Τι είναι ένα Thermistor?

Τι είναι ένα Thermistor;

Ορισμός Thermistor

Ένα thermistor (ή θερμοδιάνυστης) ορίζεται ως διάνυστης του οποίου η ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται σημαντικά με τις αλλαγές της θερμοκρασίας.

Τα thermistors λειτουργούν ως ενεργό στοιχείο σε έναν κύκλωμα. Είναι ένα ακριβές, φθηνό και ανθεκτικό τρόπο μέτρησης της θερμοκρασίας.

Παρόλο που τα thermistors δεν είναι αποτελεσματικά σε ακραίες θερμοκρασίες, είναι τα προτιμώμενα αισθητήρια για πολλές εφαρμογές.

Τα thermistors είναι ιδανικά όταν απαιτείται ακριβής μέτρηση θερμοκρασίας. Το σύμβολο κυκλώματος για ένα thermistor είναι το εξής:

Χρήσεις Thermistors

Τα thermistors έχουν πολλές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται ευρέως ως τρόπος μέτρησης της θερμοκρασίας ως θερμομετρητής thermistor σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα υγρών και ατμοσφαιρικού αέρα. Μερικές από τις πιο κοινές εφαρμογές των thermistors περιλαμβάνουν:

• Ψηφιακοί θερμομετρητές (θερμοστάτες)

• Αυτοκινητοστικές εφαρμογές (για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του λάδιου και του ψυκτικού υγρού σε αυτοκίνητα & φορτηγά)

• Συσκευές οικιακής χρήσης (όπως μικροκυματικές, ψυγεία και φούρνοι)

• Προστασία κυκλωμάτων (π.χ. προστασία από σημεία)

• Επαναφορτίσιμα μπαταρίες (για να εξασφαλίζεται η σωστή θερμοκρασία της μπαταρίας)

• Μέτρηση της θερμοκατανομής ηλεκτρικών υλικών

• Χρήσιμα σε πολλά βασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα (π.χ. ως μέρος ενός αρχικού starter kit Arduino)

• Επαναφορά θερμοκρασίας (δηλαδή διατήρηση αντίστασης για την επαναφορά των επιπτώσεων που προκαλούνται από αλλαγές της θερμοκρασίας σε άλλο μέρος του κυκλώματος)

• Χρήση σε κύκλωμα Wheatstone

Λειτουργικό Αρχή

Η λειτουργική αρχή ενός thermistor είναι ότι η αντίστασή του εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Μπορούμε να μετρήσουμε την αντίσταση ενός thermistor με τη χρήση ενός οχμομέτρου.

Κατανοώντας πώς οι αλλαγές της θερμοκρασίας επηρεάζουν την αντίσταση ενός thermistor, μπορούμε να μετρήσουμε την αντίστασή του για να καθορίσουμε τη θερμοκρασία.

Πόσο μεταβάλλεται η αντίσταση εξαρτάται από το είδος υλικού που χρησιμοποιείται στο thermistor. Η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και της αντίστασης ενός thermistor είναι μη γραμμική. Ένα συνηθισμένο γράφημα thermistor είναι το εξής:

Εάν είχαμε ένα thermistor με το παραπάνω γράφημα θερμοκρασίας, θα μπορούσαμε απλά να συγκεντρώσουμε την αντίσταση που μετρήθηκε από το οχμομέτρο με τη θερμοκρασία που δείχνει το γράφημα.

Σχεδιάζοντας ένα οριζόντιο ευθύγραμμο από την αντίσταση στον άξονα y και ένα κάθετο ευθύγραμμο από το σημείο που αυτό το οριζόντιο ευθύγραμμο τέμνει το γράφημα, μπορούμε να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία του thermistor.

Τύποι Thermistors

Υπάρχουν δύο τύποι thermistors:

• Thermistor με Αρνητικό Συντελεστή Θερμοκρασίας (NTC)

• Thermistor με Θετικό Συντελεστή Θερμοκρασίας (PTC)

NTC Thermistor

Σε ένα NTC thermistor, η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, και αντίστροφα. Αυτή η αντίστροφη σχέση κάνει τα NTC thermistors τον πιο κοινό τύπο.

Η σχέση μεταξύ αντίστασης και θερμοκρασίας σε ένα NTC thermistor ρυθμίζεται από την παρακάτω έκφραση:

• RT είναι η αντίσταση σε θερμοκρασία T (K)

• R0 είναι η αντίσταση σε θερμοκρασία T0 (K)

• T0 είναι η αναφορική θερμοκρασία (συνήθως 25oC)

• β είναι μια σταθερά, η τιμή της εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του υλικού. Η νομική τιμή λαμβάνεται ως 4000.

Εάν η τιμή του β είναι υψηλή, τότε η σχέση αντίσταση-θερμοκρασία θα είναι πολύ καλή. Μια υψηλότερη τιμή του β σημαίνει μεγαλύτερη μεταβολή της αντίστασης για την ίδια αύξηση της θερμοκρασίας - άρα έχετε αυξήσει την ευαισθησία (και άρα την ακρίβεια) του thermistor.

Από την εξίσωση, μπορούμε να προσδιορίσουμε τον συντελεστή αντίστασης-θερμοκρασίας, ο οποίος δείχνει την ευαισθησία του thermistor.

Παραπάνω μπορούμε να δούμε ότι ο αλφάT έχει αρνητικό σημείο. Αυτό το αρνητικό σημείο δείχνει τα αρνητικά χαρακτηριστικά αντίστασης-θερμοκρασίας του NTC thermistor.

Εάν β = 4000 K και T = 298 K, τότε ο αλφάT = –0.0045/oK. Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από την ευαισθησία του RTD πλατίνιου. Αυτό θα μπορούσε να μετρήσει πολύ μικρές αλλαγές στη θερμοκρασία.

Ωστόσο, είναι διαθέσιμα εναλλακτικές μορφές εξαιρετικά δοπαντικών thermistors (με υψηλό κόστος) που έχουν θετικό συντελεστή θερμοκρασίας.

Η εξίσωση (1) είναι τέτοια ώστε δεν είναι δυνατή η γραμμική προσέγγιση της καμπύλης ακόμη και σε μικρό διάστημα θερμοκρασίας, και άρα ο thermistor είναι πολύ σίγουρα ένα μη γραμμικό αισθητήριο.

PTC Thermistor

Ένα PTC thermistor έχει την αντίθετη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και αντίστασης. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η αντίσταση αυξάνεται.

Και όταν η θερμοκρασία μειώνεται, η αντίσταση μειώνεται. Άρα σε ένα PTC thermistor η θερμοκρασία και η αντίσταση είναι αντίστροφα ανάλογες.