Điều gì là Thermistor?

Thermistor là gì?

Định nghĩa Thermistor

Thermistor (hoặc điện trở nhiệt) được định nghĩa là một điện trở có điện trở thay đổi đáng kể theo sự thay đổi của nhiệt độ.

Thermistors hoạt động như một thành phần thụ động trong mạch. Chúng là cách chính xác, rẻ và bền để đo nhiệt độ.

Mặc dù thermistors không hiệu quả ở nhiệt độ cực đoan, chúng vẫn được ưa chuộng cho nhiều ứng dụng.

Thermistors lý tưởng khi cần đọc nhiệt độ chính xác. Ký hiệu mạch cho thermistor được hiển thị dưới đây:

Ứng dụng của Thermistors

Thermistors có nhiều ứng dụng. Chúng được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ như một nhiệt kế thermistor trong nhiều môi trường chất lỏng và không khí xung quanh khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến nhất của thermistors bao gồm:

• Nhiệt kế kỹ thuật số (thermostat)

• Ứng dụng ô tô (để đo nhiệt độ dầu và nước làm mát trong xe hơi & xe tải)

• Dụng cụ gia dụng (như lò vi sóng, tủ lạnh và lò nướng)

• Bảo vệ mạch (ví dụ: bảo vệ chống sét)

• Pin sạc lại (đảm bảo nhiệt độ pin đúng)

• Để đo khả năng dẫn nhiệt của vật liệu điện

• Hữu ích trong nhiều mạch điện tử cơ bản (ví dụ: như một phần của bộ khởi động Arduino dành cho người mới bắt đầu)

• Bù nhiệt độ (tức là duy trì điện trở để bù đắp cho các hiệu ứng do sự thay đổi nhiệt độ ở một phần khác của mạch)

• Sử dụng trong mạch cầu Wheatstone

Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của thermistor là điện trở của nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Chúng ta có thể đo điện trở của thermistor bằng ohmmeter.

Bằng cách hiểu cách nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng đến điện trở của thermistor, chúng ta có thể đo điện trở của nó để xác định nhiệt độ.

Độ thay đổi của điện trở phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng trong thermistor. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của thermistor là không tuyến tính. Biểu đồ typic của thermistor được hiển thị dưới đây:

Nếu chúng ta có một thermistor với biểu đồ nhiệt độ trên, chúng ta chỉ cần căn chỉnh điện trở đo được bởi ohmmeter với nhiệt độ được chỉ ra trên biểu đồ.

Bằng cách vẽ một đường ngang từ điện trở trên trục y, và vẽ một đường thẳng xuống từ điểm mà đường ngang này giao với biểu đồ, chúng ta có thể xác định nhiệt độ của thermistor.

Loại Thermistor

Có hai loại thermistor:

• Thermistor Hệ số Nhiệt Độ Âm (NTC)

• Thermistor Hệ số Nhiệt Độ Dương (PTC)

Thermistor NTC

Trong thermistor NTC, điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Mối quan hệ nghịch đảo này khiến thermistor NTC trở thành loại phổ biến nhất.

Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ trong thermistor NTC được điều chỉnh bởi biểu thức sau:

• RT là điện trở tại nhiệt độ T (K)

• R0 là điện trở tại nhiệt độ T0 (K)

• T0 là nhiệt độ tham chiếu (thường là 25oC)

• β là hằng số, giá trị của nó phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu. Giá trị tiêu chuẩn được lấy là 4000.

Nếu giá trị của β cao, thì mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ sẽ rất tốt. Giá trị β cao hơn có nghĩa là biến đổi điện trở lớn hơn cho cùng một mức tăng nhiệt độ - do đó bạn đã tăng độ nhạy (và do đó độ chính xác) của thermistor.

Từ phương trình, chúng ta có thể xác định hệ số nhiệt độ điện trở, chỉ ra độ nhạy của thermistor.

Trên đây, chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng αT có dấu âm. Dấu âm này chỉ ra đặc tính nhiệt độ-điện trở âm của thermistor NTC.

Nếu β = 4000 K và T = 298 K, thì αT = –0.0045/oK. Điều này cao hơn nhiều so với độ nhạy của RTD platinum. Điều này sẽ có thể đo được những thay đổi rất nhỏ trong nhiệt độ.

Tuy nhiên, hiện nay có sẵn các loại thermistor được pha chế nặng (với chi phí cao) có hệ số nhiệt độ dương.

Biểu thức (1) là như vậy, không thể tạo ra một xấp xỉ tuyến tính cho đường cong trong phạm vi nhiệt độ nhỏ, và do đó thermistor thực sự là một cảm biến không tuyến tính.

Thermistor PTC

Thermistor PTC có mối quan hệ ngược lại giữa nhiệt độ và điện trở. Khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng.

Và khi nhiệt độ giảm, điện trở giảm. Do đó, trong thermistor PTC, nhiệt độ và điện trở tỷ lệ nghịch.

Mặc dù thermistor PTC không phổ biến như thermistor NTC, chúng thường được sử dụng như một dạng bảo vệ mạch. Tương tự như chức năng của cầu chì, thermistor PTC có thể hoạt động như một thiết bị hạn chế dòng điện.

Khi dòng điện đi qua thiết bị, nó sẽ gây ra một lượng nhỏ nhiệt do điện trở. Nếu dòng điện đủ lớn để tạo ra nhiều nhiệt hơn so với thiết bị có thể mất đi môi trường xung quanh thì thiết bị sẽ nóng lên.

Trong thermistor PTC, việc nóng lên này cũng sẽ làm tăng điện trở của nó. Điều này tạo ra một hiệu ứng tự củng cố, đẩy điện trở lên, do đó hạn chế dòng điện. Theo cách này, nó hoạt động như một thiết bị hạn chế dòng điện - bảo vệ mạch.

Đặc tính của Thermistor

Mối quan hệ điều khiển đặc tính của thermistor được đưa ra dưới đây:

• R1 = điện trở của thermistor tại nhiệt độ tuyệt đối T1[^oK]

• R2 = điện trở của thermistor tại nhiệt độ T2 [^oK]

• β = hằng số phụ thuộc vào vật liệu của bộ chuyển đổi (ví dụ: bộ chuyển đổi dao động)

Chúng ta có thể thấy trong phương trình trên rằng mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở là rất phi tuyến. Thermistor NTC tiêu chuẩn thường có hệ số nhiệt độ điện trở âm khoảng 0.05/^oC.

Cấu tạo của Thermistor

Để làm một thermistor, hai hoặc nhiều bột bán dẫn được làm từ oxit kim loại được trộn với chất kết dính để tạo thành hỗn hợp.

Nhỏ giọt hỗn hợp này lên dây dẫn. Để làm khô, chúng ta phải đặt nó vào lò nung.

Trong quá trình này, hỗn hợp sẽ co lại trên dây dẫn để tạo kết nối điện.

Oxit kim loại đã xử lý được niêm phong bằng cách phủ một lớp kính. Lớp kính này giúp thermistor có tính năng chống nước - giúp cải thiện độ ổn định.

Có nhiều hình dạng và kích thước của thermistor có sẵn trên thị trường. Thermistor nhỏ có dạng hạt với đường kính từ 0,15 milimét đến 1,5 milimét.

Thermistor cũng có thể ở dạng đĩa và vòng đệm được ép từ vật liệu thermistor dưới áp suất cao thành hình trụ phẳng với đường kính từ 3 milimét đến 25 milimét.