Điện trở nhiệt thermistor
Điện tử

Điện trở nhiệt thermistor

Một thermistor là một loại điện trở có điện trở phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ , nhiều hơn so với điện trở tiêu chuẩn. Từ là sự kết hợp của nhiệt và điện trở . Nhiệt điện trở được sử dụng rộng rãi như bộ hạn chế dòng khởi động, cảm biến nhiệt độ (hệ số nhiệt độ âm hoặc loại NTC thường), bộ bảo vệ quá dòng tự phục hồi và các phần tử gia nhiệt tự điều chỉnh (hệ số nhiệt độ dương hoặc loại PTC thường).

Nhiệt điện trở có hai loại cơ bản đối lập nhau:

Với nhiệt điện trở NTC , điện trở giảm khi nhiệt độ tăng thường do sự gia tăng các điện tử dẫn bị va đập bởi kích động nhiệt từ vùng hóa trị. NTC thường được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ hoặc mắc nối tiếp với mạch làm bộ giới hạn dòng khởi động.
Với nhiệt điện trở PTC , điện trở tăng khi nhiệt độ tăng thường do sự giao động của mạng tinh thể nhiệt tăng lên, đặc biệt là các tạp chất và sự không hoàn hảo. Các điện trở nhiệt PTC thường được lắp nối tiếp với một mạch điện và được sử dụng để bảo vệ chống lại các điều kiện quá dòng , như là cầu chì có thể đặt lại.

Điện trở nhiệt thường được sản xuất bằng cách sử dụng các oxit kim loại dạng bột. [1] Với các công thức và kỹ thuật được cải tiến rất nhiều trong 20 năm qua, nhiệt điện trở NTC giờ đây có thể đạt được độ chính xác trong phạm vi nhiệt độ rộng như ± 0,1 ° C hoặc ± 0,2 ° C từ 0 ° C đến 70 ° C với độ ổn định lâu dài tuyệt vời . Các phần tử nhiệt điện trở NTC có nhiều kiểu dáng [2] chẳng hạn như bọc thủy tinh có chì hướng trục (điốt DO-35, DO-34 và DO-41), chip bọc thủy tinh, được phủ epoxy với dây dẫn trần hoặc cách điện và bề mặt- gắn kết, cũng như thanh và đĩa. Phạm vi nhiệt độ hoạt động điển hình của nhiệt điện trở là -55 ° C đến +150 ° C, mặc dù một số nhiệt điện trở thân thủy tinh có nhiệt độ hoạt động tối đa là +300 ° C.

Nhiệt điện trở khác với máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) ở chỗ vật liệu được sử dụng trong nhiệt điện trở thường là gốm hoặc polyme, trong khi RTD sử dụng kim loại nguyên chất. Nhiệt độ phản ứng cũng khác nhau; RTD hữu ích trong phạm vi nhiệt độ lớn hơn, trong khi nhiệt điện trở thường đạt được độ chính xác cao hơn trong phạm vi nhiệt độ giới hạn, thường là −90 ° C đến 130 ° C. [3]

 

Hoạt động cơ bản 

Giả sử, như một phép gần đúng bậc nhất, rằng mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là tuyến tính , thì

Ở đâu

, thay đổi trong kháng chiến,
, thay đổi nhiệt độ,
hệ số nhiệt độ bậc nhất của điện trở .

Nhiệt điện trở có thể được phân thành hai loại, tùy thuộc vào dấu hiệu của . Nếulà điện trở dương , điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, và thiết bị được gọi là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ dương ( PTC ), hay điện trở posistor . Nếulà âm, điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, và thiết bị được gọi là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm ( NTC ). Điện trở không phải là điện trở nhiệt được thiết kế để có càng gần 0 càng tốt, để điện trở của chúng gần như không đổi trong một phạm vi nhiệt độ rộng.

Thay vì hệ số nhiệt độ k , đôi khi hệ số nhiệt độ của điện trở (“alpha sub T”) được sử dụng. Nó được định nghĩa là [4]

Điều này  không nên nhầm lẫn hệ số với  tham số bên dưới.

Phương trình Steinhart – Hart 

Trong các thiết bị thực tế, mô hình xấp xỉ tuyến tính (ở trên) chỉ chính xác trong một phạm vi nhiệt độ giới hạn. Trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, chức năng truyền nhiệt độ-điện trở phức tạp hơn cung cấp đặc tính trung thực hơn về hiệu suất. Phương trình Steinhart – Hart là một phép gần đúng bậc ba được sử dụng rộng rãi:

trong đó a , b và c được gọi là các tham số Steinhart – Hart và phải được chỉ định cho từng thiết bị. T là nhiệt độ tuyệt đối và R là điện trở. Để cung cấp cho điện trở như một hàm của nhiệt độ, phương trình bậc ba trên trong có thể được giải quyết, gốc thực sự được đưa ra bởi

Ở đâu

Sai số trong phương trình Steinhart – Hart thường nhỏ hơn 0,02 ° C khi đo nhiệt độ trên phạm vi 200 ° C. [5] Ví dụ, các giá trị điển hình cho nhiệt điện trở có điện trở 3 kΩ ở nhiệt độ phòng (25 ° C = 298,15 K) là:

Phương trình tham số B hoặc β 

Nhiệt điện trở NTC cũng có thể được đặc trưng bằng phương trình tham số B (hoặc β ), về cơ bản là phương trình Steinhart – Hart với và ,

trong đó nhiệt độ tính bằng kelvins , và 0 là điện trở ở nhiệt độ 0 (25 ° C = 298,15 K). Giải quyết cho lợi suất R

Hay cách khác,

Ở đâu .

Điều này có thể được giải quyết cho nhiệt độ:

Các B phương trình -parameter cũng có thể được viết như sau. Điều này có thể được sử dụng để chuyển đổi hàm của điện trở so với nhiệt độ của nhiệt điện trở thành hàm tuyến tính của vs. . Sau đó, độ dốc trung bình của hàm này sẽ mang lại ước tính giá trị của tham số B.

Mô hình dẫn 

NTC (hệ số nhiệt độ âm) 

Một điện trở nhiệt NTC bị lỗi (thổi) hoạt động như một bộ giới hạn dòng khởi động trong nguồn điện ở chế độ chuyển mạch

Nhiều nhiệt điện trở NTC được làm từ đĩa ép, thanh, tấm, hạt hoặc chip đúc bằng vật liệu bán dẫn như oxit kim loại nung kết . Chúng hoạt động bởi vì việc tăng nhiệt độ của chất bán dẫn làm tăng số lượng hạt tải điện hoạt động mà nó thúc đẩy chúng vào vùng dẫn . Càng có nhiều hạt mang điện, vật liệu có thể dẫn điện càng nhiều . Trong một số vật liệu nhất định như oxit sắt (Fe 2 O 3 ) với titan (Ti) pha tạp chất bán dẫn loại n được hình thành và hạt mang điện là electron     . Trong các vật liệu như niken oxit (NiO) với sự pha tạp liti (Li), một chất bán dẫn loại p được tạo ra, trong đó các lỗ trống là vật mang điện tích. [6]

Điều này được mô tả trong công thức

Ở đâu

 = dòng điện (ampe),
= mật độ hạt tải điện (đếm / m 3 ),
= diện tích mặt cắt ngang của vật liệu (m 2 ),
 = vận tốc trôi của electron (m / s),
 = điện tích của một electron ( coulomb).

Trước những thay đổi lớn về nhiệt độ, cần phải hiệu chuẩn. Trong những thay đổi nhỏ của nhiệt độ, nếu sử dụng đúng chất bán dẫn, điện trở của vật liệu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ. Có nhiều nhiệt điện trở bán dẫn khác nhau với dải từ khoảng 0,01  kelvin đến 2.000 kelvin (−273,14 ° C đến 1.700 ° C). cần dẫn nguồn ]

Ký hiệu tiêu chuẩn IEC cho điện trở nhiệt NTC bao gồm “−t °” bên dưới hình chữ nhật. [7]

PTC (hệ số nhiệt độ dương) 

Hầu hết các nhiệt điện trở PTC được làm từ gốm đa tinh thể pha tạp (chứa bari titanat (BaTiO 3 ) và các hợp chất khác) có đặc tính là điện trở của chúng tăng đột ngột ở một nhiệt độ tới hạn nhất định. Bari titanat là chất sắt điện và hằng số điện môi của nó thay đổi theo nhiệt độ. Dưới nhiệt độ điểm Curie , hằng số điện môi cao ngăn cản sự hình thành các rào cản tiềm ẩn giữa các hạt tinh thể, dẫn đến điện trở thấp. Trong vùng này thiết bị có hệ số nhiệt độ âm nhỏ. Ở nhiệt độ điểm Curie, hằng số điện môi giảm xuống đủ để cho phép hình thành các rào cản thế năng ở các ranh giới hạt, và điện trở tăng mạnh theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao hơn nữa, vật liệu trở lại trạng thái NTC.

Một loại nhiệt điện trở khác là điện trở silistor (điện trở silicon nhạy cảm với nhiệt). Silistors sử dụng silicon làm vật liệu thành phần bán dẫn. Không giống như các nhiệt điện trở PTC gốm, các điện trở siliston có đặc tính nhiệt độ điện trở gần như tuyến tính. [8] Nhiệt điện trở silicon PTC có độ lệch nhỏ hơn nhiều so với nhiệt điện trở NTC. Chúng là các thiết bị ổn định được niêm phong kín trong một gói bọc bằng thủy tinh chì hướng trục. [9]

Nhiệt điện trở bari titanate có thể được sử dụng làm lò sưởi tự điều khiển; đối với một hiệu điện thế nhất định, gốm sẽ nóng đến một nhiệt độ nhất định, nhưng công suất sử dụng sẽ phụ thuộc vào sự mất nhiệt từ gốm.

Động lực của các nhiệt điện trở PTC được cung cấp cho một loạt các ứng dụng. Khi lần đầu tiên được kết nối với nguồn điện áp, một dòng điện lớn tương ứng với điện trở thấp, lạnh sẽ chảy, nhưng khi điện trở nhiệt tự nóng lên, dòng điện sẽ giảm cho đến khi đạt đến dòng giới hạn (và nhiệt độ đỉnh thiết bị tương ứng). Tác dụng hạn chế dòng điện có thể thay thế cầu chì. Trong các mạch khử dầu của nhiều màn hình CRT và tivi, một điện trở nhiệt được chọn thích hợp được mắc nối tiếp với cuộn khử dầu. Điều này dẫn đến giảm dòng điện êm dịu để cải thiện hiệu ứng tẩy dầu mỡ. Một số mạch khử dầu này có các phần tử gia nhiệt phụ để làm nóng điện trở nhiệt (và giảm dòng điện tạo ra) hơn nữa.

Một loại nhiệt điện trở PTC khác là polymer PTC, được bán dưới các tên thương hiệu như ” Polyswitch ” “Semifuse”, và “Multifuse”. Điều này bao gồm nhựa với các hạt carbon được nhúng trong đó. Khi nhựa nguội, các hạt cacbon tiếp xúc với nhau tạo thành đường dẫn điện qua thiết bị. Khi nhựa nóng lên, nó nở ra, ép các hạt cacbon tách rời và làm cho điện trở của thiết bị tăng lên, sau đó làm tăng nhiệt và tăng điện trở nhanh chóng. Giống như BaTiO 3nhiệt điện trở, thiết bị này có điện trở / phản ứng nhiệt độ phi tuyến tính cao, hữu ích cho điều khiển nhiệt hoặc mạch, không phải để đo nhiệt độ. Bên cạnh các phần tử mạch được sử dụng để hạn chế dòng điện, lò sưởi tự giới hạn có thể được chế tạo dưới dạng dây hoặc dải, hữu ích cho việc truy tìm nhiệt . Các điện trở nhiệt PTC ‘chốt’ vào trạng thái nóng / điện trở cao: khi đã nóng, chúng sẽ ở trạng thái điện trở cao đó, cho đến khi nguội. Hiệu ứng có thể được sử dụng như một mạch chốt / bộ nhớ ban đầu , hiệu ứng được tăng cường bằng cách sử dụng hai nhiệt trở PTC mắc nối tiếp, với một điện trở nhiệt mát, và điện trở nhiệt kia nóng. 

Ký hiệu tiêu chuẩn IEC cho điện trở nhiệt PTC bao gồm dấu “+ t °” bên dưới hình chữ nhật.

Hiệu ứng tự làm nóng 

Khi một dòng điện chạy qua một điện trở nhiệt, nó tạo ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ của điện trở nhiệt cao hơn nhiệt độ của môi trường của nó. Nếu nhiệt điện trở đang được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường, thì sự gia nhiệt bằng điện này có thể gây ra một lỗi đáng kể nếu không được sửa chữa. Ngoài ra, hiệu ứng này có thể được khai thác. Ví dụ, nó có thể làm cho một thiết bị lưu lượng không khí nhạy cảm được sử dụng trong thiết bị đo tốc độ leo lên của thủy phi cơ , máy đo biến thể điện tử hoặc đóng vai trò như một bộ đếm thời gian cho một rơ le như trước đây đã được thực hiện trong các tổng đài điện thoại .

Công suất điện đầu vào cho nhiệt điện trở chỉ là

trong đó I là dòng điện và V là điện áp rơi trên nhiệt điện trở. Năng lượng này được chuyển thành nhiệt, và nhiệt năng này được truyền ra môi trường xung quanh. Tốc độ truyền được mô tả rõ ràng bởi định luật làm lạnh của Newton :

trong đó T ( R ) là nhiệt độ của nhiệt điện trở như một hàm của điện trở R ,là nhiệt độ của môi trường xung quanh, và K là hằng số tiêu tán , thường được biểu thị bằng đơn vị miliwatt trên độ C. Ở trạng thái cân bằng, hai tỷ lệ phải bằng nhau:

Dòng điện và điện áp trên nhiệt điện trở phụ thuộc vào cấu hình mạch cụ thể. Ví dụ đơn giản, nếu điện áp trên nhiệt điện trở được giữ cố định, thì theo định luật Ohm, chúng ta có, và phương trình cân bằng có thể được giải cho nhiệt độ môi trường dưới dạng một hàm của điện trở đo được của nhiệt điện trở:

Hằng số tiêu tán là thước đo kết nối nhiệt của nhiệt điện trở với môi trường xung quanh nó. Nó thường được đưa ra cho nhiệt điện trở trong không khí tĩnh và trong dầu được khuấy kỹ. Các giá trị điển hình cho nhiệt điện trở hạt thủy tinh nhỏ là 1,5 mW / ° C trong không khí tĩnh và 6,0 mW / ° C trong dầu đã khuấy. Nếu biết trước nhiệt độ của môi trường, thì có thể dùng điện trở nhiệt để đo giá trị của hằng số tiêu tán. Ví dụ, nhiệt điện trở có thể được sử dụng như một cảm biến tốc độ dòng chảy, vì hằng số tiêu tán tăng theo tốc độ dòng chảy của chất lỏng qua nhiệt điện trở.

Công suất tiêu tán trong một điện trở nhiệt thường được duy trì ở mức rất thấp để đảm bảo sai số đo nhiệt độ không đáng kể do tự làm nóng. Tuy nhiên, một số ứng dụng nhiệt điện trở phụ thuộc vào khả năng “tự làm nóng” đáng kể để tăng nhiệt độ cơ thể của nhiệt điện trở cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, do đó, cảm biến sau đó phát hiện những thay đổi thậm chí tinh vi trong độ dẫn nhiệt của môi trường. Một số ứng dụng này bao gồm phát hiện mức chất lỏng, đo lưu lượng chất lỏng và đo lưu lượng không khí. [4]

Ứng dụng 

PTC 

  • Là thiết bị hạn chế dòng điện để bảo vệ mạch, thay thế cho cầu chì. Dòng điện qua thiết bị gây ra một lượng nhỏ điện trở nóng. Nếu dòng điện đủ lớn để tạo ra nhiều nhiệt hơn thiết bị có thể mất ra môi trường xung quanh, thiết bị sẽ nóng lên, làm cho điện trở của thiết bị tăng lên. Điều này tạo ra hiệu ứng tự cường hóa để đẩy điện trở lên, do đó hạn chế dòng điện.
  • Là bộ hẹn giờ trong mạch cuộn khử mỡ của hầu hết các màn hình CRT. Khi bộ hiển thị ban đầu được bật, dòng điện chạy qua điện trở nhiệt và cuộn dây khử khí. Cuộn dây và điện trở nhiệt được định kích thước có chủ ý để dòng điện sẽ đốt nóng điện trở nhiệt đến mức cuộn dây khử nhiệt sẽ tắt trong vòng chưa đầy một giây. Để khử dầu hiệu quả, điều cần thiết là cường độ của từ trường xoay chiều được tạo ra bởi cuộn tẩy khử dầu giảm nhẹ nhàng và liên tục, thay vì tắt hoặc giảm mạnh theo từng bước; điện trở nhiệt PTC hoàn thành điều này một cách tự nhiên khi nó nóng lên. Mạch khử khí bằng nhiệt điện trở PTC rất đơn giản, đáng tin cậy (vì tính đơn giản của nó) và không tốn kém.
  • Là lò sưởi trong ngành ô tô để cung cấp thêm nhiệt bên trong cabin với động cơ diesel hoặc để làm nóng động cơ diesel trong điều kiện khí hậu lạnh trước khi động cơ phun.
  • Trong bộ dao động điều khiển điện áp tổng hợp bù nhiệt độ . 
  • Trong các mạch bảo vệ pin lithium .
  • Trong động cơ sáp được kích hoạt bằng điện để cung cấp nhiệt cần thiết để làm nở sáp.
  • Nhiều động cơ điện và máy biến áp kiểu khô kết hợp nhiệt điện trở PTC trong cuộn dây của chúng. Khi được sử dụng cùng với rơ le giám sát, chúng cung cấp khả năng bảo vệ quá nhiệt để ngăn ngừa hư hỏng cách điện. Nhà sản xuất thiết bị chọn một điện trở nhiệt có đường cong đáp ứng phi tuyến tính cao trong đó điện trở tăng đột ngột ở nhiệt độ cuộn dây tối đa cho phép, làm cho rơle hoạt động.
  • Trong các bộ dao động tinh thể để bù nhiệt độ, kiểm soát nhiệt độ thiết bị y tế và tự động hóa công nghiệp, nhiệt điện trở Silicon PTC hiển thị hệ số nhiệt độ dương gần như tuyến tính (0,7% / ° C). Một điện trở tuyến tính hóa có thể được thêm vào nếu cần tuyến tính hóa thêm.

NTC 

  • Là một nhiệt kế điện trở cho các phép đo nhiệt độ thấp có bậc 10 K.
  • Là một thiết bị giới hạn dòng khởi động trong các mạch cung cấp điện, ban đầu chúng có điện trở cao hơn, ngăn dòng điện lớn chạy khi bật, sau đó nóng lên và trở thành điện trở thấp hơn nhiều để cho phép dòng điện cao hơn trong quá trình hoạt động bình thường. Các nhiệt điện trở này thường lớn hơn nhiều so với các điện trở nhiệt loại đo, và được thiết kế có chủ đích cho ứng dụng này. [15]
  • Là cảm biến trong các ứng dụng ô tô để theo dõi nhiệt độ chất lỏng như nước làm mát động cơ, không khí trong cabin, không khí bên ngoài hoặc nhiệt độ dầu động cơ và cung cấp các số đọc tương đối cho các đơn vị điều khiển như ECU và bảng điều khiển.
  • Để theo dõi nhiệt độ của tủ ấm.
  • Nhiệt điện trở cũng thường được sử dụng trong các bộ điều nhiệt kỹ thuật số hiện đại và để theo dõi nhiệt độ của các gói pin trong khi sạc.
  • Nhiệt điện trở thường được sử dụng trong các đầu nóng của máy in 3D ; họ giám sát nhiệt được tạo ra và cho phép mạch điều khiển của máy in giữ nhiệt độ ổn định để làm nóng chảy sợi nhựa.
  • Trong công nghiệp xử lý và chế biến thực phẩm, đặc biệt là đối với hệ thống bảo quản thực phẩm và chế biến thực phẩm. Duy trì nhiệt độ thích hợp là rất quan trọng để ngăn ngừa bệnh do thực phẩm .
  • Trong suốt ngành công nghiệp thiết bị tiêu dùng để đo nhiệt độ. Máy nướng bánh mì, máy pha cà phê, tủ lạnh, tủ đông, máy sấy tóc, … tất cả đều dựa vào nhiệt điện trở để kiểm soát nhiệt độ thích hợp.
  • Nhiệt điện trở NTC có dạng trần và dạng vấu, loại trước đây dùng để cảm biến điểm nhằm đạt được độ chính xác cao cho các điểm cụ thể, chẳng hạn như khuôn điốt laze, v.v. 
  • Để đo cấu hình nhiệt độ bên trong khoang kín của cảm biến quán tính đối lưu (nhiệt) . 
  • Bộ lắp ráp đầu dò nhiệt điện trở  bảo vệ cảm biến trong môi trường khắc nghiệt. Phần tử cảm biến nhiệt điện trở có thể được đóng gói thành nhiều loại vỏ để sử dụng trong các ngành như HVAC / R, Tự động hóa tòa nhà, Hồ bơi / Spa, Năng lượng và Điện tử Công nghiệp. Vỏ có thể được làm bằng thép không gỉ, nhôm, đồng thau hoặc nhựa và cấu hình bao gồm ren (NPT, v.v.), mặt bích (có lỗ lắp để dễ lắp đặt) và thẳng (đầu phẳng, đầu nhọn, đầu bán kính, v.v.) . Các cụm đầu dò nhiệt điện trở rất chắc chắn và có khả năng tùy biến cao để phù hợp với nhu cầu ứng dụng. Các cụm máy thăm dò đã trở nên phổ biến trong những năm qua khi những cải tiến trong kỹ thuật nghiên cứu, kỹ thuật và sản xuất đã được thực hiện.

Lịch sử 

Điện trở nhiệt NTC đầu tiên được phát hiện vào năm 1833 bởi Michael Faraday , người đã báo cáo về hoạt động bán dẫn của bạc sunfua . Faraday nhận thấy rằng điện trở của bạc sunfua giảm mạnh khi nhiệt độ tăng lên. (Đây cũng là quan sát được ghi nhận đầu tiên về vật liệu bán dẫn.)

Bởi vì nhiệt điện trở ban đầu rất khó sản xuất và các ứng dụng cho công nghệ còn hạn chế, nên việc sản xuất thương mại nhiệt điện trở chỉ bắt đầu cho đến những năm 1930. Một điện trở nhiệt khả thi về mặt thương mại được phát minh bởi Samuel Ruben vào năm 1930. 

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]