Điện trở nhiệt NTC là gì ? Nguyên Lý Hoạt Động của NTC

Thermistor là một loại phần tử điện trở biến đổi đặc biệt, thay đổi điện trở vật lý của nó khi tiếp xúc với sự thay đổi nhiệt độ.

Thermistor là một thiết bị đo nhiệt độ trạng thái rắn, hoạt động tương tự như một điện trở điện tử nhưng nhạy cảm với nhiệt độ. Thermistor có thể được sử dụng để tạo ra điện áp đầu ra tương tự với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh và do đó có thể được gọi là một bộ chuyển đổi. Điều này là do nó tạo ra sự thay đổi trong các tính chất điện của nó do sự thay đổi bên ngoài và vật lý của nhiệt.

Về cơ bản, thermistor là một bộ chuyển đổi nhiệt độ trạng thái rắn hai đầu cực, được chế tạo bằng cách sử dụng các oxit kim loại bán dẫn nhạy cảm với các đầu nối được hình thành bằng phương pháp đúc hoặc nung kết thành một đĩa hoặc hạt gốm.

Điều này cho phép thermistor thay đổi giá trị điện trở tỷ lệ với những thay đổi nhỏ trong nhiệt độ môi trường. Nói cách khác, khi nhiệt độ của nó thay đổi, điện trở của nó cũng thay đổi và do đó tên gọi của nó, “Thermistor” là sự kết hợp của các từ THERM-ally sensitive res-ISTOR.

Trong khi sự thay đổi điện trở do nhiệt thường không mong muốn trong các điện trở tiêu chuẩn, hiệu ứng này có thể được sử dụng tốt trong nhiều mạch phát hiện nhiệt độ. Do đó, là các thiết bị điện trở biến đổi phi tuyến tính, thermistor thường được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ có nhiều ứng dụng để đo nhiệt độ của cả chất lỏng và không khí môi trường.

Hơn nữa, là một thiết bị trạng thái rắn được làm từ các oxit kim loại cực kỳ nhạy cảm, chúng hoạt động ở cấp độ phân tử với các electron hóa trị ngoài cùng trở nên hoạt động hơn, tạo ra hệ số nhiệt độ âm, hoặc ít hoạt động hơn, tạo ra hệ số nhiệt độ dương khi nhiệt độ của thermistor tăng lên.

Điều này có nghĩa là chúng có đặc tính điện trở so với nhiệt độ rất tốt, cho phép chúng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 200°C.

Trong khi mục đích chính của thermistor là làm cảm biến nhiệt độ điện trở, chúng cũng có thể được nối tiếp với một thành phần hoặc thiết bị khác để kiểm soát dòng điện chảy qua chúng. Nói cách khác, chúng có thể được sử dụng làm thiết bị hạn chế dòng điện nhạy cảm với nhiệt.

Thermistor có nhiều loại, vật liệu và kích cỡ khác nhau, được đặc trưng bởi thời gian phản hồi và nhiệt độ hoạt động của chúng. Ngoài ra, thermistor được đóng kín khí không để loại bỏ sai số trong việc đọc điện trở do xâm nhập của hơi ẩm, đồng thời vẫn cung cấp nhiệt độ hoạt động cao và kích thước nhỏ gọn. Ba loại phổ biến nhất là: Thermistor hạt, Thermistor đĩa và Thermistor được bao bọc bằng thủy tinh.

Những điện trở phụ thuộc nhiệt này có thể hoạt động theo một trong hai cách, hoặc bằng cách tăng hoặc giảm giá trị điện trở của chúng với sự thay đổi nhiệt độ. Sau đó có hai loại thermistor: hệ số nhiệt độ âm (NTC) của điện trở và hệ số nhiệt độ dương (PTC) của điện trở.

Điện trở nhiệt NTC là gì ? Và Nguyên lý của nó

Thermistor hệ số nhiệt độ điện trở âm, hay thermistor NTC (Điện trở nhiệt), giảm hoặc giảm giá trị điện trở của chúng khi nhiệt độ hoạt động xung quanh chúng tăng lên. Nhìn chung, thermistor NTC là loại cảm biến nhiệt độ được sử dụng phổ biến nhất vì chúng có thể được sử dụng trong hầu hết các loại thiết bị mà nhiệt độ đóng vai trò quan trọng.

Thermistor nhiệt độ NTC có mối quan hệ điện trở điện âm so với nhiệt độ (R/T). Phản ứng âm tương đối lớn của một thermistor NTC có nghĩa là ngay cả những thay đổi nhỏ về nhiệt độ cũng có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong điện trở điện của chúng. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc đo và kiểm soát nhiệt độ chính xác.

Chúng tôi đã nói trước đây rằng thermistor là một thành phần điện tử mà điện trở của nó rất phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy nếu chúng ta truyền một dòng điện không đổi qua thermistor và sau đó đo điện áp giữa hai đầu của nó, chúng ta có thể xác định điện trở của nó ở một nhiệt độ nhất định.

Một thermistor NTC giảm điện trở của nó khi nhiệt độ tăng lên và có sẵn với nhiều điện trở cơ sở và đường cong nhiệt độ khác nhau. Thermistor NTC thường được đặc trưng bởi điện trở cơ sở của chúng ở nhiệt độ phòng, tức là 25°C (77°F), vì điều này cung cấp một điểm tham chiếu thuận tiện. Ví dụ, 2k2Ω ở 25°C, 10kΩ ở 25°C hoặc 47kΩ ở 25°C, v.v.

Một đặc tính quan trọng khác của thermistor là giá trị “B”. Giá trị B là một hằng số vật liệu được xác định bởi vật liệu gốm mà nó được làm từ đó. Nó mô tả đường dốc của đường cong điện trở (R/T) trên một khoảng nhiệt độ nhất định giữa hai điểm nhiệt độ. Mỗi vật liệu thermistor sẽ có một hằng số vật liệu khác nhau và do đó có một đường cong điện trở so với nhiệt độ khác nhau.

Do đó, giá trị B sẽ xác định giá trị điện trở của thermistor tại một nhiệt độ đầu tiên hoặc điểm cơ sở (thường là 25°C), được gọi là T1, và giá trị điện trở của thermistor tại một điểm nhiệt độ thứ hai, ví dụ 100°C, được gọi là T2.

Vì vậy, giá trị B sẽ xác định hằng số vật liệu của thermistor trong khoảng từ T1 đến T2. Đó là BT1/T2 hoặc B25/100 với các giá trị B điển hình của thermistor NTC được đưa ra ở bất cứ đâu từ khoảng 3000 đến khoảng 5000.

Tuy nhiên, lưu ý rằng cả hai điểm nhiệt độ T1 và T2 đều được tính bằng đơn vị nhiệt độ Kelvin, trong đó 0°C = 273,15 Kelvin. Do đó, giá trị 25°C bằng 25° + 273,15 = 298,15K, và 100°C bằng 100° + 273,15 = 373,15K, v.v.

Vì vậy, bằng cách biết giá trị B của một thermistor cụ thể (được lấy từ tài liệu dữ liệu của nhà sản xuất), có thể tạo ra một bảng nhiệt độ so với điện trở để xây dựng một đồ thị phù hợp bằng cách sử dụng phương trình chuẩn hóa sau :

Trong đó:

• T1 là điểm nhiệt độ đầu tiên tính bằng đơn vị Kelvin
• T2 là điểm nhiệt độ thứ hai tính bằng đơn vị Kelvin
• R1 là điện trở của thermistor tại nhiệt độ T1 tính bằng Ohm
• R2 là điện trở của thermistor tại nhiệt độ T2 tính bằng Ohm

Ví dụ về Điện trở Nhiệt

Một thermistor NTC 10kΩ có giá trị “B” là 3455 trong khoảng nhiệt độ từ 25°C đến 100°C. Tính giá trị điện trở của nó tại 25°C và lại tại 100°C.

Dữ liệu cho: B = 3455, R1 = 10kΩ tại 25°C. Để chuyển đổi thang đo nhiệt độ từ độ Celsius (°C) sang độ Kelvin, cộng thêm hằng số toán học 273,15.

Giá trị của R1 đã được cho là 10kΩ điện trở cơ sở, do đó giá trị của R2 tại 100°C được tính như sau:

Cho đồ thị đặc trưng hai điểm sau:

Lưu ý rằng trong ví dụ đơn giản này, chỉ tìm được hai điểm, nhưng nói chung thermistor thay đổi điện trở của chúng theo cách bậc số với sự thay đổi nhiệt độ nên đường đặc trưng của chúng là phi tuyến, do đó càng tính nhiều điểm nhiệt độ thì đường cong sẽ càng chính xác.

Temperature (oC)	10	20	25	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
Resistance (Ω)	18476	12185	10000	8260	5740	4080	2960	2188	1645	1257	973	765	608

Và các điểm này có thể được vẽ như hình dưới đây để cho đường đặc trưng chính xác hơn cho Thermistor NTC 10kΩ có giá trị B là 3455.

Đường đặc trưng của Thermistor NTC

Chú ý rằng nó có hệ số nhiệt độ âm (NTC), nghĩa là điện trở của nó giảm khi nhiệt độ tăng lên

Sử dụng Thermistor để đo nhiệt độ

Vậy làm thế nào chúng ta có thể sử dụng thermistor để đo nhiệt độ? Hi vọng bây giờ chúng ta nhận ra rằng thermistor là một thiết bị điện trở và do đó, theo định luật Ohm, nếu chúng ta truyền dòng điện qua nó, sẽ tạo ra một sụt áp trên nó. Vì thermistor là một loại cảm biến thụ động, nghĩa là nó cần một tín hiệu kích thích để hoạt động, bất kỳ thay đổi nào trong điện trở của nó do thay đổi nhiệt độ đều có thể được chuyển đổi thành thay đổi điện áp.

Cách đơn giản nhất để làm điều này là sử dụng thermistor làm một phần của mạch điện trở chia áp như hình vẽ. Một điện áp nguồn không đổi được đặt trên mạch nối tiếp gồm điện trở và thermistor, với điện áp đầu ra được đo trên thermistor.

Ví dụ, nếu chúng ta sử dụng một thermistor 10kΩ với một điện trở nối tiếp 10kΩ, thì điện áp đầu ra tại nhiệt độ cơ sở 25°C sẽ bằng một nửa điện áp nguồn vì 10Ω/(10Ω+10Ω) = 0,5.

Khi điện trở của thermistor thay đổi do thay đổi nhiệt độ, phần điện áp nguồn trên thermistor cũng sẽ thay đổi, tạo ra một điện áp đầu ra tỷ lệ với phần điện trở nối tiếp tổng giữa các đầu ra.

Do đó, mạch điện trở chia áp là một ví dụ về bộ chuyển đổi điện trở sang điện áp đơn giản, trong đó điện trở của thermistor được kiểm soát bởi nhiệt độ với điện áp đầu ra tạo ra tỷ lệ với nhiệt độ. Vì vậy, càng nóng thermistor, điện áp đầu ra càng thấp.

Nếu chúng ta đảo vị trí của điện trở nối tiếp, RS và thermistor, RTH, thì điện áp đầu ra sẽ thay đổi theo hướng ngược lại, nghĩa là càng nóng thermistor, điện áp đầu ra càng cao.

Chúng ta có thể sử dụng thermistor NTC làm một phần của cấu hình cảm biến nhiệt độ cơ bản sử dụng mạch cầu như hình vẽ. Mối quan hệ giữa điện trở R1 và R2 đặt điện áp tham chiếu, VREF thành giá trị yêu cầu. Ví dụ, nếu cả R1 và R2 có cùng giá trị điện trở, điện áp tham chiếu sẽ bằng một nửa điện áp nguồn như trước đây, tức là Vs/2.

Khi nhiệt độ và do đó giá trị điện trở của thermistor thay đổi, điện áp tại VTH cũng sẽ thay đổi, cao hơn hoặc thấp hơn so với VREF, tạo ra một tín hiệu đầu ra dương hoặc âm cho bộ khuếch đại đã kết nối.

Mạch khuếch đại được sử dụng cho mạch cầu cảm biến nhiệt độ cơ bản này có thể hoạt động như một khuếch đại vi sai để có độ nhạy và khuếch đại cao, hoặc một mạch Schmitt-trigger đơn giản để bật/tắt.

Vấn đề khi truyền dòng điện qua thermistor theo cách này là thermistor gặp phải hiệu ứng gọi là tự làm nóng, nghĩa là công suất tổn thất I2*R có thể cao đến mức tạo ra nhiệt hơn là nhiệt có thể bị tản ra khỏi thermistor, ảnh hưởng đến giá trị điện trở của nó, tạo ra kết quả sai lệch.

Do đó, có thể nếu dòng điện qua thermistor quá cao sẽ dẫn đến tăng công suất tán nhiệt và khi nhiệt độ tăng lên, điện trở của nó giảm làm tăng dòng điện chảy qua, làm tăng nhiệt độ hơn nữa dẫn đến hiện tượng gọi là chạy nhiệt. Nói cách khác, chúng ta muốn thermistor nóng lên do nhiệt độ bên ngoài được đo chứ không phải do chính nó tự làm nóng.

Giá trị của điện trở nối tiếp, RS ở trên nên được chọn để cung cấp phản hồi đủ rộng trong phạm vi nhiệt độ dự kiến mà thermistor có thể được sử dụng, đồng thời hạn chế dòng điện ở mức an toàn tại nhiệt độ cao nhất.

Một cách để cải thiện điều này và có sự chuyển đổi chính xác hơn của điện trở so với nhiệt độ (R/T) là truyền dòng điện không đổi qua thermistor. Sự thay đổi điện trở có thể được đo bằng cách sử dụng một dòng điện một chiều (DC) nhỏ và đo được, được truyền qua thermistor để đo điện áp đầu ra tạo ra.

Thermistor được sử dụng để giảm dòng điện khởi động

Chúng ta đã thấy rằng thermistor được sử dụng làm bộ chuyển đổi nhiệt độ điện trở nhạy cảm, nhưng điện trở của một thermistor có thể thay đổi hoặc do thay đổi nhiệt độ bên ngoài hoặc do thay đổi nhiệt độ gây ra bởi dòng điện chạy qua chúng, rốt cuộc chúng là các thiết bị điện trở.

Định luật Ohm cho chúng ta biết rằng khi một dòng điện chạy qua một điện trở R, do điện áp đặt vào, công suất bị tiêu thụ dưới dạng nhiệt do hiệu ứng làm nóng I2*R. Do hiệu ứng tự làm nóng của dòng điện trong một thermistor, thermistor có thể thay đổi điện trở của nó với sự thay đổi của dòng điện.

Thiết bị điện có cuộn dây như động cơ, máy biến áp, đèn ballast, v.v. bị ảnh hưởng bởi dòng điện khởi động quá cao khi chúng được bật “ON” lần đầu. Nhưng thermistor được nối tiếp cũng có thể được sử dụng để hiệu quả hạn chế bất kỳ dòng điện khởi động ban đầu cao xuống mức an toàn. Thermistor NTC có giá trị điện trở lạnh (ở 25°C) thấp thường được sử dụng để điều chỉnh dòng điện như vậy.

Thermistor hạn chế dòng điện khởi động

Bộ giảm dòng điện khởi động và bộ hạn chế dòng điện đột biến là các loại thermistor được nối tiếp mà điện trở của chúng giảm xuống giá trị rất thấp khi nó được làm nóng bởi dòng điện tải chạy qua nó. Khi bật lần đầu, giá trị điện trở lạnh của thermistor (điện trở cơ sở) khá cao để kiểm soát dòng điện khởi động ban đầu vào tải.

Do dòng điện tải, thermistor nóng lên và giảm điện trở của nó tương đối chậm đến mức công suất tán nhiệt trên nó đủ để duy trì giá trị điện trở thấp của nó với phần lớn điện áp đặt vào được phát triển trên tải.

Do quán tính nhiệt của khối lượng của nó, hiệu ứng làm nóng này mất vài giây trong đó dòng điện tải tăng dần chứ không đột ngột, vì vậy bất kỳ dòng điện khởi động cao nào cũng bị hạn chế và công suất nó tiêu thụ giảm tương ứng. Do tác dụng nhiệt này, thermistor hạn chế dòng điện khởi động có thể hoạt động rất nóng trong trạng thái điện trở thấp. Như vậy, chúng cần một khoảng thời gian làm nguội hoặc phục hồi sau khi nguồn điện bị cắt, cho phép điện trở của thermistor NTC phục hồi đủ để sẵn sàng cho lần sử dụng tiếp theo.

Tốc độ phản ứng của một thermistor hạn chế dòng điện được cho bởi hằng số thời gian của nó. Đó là, thời gian cần thiết để điện trở của nó thay đổi 63% (tức là 1 đến 1/ε) của tổng thay đổi. Ví dụ, giả sử nhiệt độ môi trường thay đổi từ 0 đến 100°C, thì hằng số thời gian 63% sẽ là thời gian cần thiết để thermistor có giá trị điện trở tại 63°C.

Thermistor NTC cung cấp bảo vệ khỏi dòng điện khởi động quá cao không mong muốn, trong khi điện trở của chúng vẫn gần như bằng không trong quá trình vận hành liên tục cung cấp điện cho tải. Lợi thế ở đây là chúng có khả năng xử lý hiệu quả các dòng điện khởi động cao hơn nhiều so với các điện trở hạn chế dòng điện cố định tiêu chuẩn với cùng mức tiêu thụ công suất.

Tóm tắt về Điện trở Nhiệt NTC

Trong bài hướng dẫn này về thermistor, chúng ta đã thấy rằng thermistor là một bộ chuyển đổi điện trở hai đầu cực có thể thay đổi giá trị điện trở của nó với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh, do đó có tên gọi là điện trở nhiệt, hoặc đơn giản là “thermistor”.

Thermistor là cảm biến nhiệt độ rẻ tiền, dễ tìm, được chế tạo bằng cách sử dụng oxit kim loại bán dẫn. Chúng có sẵn với hệ số nhiệt độ âm (NTC) của điện trở hoặc hệ số nhiệt độ dương (PTC) của điện trở. Sự khác biệt là thermistor NTC giảm điện trở của chúng khi nhiệt độ tăng lên, trong khi thermistor PTC tăng điện trở của chúng khi nhiệt độ tăng lên.

Thermistor NTC là loại được sử dụng phổ biến nhất (đặc biệt là thermistor NTC 10KΩ) và cùng với một điện trở nối tiếp, RS có thể được sử dụng làm một phần của mạch điện trở chia áp đơn giản. Do đó, sự thay đổi điện trở do thay đổi nhiệt độ sẽ tạo ra một điện áp đầu ra liên quan đến nhiệt độ.

Tuy nhiên, dòng điện hoạt động của thermistor phải được giữ ở mức thấp nhất có thể để giảm hiệu ứng tự làm nóng. Nếu dòng điện hoạt động của chúng quá cao, chúng có thể nóng lên nhanh hơn khả năng tản nhiệt, tạo ra kết quả sai lệch.

Thermistor được đặc trưng bởi điện trở cơ sở cũng như giá trị “B” của chúng. Điện trở cơ sở, ví dụ 10kΩ, là điện trở của thermistor tại một nhiệt độ nhất định, thường là 25°C nên được xác định là: R25. Giá trị B là một hằng số vật liệu cố định mô tả hình dạng của đường dốc đường cong điện trở trên nhiệt độ (R/T).

Chúng ta cũng đã thấy rằng ngoài việc được sử dụng để đo nhiệt độ bên ngoài, thermistor cũng có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện do hiệu ứng làm nóng I2R gây ra bởi dòng điện chạy qua nó. Bằng cách nối tiếp một thermistor NTC với một tải, có thể hiệu quả hạn chế bất kỳ dòng điện khởi động cao nào.