Wat is een thermistor?

Wat is een thermistor?

Thermistor-definitie

Een thermistor (of thermostatische weerstand) wordt gedefinieerd als een weerstand waarvan de elektrische weerstand aanzienlijk varieert met veranderingen in temperatuur.

Thermistoren fungeren als passieve component in een schakeling. Ze zijn een nauwkeurige, goedkope en robuuste manier om temperatuur te meten.

Hoewel thermistoren niet effectief zijn bij extreme temperaturen, worden ze voor veel toepassingen verkozen als sensoren.

Thermistoren zijn ideaal wanneer een precieze temperatuurmeting vereist is. Het circuitsymbool voor een thermistor wordt hieronder weergegeven:

Toepassingen van thermistoren

Thermistoren hebben een verscheidenheid aan toepassingen. Ze worden breed gebruikt als manier om temperatuur te meten als een thermistor thermometer in vele verschillende vloeistoffen en omgevingsluchtomgevingen. Enkele van de meest voorkomende toepassingen van thermistoren zijn:

• Digitale thermometer (thermostaat)

• Automotive toepassingen (voor het meten van olie- en koelvloeistoftemperaturen in auto's & trucks)

• Huishoudelijke apparaten (zoals magnetrons, koelkasten en ovens)

• Schakelingsbeveiliging (bijv. overstroombeveiliging)

• Herlaadbare batterijen (zorgen ervoor dat de juiste batterijtemperatuur wordt gehandhaafd)

• Om de thermische geleidbaarheid van elektrische materialen te meten

• Nuttig in veel basisele elektronische schakelingen (bijv. als onderdeel van een beginners Arduino starter kit)

• Temperatuurcompensatie (d.w.z. houd de weerstand vast om rekening te houden met effecten veroorzaakt door veranderingen in temperatuur in een ander deel van de schakeling)

• Gebruikt in Wheatstone-brugschakelingen

Werkprincipe

Het werkprincipe van een thermistor is dat de weerstand afhankelijk is van de temperatuur. We kunnen de weerstand van een thermistor meten met behulp van een ohmmeter.

Door te begrijpen hoe temperatuurveranderingen de weerstand van een thermistor beïnvloeden, kunnen we de weerstand meten om de temperatuur te bepalen.

Hoeveel de weerstand verandert, hangt af van het type materiaal dat in de thermistor wordt gebruikt. Het verband tussen de temperatuur en de weerstand van een thermistor is niet-lineair. Een typisch thermistordiagram wordt hieronder weergegeven:

Als we een thermistor hadden met bovenstaande temperatuurgrafiek, konden we eenvoudigweg de weerstand gemeten door de ohmmeter uitlijnen met de temperatuur aangegeven op de grafiek.

Door een horizontale lijn te trekken vanaf de weerstand op de y-as, en een verticale lijn naar beneden te trekken vanaf waar deze horizontale lijn de grafiek snijdt, kunnen we dus de temperatuur van de thermistor afleiden.

Thermistortypes

Er zijn twee types thermistoren:

• Negatieve Temperatuurcoëfficiënt (NTC) Thermistor

• Positieve Temperatuurcoëfficiënt (PTC) Thermistor

NTC Thermistor

Bij een NTC thermistor neemt de weerstand af naarmate de temperatuur stijgt, en vice versa. Dit inverse verband maakt NTC thermistoren het meest voorkomende type.

Het verband tussen weerstand en temperatuur in een NTC thermistor wordt bestuurd door de volgende expressie:

• RT is de weerstand bij temperatuur T (K)

• R0 is de weerstand bij temperatuur T0 (K)

• T0 is de referentietemperatuur (meestal 25oC)

• β is een constante, waarvan de waarde afhangt van de eigenschappen van het materiaal. De nominale waarde is 4000.

Als de waarde van β hoog is, dan zal het verband tussen weerstand en temperatuur zeer goed zijn. Een hogere waarde van β betekent een grotere variatie in weerstand voor dezelfde temperatuurstijging – waardoor je de gevoeligheid (en dus de nauwkeurigheid) van de thermistor hebt verhoogd.

Uit de vergelijking kunnen we de temperatuurweerstandscoëfficiënt bepalen, die de gevoeligheid van de thermistor aangeeft.

Hierboven kunnen we duidelijk zien dat de αT een negatief teken heeft. Dit negatieve teken geeft de negatieve weerstand-temperatuureigenschappen van de NTC thermistor aan.

Als β = 4000 K en T = 298 K, dan is de αT = –0,0045/oK. Dit is veel hoger dan de gevoeligheid van platina RTD. Dit zou in staat zijn om zeer kleine veranderingen in de temperatuur te meten.

Echter, alternatieve vormen van zwaar gedopeerde thermistoren zijn nu beschikbaar (te hoge kosten) die een positieve temperatuurcoëfficiënt hebben.

De expressie (1) is zo dat het niet mogelijk is om een lineaire benadering van de curve over zelfs een klein temperatuurbereik te maken, en daarom is de thermistor absoluut een niet-lineaire sensor.

PTC Thermistor

Een PTC thermistor heeft het omgekeerde verband tussen temperatuur en weerstand. Wanneer de temperatuur stijgt, stijgt de weerstand.

En wanneer de temperatuur daalt, daalt de weerstand. Dus in een PTC thermistor zijn temperatuur en weerstand omgekeerd evenredig.

Hoewel PTC thermistoren niet zo algemeen zijn als NTC thermistoren, worden ze vaak gebruikt als vorm van schakelingsbeveiliging. Vergelijkbaar met de functie van fusen, kunnen PTC thermistoren dienen als stroombeperkende apparaten.

Wanneer stroom door een apparaat loopt, zal dit een kleine hoeveelheid weerstandswarmte veroorzaken. Als de stroom groot genoeg is om meer warmte te genereren dan het apparaat kan afvoeren naar de omgeving, dan zal het apparaat warmer worden.

Bij een PTC thermistor zal deze opwarmning ook de weerstand doen toenemen. Dit creëert een zelfversterkend effect dat de weerstand naar boven drijft, waardoor de stroom wordt beperkt. Op deze manier werkt het als een stroombeperkend apparaat – het beschermt de schakeling.

Thermistoreigenschappen

Het verband dat de eigenschappen van een thermistor beheerst, wordt hieronder gegeven als:

• R1 = weerstand van de thermistor bij absolute temperatuur T1[^oK]

• R2 = weerstand van de thermistor bij temperatuur T2 [^oK]

• β = constante afhankelijk van het materiaal van de transducer (bijv. een oscillator transducer)

We kunnen in de vergelijking hierboven zien dat het verband tussen temperatuur en weerstand zeer niet-lineair is. Een standaard NTC thermistor vertoont doorgaans een negatieve thermische weerstandstemperatuurcoëfficiënt van ongeveer 0,05/^oC.

Thermistorconstructie

Om een thermistor te maken, worden twee of meer halfgeleiderpoeders gemaakt van metalen oxiden gemengd met een bindmiddel om een slurry te vormen.

Kleine druppels van deze slurry worden gevormd over de leidingdraden. Voor droogdoeleinden moeten we het in een sinterovend stoppen.

Tijdens dit proces zal de slurry krimpen op de leidingdraden om een elektrische verbinding te maken.

Deze verwerkte metalen oxide wordt verzegeld door er een glaslaag op aan te brengen. Deze glaslaag geeft de thermistoren waterdichte eigenschappen – wat helpt om hun stabiliteit te verbeteren.