Termistör

Termistör, sıcaklıktaki değişikliklere maruz kaldığında fiziksel direncini değiştiren özel bir değişken dirençli eleman türüdür.

Termistör, bir elektrik direnci gibi davranan, ancak sıcaklığa duyarlı olan katı hal sıcaklık algılama cihazıdır. Termistörler, ortam sıcaklığındaki değişimlere sahip bir analog çıkış voltajı üretmek için kullanılabilir ve bu nedenle bir dönüştürücü olarak adlandırılabilir. Bunun nedeni, ısıdaki harici ve fiziksel bir değişiklik nedeniyle elektriksel özelliklerinde bir değişiklik yaratmasıdır.

Termistör temel olarak, seramik disk veya boncuk şeklinde oluşturulmuş metalize veya sinterlenmiş bağlantı uçları ile hassas yarı iletken bazlı metal oksitler kullanılarak yapılan iki terminalli katı hal termal olarak hassas bir dönüştürücüdür.

Bu, termistörün ortam sıcaklığındaki küçük değişikliklerle orantılı olarak direnç değerini değiştirmesine izin verir. Başka bir deyişle, sıcaklığı değiştikçe direnci de değişir ve bu nedenle adı “Termistör” THERM-ally res-ISTOR kelimelerinin birleşimidir.

Standart dirençlerde ısı nedeniyle dirençteki değişiklik genellikle istenmeyen bir durum olsa da, bu etki birçok sıcaklık algılama devresinde iyi bir şekilde kullanılabilir. Bu nedenle, doğrusal olmayan değişken dirençli cihazlar olan termistörler, hem sıvıların hem de ortam havasının sıcaklığını ölçmek için birçok uygulamaya sahip sıcaklık sensörleri olarak yaygın olarak kullanılır.

Ayrıca, son derece hassas metal oksitlerden yapılmış bir katı hal cihazı olarak, en dıştaki (değerlik) elektronların daha aktif hale gelmesiyle moleküler düzeyde çalışırlar, negatif bir sıcaklık katsayısı üretirler veya daha az aktif hale gelirler, termistörün sıcaklığı olarak pozitif bir sıcaklık katsayısı üretirler.

Bu, 200 o C’ye kadar sıcaklıklarda çalışmasına izin veren sıcaklık özelliklerine karşı çok iyi bir dirence sahip oldukları anlamına gelir .

termistör

Termistörlerin temel kullanımı dirençli sıcaklık sensörleri olsa da, aralarından geçen bir elektrik akımını kontrol etmek için başka bir bileşen veya cihaz ile seri olarak bağlanabilirler. Başka bir deyişle, termal olarak hassas akım sınırlayıcı cihazlar olarak kullanılabilirler.

Termistörler, tepki süreleri ve çalışma sıcaklıkları ile karakterize edilen çok çeşitli tip, malzeme ve boyutlarda mevcuttur. Ayrıca, hermetik olarak kapatılmış termistörler, yüksek çalışma sıcaklıkları ve kompakt bir boyut sunarken nem penetrasyonu nedeniyle direnç okumalarındaki hataları ortadan kaldırır. En yaygın üç tür şunlardır: Boncuk termistörler, Disk termistörler ve Cam kapsüllü termistörler.

Bu ısıya bağlı dirençler, sıcaklıktaki değişikliklerle direnç değerlerini artırarak veya azaltarak iki yoldan biriyle çalışabilir. O zaman iki tip termistör mevcuttur: direncin negatif sıcaklık katsayısı (NTC) ve direncin pozitif sıcaklık katsayısı (PTC).

Negatif Sıcaklık Katsayısı Termistör (NTC)

Direnç termistörlerinin negatif sıcaklık katsayısı veya kısaca NTC termistörler, çevrelerindeki çalışma sıcaklığı arttıkça direnç değerlerini azaltır. Genel olarak, NTC termistörleri, sıcaklığın rol oynadığı hemen hemen her tür ekipmanda kullanılabildikleri için en yaygın kullanılan sıcaklık sensörleridir.

NTC sıcaklık termistörleri, sıcaklık (R/T) ilişkisine karşı negatif bir elektrik direncine sahiptir. Bir NTC termistörünün nispeten büyük negatif yanıtı, sıcaklıktaki küçük değişikliklerin bile elektrik dirençlerinde önemli değişikliklere neden olabileceği anlamına gelir. Bu, onları doğru sıcaklık ölçümü ve kontrolü için ideal hale getirir.

Daha önce bir termistörün, direnci büyük ölçüde sıcaklığa bağlı olan bir elektronik bileşen olduğunu söylemiştik, bu nedenle termistörden sabit bir akım gönderir ve ardından üzerindeki voltaj düşüşünü ölçersek, böylece belirli bir sıcaklıkta direncini belirleyebiliriz.

Bir NTC termistörü, sıcaklıktaki artışla direncini azaltır ve çeşitli taban dirençleri ve sıcaklık eğrilerinde mevcuttur. NTC termistörleri, uygun bir referans noktası sağladığı için genellikle 25 o C (77 o F) olan oda sıcaklığındaki baz dirençleriyle karakterize edilir, örneğin: 25 ° C’de 2k2Ω.

Bir termistörün bir diğer önemli özelliği de “B” değeridir. B değeri yapıldığı seramik malzeme ile belirlenen bir madde sabittir. iki sıcaklık noktası arasındaki belirli bir sıcaklık aralığında direnç (R/T) eğrisinin gradyanını tanımlar. Her termistör malzemesi farklı bir malzeme sabitine ve dolayısıyla sıcaklık eğrisine karşı farklı bir dirence sahip olacaktır.

Böylece B değeri, T1 adı verilen birinci sıcaklık veya taban noktasındaki (genellikle 25oc olan) termistörlerin dirençli değerini ve T2 adı verilen ikinci bir sıcaklık noktasındaki (örneğin 100oC) termistörlerin dirençli değerini tanımlayacaktır.

Bu nedenle B değeri, T1 ve T2 aralığı arasındaki termistörlerin malzeme sabitini tanımlayacaktır. Bu, yaklaşık 3000 ila yaklaşık 5000 arasında herhangi bir yerde verilen tipik NTC termistör için şu B değerlerine sahiptir: BT1/T2 veya b25/100’dür.

Bununla birlikte, hem T1 hem de T2 sıcaklık noktalarının, 00C = 273.15 Kelvin olan Kelvin sıcaklık birimlerinde hesaplandığını unutmayın. Böylece 25oc değeri 25o + 273.15 = 298.15 K’ye eşittir ve 100oC 100o + 273.15 = 373.15 k’ye eşittir.

Bu nedenle, belirli bir termistörün (üreticilerin veri sayfasından elde edilen) B değerini bilerek, aşağıdaki normalleştirilmiş denklemi kullanarak uygun bir grafik oluşturmak için bir sıcaklık ve direnç tablosu üretmek mümkündür:

Termistör Denklemi

termistör
  • Burada:
  • 1 , Kelvin cinsinden ilk sıcaklık noktasıdır
  • 2 , Kelvin cinsinden ikinci sıcaklık noktasıdır
  • 1 , Ohm cinsinden T1 sıcaklığındaki termistör direncidir
  • 2 , Ohm cinsinden T2 sıcaklığındaki termistör direncidir

Termistör Soru Örneği 1

10kΩ NTC termistör, 25oC ve 100oC sıcaklık arasında 3455 “B ” değerine sahiptir. Dirençli değerini 25oc’de ve tekrar 100oc’de hesaplayın.

Verilen veriler: 25o‘C da B = 3455, R1 = 10kΩ. sıcaklık ölçeğini santigrat dereceden kelvin dereceye dönüştürmek için matematiksel sabiti 273.15 ekleyelim.

R1 değeri zaten 10kΩ taban direnci olarak verilmiştir, bu nedenle 100oc’deki R2 değeri şu şekilde hesaplanır::

termistör

Aşağıdaki iki nokta karakteristik grafiğini vererek:

termistör

Bu basit örnekte sadece iki noktanın bulunduğunu, ancak genellikle termistörlerin sıcaklıktaki değişikliklerle dirençlerini üstel olarak değiştirdiğini ve bu nedenle karakteristik eğrilerinin doğrusal olmadığını, dolayısıyla daha fazla sıcaklık noktasının hesaplanmasının eğrinin daha doğru olacağını unutmayın.

Sıcaklık ( o C)10202530405060708090100110120
Direnç (Ω)1847612185100008260574040802960218816451257973765608

ve bu noktalar, B değeri 3455 olan 10kΩ NTC Termistör için daha doğru bir karakteristik eğrisi vermek üzere gösterildiği gibi çizilebilir.

NTC Termistör Özellikleri Eğrisi

termistör

Negatif bir sıcaklık katsayısına (NTC) sahip olduğuna, yani artan sıcaklıklarla direncinin azaldığına dikkat edin.

Sıcaklığı Ölçmek İçin Termistör Kullanma

Ohm yasasına göre, üzerinden bir akım geçirirsek, üzerinde bir voltaj düşüşü üretilecektir. Bir termistör pasif bir sensör tipi olduğundan, yani çalışması için bir uyarma sinyali gerektirdiğinden, sıcaklıktaki değişikliklerin bir sonucu olarak direncindeki herhangi bir değişiklik voltaj değişikliğine dönüştürülebilir.

termistör

Bunu yapmanın en basit yolu, termistörü gösterildiği gibi potansiyel bir bölücü devrenin parçası olarak kullanmaktır. Direnç ve termistör serisi devre boyunca, termistör boyunca ölçülen çıkış gerilimi ile sabit bir besleme gerilimi uygulanır.

Örneğin, seri direnci 10kΩ olan bir 10kΩ termistör kullanırsak, 25 o C taban sıcaklığındaki çıkış voltajı 10Ω/(10Ω+10Ω) = 0,5 olarak besleme voltajının yarısı olacaktır.

Sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle termistörün direnci değiştiğinde, termistör boyunca besleme voltajının oranı da değişecek ve çıkış terminalleri arasındaki toplam seri direncin kesriyle orantılı bir çıkış voltajı üretecektir.

Bu nedenle potansiyel bölücü devre, termistörün direncinin sıcaklıkla kontrol edildiği, üretilen çıkış voltajının sıcaklıkla orantılı olduğu basit bir voltaj dönüştürücü direncinin bir örneğidir. Böylece termistör ne kadar sıcak olursa, çıkış voltajı o kadar düşük olur.

Seri direnç R S ve termistör R TH konumlarını tersine çevirirsek, çıkış voltajı ters yönde değişecektir, yani termistör ne kadar sıcak olursa, çıkış voltajı o kadar yüksek olur.

termistör

NTC termistörlerini, gösterildiği gibi bir köprü devresi kullanarak temel sıcaklık algılama konfigürasyonunun bir parçası olarak kullanabiliriz. Dirençleri arasındaki ilişki R 1 ve R 2 setleri referans voltajı, V REF istenen değere. R1 her ikisi de, örneğin ve R 2 aynı direnç değeri vardır, referans gerilimi daha önce olduğu gibi besleme geriliminin yarısına eşit olacaktır. Bu Vs/2’dir.

Sıcaklık ve dolayısıyla termistörün direnç değeri değiştikçe, V TH’deki voltaj da değişecek, bağlı amplifikatöre pozitif veya negatif bir çıkış sinyali üreterek V REF‘dekinden daha yüksek veya daha düşük olacaktır.

Bu temel sıcaklık algılama köprü devresi için kullanılan amplifikatör devresi, yüksek hassasiyet ve amplifikasyon için bir diferansiyel amplifikatör veya AÇIK-KAPALI geçiş için basit bir Schmitt tetikleme devresi olarak işlev görebilir.

Bir termistörden bu şekilde bir akım geçirmenin sorunu, termistörlerin kendi kendine ısınma etkisi denen şeyi deneyimlemesidir, yani I 2 *R güç kaybı, termistörün dağıtabileceğinden daha fazla ısı oluşturmaya yetecek kadar yüksek olabilir, yanlış sonuçlar üreten direnç değerini etkiler.

Bu nedenle, termistörden geçen akımın çok yüksek olması durumunda, güç kaybının artmasıyla sonuçlanması ve sıcaklık arttıkça direncinin azalması ve daha fazla akımın akmasına neden olması mümkündür, bu da sıcaklığı daha da artırır ve Termal Kaçak olarak bilinen duruma neden olur . Başka bir deyişle, ölçülen dış sıcaklık nedeniyle termistörün ısınmasını ve kendi kendine ısınmamasını istiyoruz.

Seri direnç değeri, yukarıdaki R S değeri , termistörün kullanılması muhtemel olan beklenen sıcaklık aralığı üzerinde makul ölçüde geniş bir yanıt sağlamak ve aynı zamanda akımı en yüksek sıcaklıkta güvenli bir değerle sınırlandırmak için seçilmelidir.

Bunu iyileştirmenin ve sıcaklığa karşı direncin (R/T) daha doğru bir şekilde dönüştürülmesinin bir yolu, termistörü sabit bir akım kaynağı ile sürmektir. Dirençteki değişiklik, üretilen çıkış voltajı düşüşünü ölçmek için termistörden geçen küçük ve ölçülen bir doğru akım veya DC kullanılarak ölçülebilir.

Kalkış Akımını Bastırma İçin Kullanılan Termistör

Burada termistörlerin dirençli sıcaklığa duyarlı dönüştürücüler olarak kullanıldığını gördük, ancak bir termistörün direnci, dış sıcaklık değişiklikleriyle veya içinden geçen bir elektrik akımının neden olduğu sıcaklıktaki değişikliklerle değiştirilebilir, sonuçta bunlar dirençli cihazlardır.

Ohm Yasası bize, bir elektrik akımı R direncinden geçtiğinde, uygulanan voltajın bir sonucu olarak, I 2 *R ısıtma etkisi nedeniyle gücün ısı şeklinde tüketildiğini söyler. Bir termistördeki akımın kendi kendini ısıtma etkisi nedeniyle, bir termistör akımdaki değişikliklerle direncini değiştirebilir.

Motorlar, transformatörler, balast aydınlatması vb. gibi endüktif elektrikli ekipmanlar, ilk “AÇIK” konuma getirildiklerinde aşırı ani akımlara maruz kalırlar. Ancak seri bağlı termistörler, herhangi bir yüksek başlangıç ​​akımını güvenli bir değere etkin bir şekilde sınırlamak için de kullanılabilir. Bu tür akım düzenlemesi için genellikle düşük soğuk direnç değerlerine (25 o C’de) sahip NTC termistörleri kullanılır.

Kalkış Akımı Sınırlayıcı Termistör

termistör

Ani akım baskılayıcılar ve aşırı gerilim sınırlayıcılar, içinden geçen yük akımı ile ısıtıldığı için direnci çok düşük bir değere düşen seri bağlı termistör tipleridir. İlk çalıştırmada, termistörlerin soğuk direnç değeri (temel direnci), yüke ilk ani akımı kontrol ederek oldukça yüksektir.

Yük akımının bir sonucu olarak, termistör ısınır ve direncini, yük boyunca geliştirilen uygulanan voltajın çoğu ile düşük direnç değerini korumak için yeterli olana kadar nispeten yavaş bir şekilde azaltır.

Kütlesinin termal ataleti nedeniyle, bu ısıtma etkisi birkaç saniye sürer, bu sırada yük akımı bir anda değil de kademeli olarak artar, bu nedenle herhangi bir yüksek ani akım kısıtlanır ve buna bağlı olarak çektiği güç azalır. Bu termal etki nedeniyle, ani akım bastırma termistörleri bu nedenle düşük dirençli durumlarında çok sıcak çalışabilir. Bu nedenle, güç kesildiğinde bir soğuma veya toparlanma periyodu gerektirir, böylece NTC termistörünün direncinin, bir dahaki sefere ihtiyaç duyulduğunda yeterince hazır hale gelmesine izin verilir.

Akım sınırlama termistörünün tepki hızı, zaman sabiti ile verilir. Yani, toplam değişimin %63’ü (yani 1’den 1/ε’ye) kadar değişime karşı direnci için geçen süre. Örneğin, ortam sıcaklığının 0’dan 100 o C’ye değiştiğini varsayalım, o zaman %63 zaman sabiti, termistörün 63 o C’de direnç değerine sahip olması için geçen süre olacaktır.

NTC termistörleri, yüke güç sağlayan sürekli çalışma sırasında dirençleri ihmal edilebilecek kadar düşük kalırken, istenmeyen yüksek ani akımlardan koruma sağlar. Buradaki avantaj, aynı güç tüketimine sahip standart sabit akım sınırlama dirençlerinden çok daha yüksek ani akımları etkin bir şekilde işleyebilmeleridir.

Termistör Özeti

Burada, bir termistör, çevredeki ortam sıcaklığındaki değişikliklerle direnç değerini değiştirebilen iki terminalli dirençli bir dönüştürücüdür, dolayısıyla termal direnç veya basitçe “termistör” olarak adlandırılır.

Termistörler, yarı iletken metal oksitler kullanılarak yapılan ucuz, kolay elde edilebilir sıcaklık sensörleridir. Negatif sıcaklık katsayısı, (NTC) direnç veya pozitif sıcaklık katsayısı (PTC) direnç ile mevcutturlar. Aradaki fark, NTC termistörlerin sıcaklık arttıkça dirençlerini düşürmeleri, PTC termistörlerin ise sıcaklık arttıkça dirençlerini artırmalarıdır.

NTC termistör en yaygın olarak kullanılan (özellikle de 10KΩ NTC) ve ilave bir seri direnç ile birlikte, R, S , basit bir potansiyel bölücü devresinin bir bölümü olarak kullanılabilir. Böylece sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle direncindeki değişiklikler, sıcaklığa bağlı bir çıkış voltajı üretir.

Ancak, kendi kendine ısınma etkilerini azaltmak için termistörün çalışma akımı mümkün olduğunca düşük tutulmalıdır. Çalışma akımları çok yüksekse, dağıtabileceklerinden daha hızlı ısınarak yanlış sonuçlar doğurabilirler.

Termistörlerin, bir dış sıcaklığı ölçmek için kullanılmasının yanı sıra, içinden geçen akımın neden olduğu I 2 R ısıtma etkisinin bir sonucu olarak bir elektrik akımını kontrol etmek için de kullanılabileceğini gördük. Bir NTC termistörünü bir yüke seri bağlayarak, herhangi bir yüksek ani akımları etkin bir şekilde sınırlamak mümkündür.