در زمینه مهندسی الکترونیک، اندازه گیری و کنترل دمای بسیار مهم است.به عنوان دستگاه های سنجش دمای فشرده و کارآمداما دقیقاً چگونه ترمیستورهای NTC به سنجش دما دست می یابند؟ چه ویژگی های عملکردی منحصر به فرد دارند؟و چگونه مهندسان باید ترمیستورهای NTC را انتخاب و بهینه سازی کنند تا نیازهای کاربردی متنوع را برآورده کننداین مقاله تجزیه و تحلیل عمیق از تکنولوژی ترمستور NTC، ویژگی های کلیدی و ملاحظات عملی را ارائه می دهد و یک راهنمای فنی جامع برای مهندسان و محققان ارائه می دهد.

1ترمیستورهای NTC: هسته ی سنجش دما

ترمیستورهای NTC مقاومت های نیمه هادی تخصصی هستند که ویژگی تعریف آنها کاهش قابل توجهی در مقاومت با افزایش دمای است.این حساسیت درجه حرارت منحصر به فرد ناشی از ترکیب مواد و مکانیسم های فیزیکی آنهاستترمیستورهای NTC که معمولاً از مواد سرامیکی نیمه هادی پلی کریستال با ساختار اسپینل ساخته می شوند، عمدتاً از اکسید فلز مانند منگنز، نیکل، کوبالت، آهن،و مس.

برخلاف هدايت كننده هاي فلزي معمولي كه در آن مقاومت الكتري از ارتعاشات اتمي كه حركت آزاد الکترون ها را مانع مي كند، بوجود ميايد،ترمیستورهای NTC بر روی مکانیسم "رسانش پرش" که شامل الکترون های آزاد و جفت سوراخ است کار می کنندبا افزایش دما، غلظت این حامل های شارژ در داخل ماده افزایش می یابد، افزایش جریان شارژ و در نتیجه کاهش مقاومت.این مکانیسم هدایت را می توان از طریق نظریه باند توضیح داد، که رابطه ذاتی بین ساختار الکترونیکی یک ماده و خواص رسانا آن را نشان می دهد.

با کنترل دقیق ترکیب مواد و فرآیندهای تولید، مهندسان می توانند ویژگی های دمایی ترمیستورهای NTC را برای پاسخگویی به الزامات کاربردی خاص تنظیم کنند.

2ویژگی های کلیدی ترمیستورهای NTC

تغییرات مقاومت در ترمیستورهای NTC تحت تأثیر هر دو درجه حرارت محیط و اثرات خود گرم کردن است. درجه حرارت محیط به تمام منابع حرارتی خارجی اشاره دارد،در حالی که خود گرم شدن حاصل از گرم کردن ژول زمانی که جریان از طریق ترمیستور عبور می کندتجزیه و تحلیل ویژگی های ترمیستور NTC به طور معمول بین شرایط "بدون بار" و "بار" تمایز می گذارد.

2.1 ویژگی های ترمیستور NTC بدون بار

در شرایط بدون بار که خود گرم شدن ناچیز است، رفتار ترمستور NTC عمدتاً توسط خواص مواد و دمای محیط تعیین می شود.

2.1.1 ویژگی های مقاومت دمایی (R/T)

رابطه بین مقاومت ترمیستور NTC و دمای مطلق را می توان با یک تابع نمایی نزدیک کرد:

کجا:

• R₁: مقاومت (Ω) در دمای T₁(ک)
• R₂: مقاومت مرجع (Ω) در دمای T₂(ک)
• B: ثابت ماده (K)

در حالی که این معادله یک تقریب ریاضی ارائه می دهد،کاربردهای عملی معمولاً از جداول R / T جامع استفاده می کنند که مقادیر مقاومت دقیق را در کل محدوده دمای عملیاتی مشخص می کنند، که دقت بیشتری نسبت به فرمول ساده ای دارد.

2.1.2 ارزش B

مقدار B پارامتر مهمی است که نشان دهنده شیب منحنی مقاومت-درجه حرارت است و نشان می دهد که مقاومت به تغییرات دمایی چقدر حساس است.,محاسبه می شود:

از آنجا که مدل نمایی یک تقریب است، ارزش B کاملا ثابت نیست اما در محدوده های دمایی کمی متفاوت است._25/85محدوده دمایی (در این مورد 25°C تا 85°C) که برای آن مقدار B محاسبه می شود را مشخص می کند.

مواد رایج NTC دارای مقادیر B هستند که معمولاً از 3000K تا 5000K است. انتخاب بستگی به نیازهای برنامه دارد و شامل تعادل مقاومت اسمی با محدودیت های دیگر است.از آنجا که همه مقادیر B برای هر نوع بسته NTC مناسب نیستند.

2.1.3 ضریب دمای

ضریب دمای (α) نرخ نسبی تغییر مقاومت با دمای را تعریف می کند:

این ضریب به طور معمول منفی است و رفتار NTC را منعکس می کند.مقدار آن به طور مستقیم بر حساسیت اندازه گیری دمای تاثیر می گذارد.

2.1.4 تحمل

تحمل، انحراف مجاز از مقادیر مقاومت اسمی را مشخص می کند که معمولاً در 25 درجه سانتیگراد اشاره می شود (اگرچه ممکن است دمای دیگری نیز مشخص شود).تحمل مقاومت کلی در یک دمای داده شده هم تحمل مقاومت مرجع و هم تغییر ارزش B را در نظر می گیرد.

تحمل دمایی را می توان به صورت زیر بدست آورد:

برای اندازه گیری دقیق، جدول های استاندارد R / T در مقایسه با محاسبات ساده توصیه می شود.

2.2 ویژگی های بار الکتریکی

2.2.1 ثابت دفع حرارتی (δ_در)

هنگامی که جریان از طریق ترمیستور جریان می یابد، گرمایش ژول باعث خود گرم شدن می شود که توسط:

پس:

در mW/K بیان شده، δ_درنشان دهنده قدرت مورد نیاز برای افزایش دمای ترمیستور با 1K است. مقادیر بالاتر به معنای انتشار بهتر گرما به محیط زیست است.توجه داشته باشید که ویژگی های حرارتی منتشر شده به طور معمول شرایط هوای ثابت را فرض می کنند محیط های مختلف یا پردازش پس از تولید ممکن است این مقادیر را تغییر دهد..

2.2.2 ویژگی های ولتاژ / جریان

در شرایط برق ثابت، دمای ترمیستور در ابتدا به شدت افزایش می یابد قبل از اینکه زمانی که توان از بین رفتن تولید گرما را متعادل می کند، ثبات یابد.رابطه ولتاژ و جریان در تعادل حرارتی این است::

یا

نمودار ولتاژ در برابر جریان در دمای ثابت چهار منطقه مشخص را نشان می دهد:

1. منطقه خطی با خود گرم کردن ناچیز (تطبيقات سنجش دما)
2. افزایش غیرخطی به حداکثر ولتاژ
3. نقطه اوج ولتاژ
4. منطقه مقاومت منفی (در برنامه های محدودی جریان یا سنجش سطح مایع استفاده می شود)

2.2.3 حداکثر قدرت (P)₂₅)

P₂₅حداکثر قدرت را نشان می دهد که ترمیستور می تواند در 25 درجه سانتیگراد در هوای آرام تحمل کند. کار در این سطح دستگاه را در منطقه خود گرم می کند،که به طور کلی باید از آن اجتناب شود مگر اینکه درخواست به طور خاص آن را مورد نیاز داشته باشد..

2.2ثابت زمان حرارتی (τ)

هنگامی که یک سنسور دما در T₁در محیط T قرار می گیرد.₂، دمای آن به صورت نمایی تغییر می کند:

ثابت زمان τ (Tau 63.2) به عنوان زمان مورد نیاز برای رخ دادن 63.2٪ از کل تغییرات دمایی تعریف می شود. این پارامتر به طور قابل توجهی به:

• طراحی سنسور (مواد، مونتاژ)
• روش نصب (تعویض روی سطح، غوطه ور شدن)
• محیط زیست (جريان هوا، مایع)