Θερμίστορ

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Το θερμίστορ είναι ένας τύπος αντίστασης, η τιμή της οποίας επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, πολύ περισσότερο από όσο στις συνηθισμένες αντιστάσεις (ωμικές αντιστάσεις). Η λέξη θερμίστορ είναι συνένωση των Αγγλικών λέξεων thermal και resistor.

Τα θερμίστορ χρησιμοποιούνται ευρέως για τον περιορισμό της απότομης αύξησης των ρευμάτων, σαν αισθητήρες θερμοκρασίας (τυπικά τα Αρνητικού Συντελεστή Θερμοκρασίας- Negative Temperature Coefficient ή NTC), σαν αυτοεπαναφερόμενες ασφάλειες και σαν αυτορρυθμιζόμενα στοιχεία θέρμανσης (τυπικά τα Θετικού Συντελεστή Θερμοκρασίας -Positive Temperature Coefficient ή PTC).

Τα θερμίστορ είναι τυπικά δύο "αντιθέτων" τύπων:

  • Τα NTC, στα οποία η αντίσταση μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση απότομων αυξήσεων των ρευμάτων, λόγω υπερτάσεων. Συνήθως συνδέονται «παράλληλα» προς τα κυκλώματα όποτε μέσω αυτών διακλαδίζεται ένα μέρος του ρεύματος.
  • Τα PTC, στα οποία η αντίσταση αυξάνεται καθώς ανυψώνεται η θερμοκρασία, ώστε να προστατέψουν σε συνθήκες υπερρευμάτων. Συνήθως συνδέονται σε σειρά στα κυκλώματα, σαν αυτοεπαναφερόμενες ασφάλειες.

Τα θερμίστορ διαφέρουν από τους μετρητές θερμοκρασίας τύπου αντίστασης (RTDs) στα παρακάτω σημεία:

  • Το υλικό που χρησιμοποιείται στα θερμίστορ είναι γενικά ένα κεραμικό ή πολυμερές, ενώ RTDs χρησιμοποιούν καθαρά μέταλλα.
  • Τη θερμοκρασιακή συμπεριφορά: Τα RTDs είναι χρήσιμα πάνω σε μεγάλες περιοχές θερμοκρασιών, ενώ τα θερμίστορ τυπικά πετυχαίνουν μεγάλες ακρίβειες μέσα σε περιορισμένη περιοχή θερμοκρασιών, τυπικά από −90 °C έως 130 °C.[1]

Βασική λειτουργία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σε μία προσέγγιση πρώτης-τάξης, οπότε η σχέση ανάμεσα στην αντίσταση και τη θερμοκρασία είναι γραμμική, ισχύει:

όπου

είναι η αλλαγή στην τιμή της αντίστασης
η αλλαγή στην θερμοκρασία
ο πρώτης τάξης θερμικός συντελεστής της αντίστασης

Τα θερμίστορ μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με την κατάταξη του .

Εάν το είναι θετικό, η αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας,οπότε η συσκευή καλείται θερμίστορ θετικού συντελεστή θερμοκρασίας (PTC) ή posistor.

Εάν το είναι αρνητικό, η αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και η συσκευή καλείται θερμίστορ αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (NTC).

Οι αντιστάσεις οι οποίες δεν είναι θερμίστορ, κατασκευάζονται να έχουν όσο είναι δυνατόν πιο κοντά στο 0, έτσι ώστε η αντίστασή τους να παραμένει σχεδόν σταθερή σε μία πλατιά περιοχή θερμοκρασιών.

Αντί για τον θερμικό συντελεστή k, μερικές φορές χρησιμοποιείται ο θερμικός συντελεστής της αντίστασης (a με δείκτη T). Ορίζεται με τη σχέση: [2]

Αυτός ο συντελεστής , δεν πρέπει να συγχέεται με την παράμετρο που αναφέρεται παρακάτω.

Εξίσωση Steinhart–Hart[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κύριο λήμμα: Εξίσωση Steinhart–Hart

Στην πράξη η γραμμική προσέγγιση που αναφέρθηκε παραπάνω ισχύει μόνο σε μικρές περιοχές θερμοκρασιών.

Για ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασιών η καμπύλη θερμοκρασίας-αντίστασης πρέπει να περιγραφεί με περισσότερη λεπτομέρεια. Η εξίσωση Steinhart–Hart είναι μία ευρέως χρησιμοποιούμενη προσέγγιση τρίτης τάξης:

όπου a, b και c είναι οι καλούμενες παράμετροι Steinhart–Hart, που πρέπει να καθοριστούν για κάθε συγκεκριμένη συσκευή, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία και R είναι η αντίσταση.

Για να δίνει την αντίσταση με την θερμοκρασία, η παραπάνω εξίσωση πρέπει να επιλυθεί ως προς R:

όπου

Το λάθος στην εξίσωση Steinhart–Hart είναι γενικά λιγότερο από 0.02 °C για μετρήσεις της θερμοκρασίας σε μία περιοχή πάνω από 200 °C.[3]

Σαν παράδειγμα τυπικές τιμές, για ένα θερμίστορ με αντίσταση 3 kΩ σε θερμοκρασία δωματίου (25 °C = 298.15 K), είναι:

Εξίσωση των παραμέτρων B ή β[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα NTC θερμίστορ μπορούν να χαρακτηριστούν και από την εξίσωση των παραμέτρων Bβ), η οποία είναι ουσιαστικά η εξίσωση Steinhart–Hart με , και:

όπου οι θερμοκρασίες είναι σε βαθμούς kelvin, και R0 είναι η αντίσταση σε θερμοκρασία T0 (25 °C = 298.15 K).

Λύνοντας ως προς R δίνει:

ή εναλλακτικά:

όπου .

Αυτή μπορεί να λυθεί ως προς τη θερμοκρασία:

Η εξίσωση της παραμέτρου B μπορεί να γραφεί και με τη μορφή . Αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή της συνάρτησης της αντίστασης ως προς τη θερμοκρασία, σε μία γραμμική συνάρτηση του ως προς .

Η μέση κλίση αυτής της συνάρτησης μας δίνει μία εκτίμηση της τιμής της παραμέτρου B.

Μοντέλο αγωγιμότητας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

NTC(Αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας)[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Πολλά NTC θερμιστορ κατασκευάζονται από συμπιεσμένους δίσκους, ράβδους, χάντρες ή χύτευση ημιαγώγιμων υλικών όπως και τη σύντηξη μεταλλικών οξειδίων. Η λειτουργία τους οφείλεται στο ότι η ανύψωση της θερμοκρασίας του ημιαγωγού, αυξάνει τον αριθμό των ενεργών φορέων φορτίου – δηλ. τους προωθεί σε μία ζώνη αγωγιμότητας. Όσο περισσότεροι φορείς είναι διαθέσιμοι, τόσο μεγαλύτερο ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να περάσει από το υλικό.

Σε μερικά υλικά όπως τα οξείδια του σιδήρου (Fe2O3) με προσμείξεις Τιτανίου (Ti) σχηματίζεται ένας ημιαγωγός τύπου n, όπου οι φορείς φορτίου είναι ηλεκτρόνια.

Σε άλλα υλικά, όπως το οξείδιο του νικελίου(NiO) με προσμείξεις λιθίου (Li), δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου p όπου οι οι φορείς του φορτίου είναι οι "οπές" .[4]

Η ένταση του ρεύματος δίνεται από τον τύπο:

όπου

= το ηλεκτρικό ρεύμα (σε αμπέρ)
= η πυκνότητα φορέων φορτίου (πλήθος/m³)
= η εγκάρσια διατομή του υλικού (m²)
= η ταχύτητα ολίσθησης των ηλεκτρονίων (m/s)
= το φορτίο του ηλεκτρονίου ( coulomb)

Σε μεγάλες περιοχές θερμοκρασιών είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση. Σε μικρές μεταβολές θερμοκρασιών, εάν χρησιμοποιηθεί ο κατάλληλος ημιαγωγός η αντίσταση είναι γραμμικά ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά θερμίστορ ημιαγωγών με περιοχές θερμοκρασιών από περίπου 0,01° Κ έως 2.000° Κ (−273,14 °C ως 1.700 °C).

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. "NTC Thermistors". Micro-chip Technologies. 2010.
  2. Thermistor Terminology. U.S. Sensor
  3. "Practical Temperature Measurements". Agilent Application Note. Agilent Semiconductor.
  4. L. W Turner, επιμ. (1976). Electronics Engineer's Reference Book (4 έκδοση). Butterworths, σελ. 6-29 to 6-41. ISBN 0408001682.