باشد، زیرا ناخالصی‌ در مقاومت مواد سبب ایجاد تغییراتی اساسی در ویژگی‌های دمایی و الکتریکی آن‌ها می‌شود.

محدوده دما، دقت و پایداری ترمیستورها چگونه است؟

ترمیستورها بسیار دقیق هستند (از 0.5 درجه سانتی‌گراد تا 1.5 درجه سانتیگراد)، اما تنها در یک محدوده دمای محدود که در حدود 50 درجه سانتیگراد درجه حرارت پایه است. دامنه دمای کار برای بیشتر ترمیستورها بین 0 تا 100 درجه سانتی‌گراد است. ترمیستورهای کلاس A بیشترین دقت را ارائه می‌دهند، درحالی‌که ترمیستورهای کلاس B می‌توانند در سیستم‌هایی که نیاز به ‌اندازه‌گیری با دقت کمتری دارند، مورداستفاده قرار گیرند. پس از اتمام مراحل تولید، ترمیستورها از نظر شیمیایی پایدار هستند و دقت آنها با گذشت زمان تغییر نمی‌کند.

کاربرد ترمیستور چیست؟

• مقاومت‌های حرارتی جمع‌وجور هستند؛ بنابراین می‌توان از آن به‌عنوان سنسور دما در دماسنج‌های دیجیتال یا ترموستات‌ها استفاده کرد.
• در صنعت خودرو برای اندازه‌گیری دمای مایع خنک‌کننده و روغن در کامیون‌ها و خودروها می‌توان از آنها استفاده کرد.
• از مقاومت حرارتی برای افزایش یا کاهش مقدار حرارت موردنیاز در لوازم‌خانگی استفاده می‌کنند.
• برای محافظت از مدارها از اثر اضافه‌بار که حاصل افزایش مقدار مقاومت است، از ترمیستور استفاده می‌شود. ازاین‌رو ترمیستورها به‌عنوان محافظ مدار نیز عمل می‌کنند.
• در باتری‌های شارژی و مدارهای دستگاه الکترونیکی از مقاومت حرارتی استفاده می‌شود.
• ولتاژ خروجی آنالوگ در پاسخ به تغییرات دمای محیط تولید می‌شود.
• مانیتورینگ دما در سیستم‌های هواشناسی، لباس‌شویی، ظرف‌شویی، پرینتر سه‌بعدی و …است.

مزایای استفاده از ترمیستور

• اندازه کوچک آن‌ها باعث می‌شود تا جای کمی اشغال کنند.
• امکان تولید بیشتر و هزینه ساخت کمتر باعث می‌شود تا مقرون‌به‌صرفه باشند.
• ترمیستورهای NTC حساسیت فوق‌العاده‌ای دارند. از خالص‌ترین مواد برای ایجاد این حساسیت استفاده شده است.
• واکنش سریع و مناسبی در برابر کوچک‌ترین تغییرات دمایی از خود نشان می‌دهند.

معایب ترمیستورها

• مقاومت آن‌ها نسبت به ویژگی‌های دمایی، غیرخطی است.
• برخی از ترمیستورها تحمل تغییرات بالای دمایی را که لازمهٔ برخی موتورهاست، ندارند.
• برای اتصال بهتر به زمین، نیازمند خطوط برق محافظ بهتری هستند.
• به یک جریان تحریک، یا منبع ولتاژ نیاز دارند. ترمیستورها با تغییرات دما، مقدار مقاومت را تغییر می‌دهند و برای شرایطی مناسب هستند که در آن یک دمای خاص باید حفظ شود، چرا که به تغییرات کوچک دما حساس هستند. ترمیستورها می‌توانند مایع، گاز یا جامد را بسته به نوع ترمیستور اندازه‌گیری کنند.

معیارهای مهم هنگام انتخاب و خرید ترمیستور

وقتی با هزاران نوع ترمیستور روبرو می‌شوید، انتخاب بسیار دشوار است. در این مقاله فنی، برخی از پارامترهای مهم را به شما معرفی می‌کنیم که باید هنگام انتخاب ترمیستور به‌خاطر بسپارید، به‌ویژه هنگام تصمیم‌گیری بین دو نوع ترمیستور که معمولاً برای سنجش دما استفاده می‌شود. ترمیستورهای NTC به دلیل کم‌هزینه‌بودن بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرند؛ اما در دمای شدید دقت کمی را ارائه می‌دهند. ترمیستورهای خطی مبتنی بر سیلیکون عملکرد بهتری و دقت بالاتری را در محدوده دمایی گسترده‌تری ارائه می‌دهند، اما معمولاً گران‌ترند. دیگر ترمیستورهای خطی موجود در بازار گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه و با کارایی بالا را ارائه می‌دهند که به شما کمک می‌کند تا طیف وسیعی از نیازهای سنجش دما را بدون افزایش هزینه کلی محلول برطرف کنید. معیارهای مهم هنگام خرید ترمیستور به صورت زیر است:

1- هزینه

ترمیستور قطعه ارزانی است، اما ممکن است هزینه‌های جانبی را به سیستم تحمیل کنند. ازآنجاکه این قطعات گسسته هستند، می‌توان افت ولتاژ را با استفاده از مدارهای اضافی تغییر داد. به‌عنوان‌مثال، اگر از ترمیستور NTC غیرخطی استفاده می‌کنید و می‌خواهید ولتاژ به صورت خطی روی دستگاه افت کند، می‌توانید مقاومت‌های اضافی را برای کمک به این ویژگی اضافه کنید. بااین‌حال، گزینه دیگری برای کاهش BOM و هزینه‌های کل محلول، استفاده از یک ترمیستور خطی است که خود افت ولتاژ موردنظر را تأمین کند. این بدان معنی است که مهندسان می‌توانند طراحی را ساده کنند، هزینه‌های سیستم را کاهش دهند و اندازه طرح مدارهای چاپی (PCBS) را حداقل ۳۳٪ کاهش دهند.

2- تحمل مقاومت

ترمیستورها باتوجه‌به میزان مقاومت در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد طبقه‌بندی می‌شوند، اما این به طور کامل نحوه تغییر آنها را با دما در نظر نمی‌گیرد. می‌توانید از مقاومت دستگاه در ابزار طراحی یا برگه داده با حداقل مقاومت و حداکثر مقادیر مقاومت برای محاسبه تحمل مربوط به یک محدوده دمایی خاص استفاده کنید. 

3- حساسیت

تغییرات زیاد در مقاومت (حساسیت) در هر درجه سانتیگراد تنها یکی از مشکلات این قطعه است. بااین‌حال، حساسیت بیشتر کمکی نخواهد کرد مگر اینکه با کالیبراسیون یا انتخاب یک ترمیستور با تحمل مقاومت کم، مقدار مقاومت صحیح را در نرم‌افزار به دست آورید. مقاومت NTC در دمای پایین به دلیل کاهش نمایی مقاومت بسیار حساس است، اما با افزایش دما حساسیت به‌شدت کاهش می‌یابد. ترمیستورهای خطی مبتنی بر سیلیکون به‌اندازه NTC حساس نیستند، بنابراین امکان اندازه‌گیری پایدار را در کل دامنه دما فراهم می‌کنند. با افزایش دما، حساسیت ترمیستورهای خطی مبتنی بر سیلیکون به‌طورکلی از NTC در حدود ۶۰ درجه سانتیگراد فراتر می‌رود.

4- خود گرمایش و رانش سنسور

ترمیستورها انرژی را به‌صورت گرما پراکنده می‌کنند که این بر دقت اندازه‌گیری آنها تأثیر می‌گذارد. مقدار گرمای ساطع شده به پارامترهای مختلفی از جمله ترکیب ماده و جریان عبوری از دستگاه بستگی دارد.  رانش سنسور به مقدار ترمیستوری گفته می‌شود که باگذشت زمان حرکت می‌کند و معمولاً در صفحه داده با استفاده از یک تست عمر شتاب داده شده با درصد تغییر در مقدار مقاومت مشخص می‌شود. اگر برنامه شما به عمر طولانی و حساسیت و دقت مداوم نیاز دارد، یک ترمیستور را با خود گرمایش کم و رانش سنسور کوچک انتخاب کنید.

کاربرد ترمیستور چیست؟

ترمیستورها به عنوان سنسور دما استفاده می‌شوند. این قطعه را می‌توان در وسایل خانگی و صنعتی مانند سیستم اعلام حریق، اجاق گاز و یخچال مشاهده کرد. همچنین در دماسنج‌های دیجیتال و در بسیاری از قطعات خودرو برای اندازه گیری دما استفاده می‌شوند. ترمیستورهای NTC رایج‌ترین نوع هستند. مشخصه بارز این است که مقاومت آن با افزایش دما کاهش می‌یابد. برخی از کاربردهای صنعتی‌تر ترمیستورها شامل کاربردهایی در الکترونیک صنعتی، تجهیزات پزشکی، حمل و نقل، پردازش مواد غذایی، هوا فضا، ارتباطات و ابزار دقیق است.

ترمیستور یخچال چیست؟

ترمیستور یخچال دمای هوای یخچال را اندازه گیری می‌کند و فرآیندهای تنظیم دما را امکان پذیر می‌کند. اگر یخچال به خوبی خنک نمی‌شود، ممکن است ترمیستور یخچال خراب شده باشد. هنگامی که یک ترمیستور از کار می‌افتد، دما را اشتباه نمایش می‌دهد، یا نوسانات دمایی عجیبی را در خروجی ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، ممکن است در ابتدا 210 درجه را نشان دهد و سپس دما به 189 درجه کاهش یافته و دوباره افزایش یابد.

تفاوت ترمیستور و RTD چیست؟

در حالی که برخی از RTDها می‌توانند تا 600 درجه سانتیگراد را اندازه گیری کنند، ترمیستورها فقط تا 130 درجه سانتیگراد را می‌توانند اندازه گیری کنند. اگر سیستم شما شامل دمای بالاتر از 130 درجه سانتیگراد است، تنها گزینه شما RTD است. (منبع)

نوع سنسور	ترمیستور	RTD
محدوده اندازه گیری دما	منفی 100 تا 130 درجه سانتی‌گراد	منفی 200 تا 625 درجه سانتی‌گراد
دقت	0.05 تا 1.5درجه سانتی‌گراد	0.1 تا 1 درجه سانتی‌گراد
خطی بودن	نمایی	تقریباً خطی
نوع برق	جریان یا ولتاژ ثابت	جریان یا ولتاژ ثابت
مدت زمان پاسخ‌گویی	سریع 0.12 تا 10 ثانیه	معمولی 1 تا 50 ثانیه
حساسیت به نویز الکتریکی	حساسیت کم در مقاومت بالا	حساسیت خیلی کم
قیمت	ارزان	گران