Các loại nhiệt điện trở, chi tiết đặc tính và nguyên lý làm việc

Tên nhiệt điện trở đã được nghĩ ra như một dạng viết tắt của 'điện trở nhạy cảm với nhiệt'. Dạng đầy đủ của nhiệt điện trở cung cấp ý tưởng chung và chi tiết về hoạt động là đặc điểm của điện trở nhiệt.

Bởi: S. Prakash

Các loại thiết bị khác nhau trong đó nhiệt điện trở được sử dụng bao gồm nhiều loại thiết bị như cảm biến nhiệt độ và mạch điện tử nơi chúng cung cấp bù nhiệt độ.

Mặc dù việc sử dụng nhiệt điện trở không phổ biến như các bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện ở dạng thông thường, nhưng trường điện tử sử dụng nhiệt điện trở ở quy mô lớn.

Ký hiệu của mạch nhiệt điện trở

Ký hiệu được sử dụng bởi nhiệt điện trở để nhận biết nó là ký hiệu mạch của chính nó.

Ký hiệu mạch của một điện trở nhiệt bao gồm một đế được tạo thành hình chữ nhật điện trở tiêu chuẩn cùng với một đường chéo đi qua đế và bao gồm một phần thẳng đứng có kích thước nhỏ.

Các sơ đồ mạch điện sử dụng rộng rãi ký hiệu mạch của nhiệt điện trở.

Các loại nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở có thể được chia thành nhiều loại và loại khác nhau dựa trên một số cách khác nhau.

Những cách phân loại chúng này trước hết dựa trên cách thức mà nhiệt điện trở phản ứng khi tiếp xúc với nhiệt.

Điện trở của một số tụ điện tăng lên khi nhiệt độ tăng lên trong khi điều ngược lại xảy ra ở các loại nhiệt điện trở khác, dẫn đến giảm điện trở.

Ý tưởng này có thể được mở rộng bằng đường cong của nhiệt điện trở có thể được mô tả bằng một phương trình có dạng đơn giản:

Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ

ΔR = k x & ΔT

Phương trình trên bao gồm:

ΔR = Đã quan sát thấy sự thay đổi của kháng cự

ΔT = Thay đổi nhiệt độ quan sát được

k = hệ số nhiệt độ của điện trở bậc nhất

Có một mối quan hệ phi tuyến tính giữa điện trở và nhiệt độ trong phần lớn các trường hợp. Nhưng với những thay đổi nhỏ khác nhau về điện trở và nhiệt độ, có một sự thay đổi trong mối quan hệ cũng như quan sát được và mối quan hệ trở nên tuyến tính về bản chất.

Giá trị của “k” có thể là dương hoặc âm tùy thuộc vào loại nhiệt điện trở.

Nhiệt điện trở NTC (Hệ số nhiệt điện trở âm): Thuộc tính của Nhiệt điện trở NTC cho phép nó giảm điện trở khi nhiệt độ tăng và do đó hệ số “k” đối với nhiệt điện trở NTC là âm.

Nhiệt điện trở PTC (Nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ dương): Thuộc tính của nhiệt điện trở NTC cho phép nó tăng điện trở khi nhiệt độ tăng và do đó hệ số “k” cho nhiệt điện trở NTC là dương.

Một cách khác mà nhiệt điện trở có thể được phân biệt và phân loại ngoài tính năng thay đổi điện trở của chúng là phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng cho nhiệt điện trở. Vật liệu đang được sử dụng có hai loại chính:

Chất bán dẫn tinh thể đơn

Các hợp chất có bản chất là kim loại như oxit

Thermistor: Sự phát triển và lịch sử

Hiện tượng biến thiên quan sát được trong điện trở do sự thay đổi của nhiệt độ đã được chứng minh vào đầu thế kỷ XIX.

Có nhiều cách mà nhiệt điện trở vẫn tiếp tục được sử dụng cho đến nay. Nhưng phần lớn nhiệt điện trở này có nhược điểm là chúng có thể thể hiện sự biến đổi điện trở rất nhỏ tương ứng với phạm vi nhiệt độ lớn.

Việc sử dụng các chất bán dẫn thường được ngụ ý trong các nhiệt điện trở cho phép các điện trở nhiệt thể hiện các biến thể lớn hơn về điện trở tương ứng với phạm vi nhiệt độ lớn.

Các vật liệu được sử dụng để sản xuất nhiệt điện trở có hai loại bao gồm các hợp chất kim loại là vật liệu đầu tiên được phát hiện cho nhiệt điện trở.

Năm 1833, trong khi đo sự biến thiên của điện trở đối với nhiệt độ của bạc sunfua, Faraday đã phát hiện ra hệ số nhiệt độ âm. Nhưng sự sẵn có của các oxit kim loại ở quy mô lớn trên phạm vi thương mại chỉ xuất hiện trong những năm 1940.

Việc nghiên cứu nhiệt điện trở silicon và nhiệt điện trở tinh thể germani đã được thực hiện sau Chiến tranh thế giới thứ hai trong khi việc nghiên cứu vật liệu bán dẫn đang được thực hiện.

Mặc dù chất bán dẫn và oxit kim loại là hai loại nhiệt điện trở, nhưng phạm vi nhiệt độ được bao phủ bởi chúng là khác nhau và do đó chúng không cần phải cạnh tranh.

Thành phần và cấu trúc của nhiệt điện trở

Trên cơ sở các ứng dụng mà nhiệt điện trở cần được sử dụng cùng với phạm vi dải nhiệt độ mà nhiệt điện trở sẽ hoạt động, kích thước, hình dạng và loại vật liệu được sử dụng để sản xuất điện trở nhiệt được quyết định.

Trong trường hợp các ứng dụng mà bề mặt phẳng cần được tiếp xúc liên tục bởi điện trở nhiệt thì hình dạng của điện trở nhiệt trong những trường hợp này là dạng đĩa phẳng.

Trong trường hợp, có các đầu dò nhiệt độ mà nhiệt điện trở cần được chế tạo thì hình dạng của nhiệt điện trở là dạng que hoặc dạng hạt. Do đó, các yêu cầu tuân theo các ứng dụng mà nhiệt điện trở sẽ được sử dụng sẽ định hướng hình dạng vật lý thực tế của nhiệt điện trở.

Phạm vi nhiệt độ mà nhiệt điện trở loại oxit kim loại được sử dụng là 200-700 K.

Thành phần được sử dụng để sản xuất các nhiệt điện trở này được tìm thấy ở dạng bột mịn được thiêu kết và nén ở nhiệt độ rất cao.

Các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho các nhiệt điện trở này bao gồm oxit niken, oxit sắt, oxit mangan, oxit đồng và oxit coban.

Nhiệt độ mà nhiệt điện trở bán dẫn được sử dụng là rất thấp. Nhiệt điện trở silicon được sử dụng ít thường xuyên hơn so với nhiệt điện trở germani được sử dụng rộng rãi hơn cho các nhiệt độ nằm trong phạm vi dưới 100º của độ không tuyệt đối, tức là 100K.

Nhiệt độ mà việc sử dụng nhiệt điện trở silicon có thể được thực hiện là tối đa 250K. Nếu nhiệt độ tăng hơn 250K, thì điện trở nhiệt silicon trải qua việc cài đặt hệ số nhiệt độ dương. Một tinh thể đơn được sử dụng để sản xuất nhiệt điện trở trong đó mức độ pha tạp của tinh thể được thực hiện là 10 ^ 16 - 10 ^ 17 / cm3.

Các ứng dụng của Thermistor

Nhiệt điện trở có thể được sử dụng cho nhiều loại ứng dụng khác nhau và có nhiều ứng dụng khác trong đó chúng được tìm thấy.

Đặc điểm hấp dẫn nhất của nhiệt điện trở khiến chúng được sử dụng phổ biến trong các mạch điện là các phần tử do chúng cung cấp trong mạch rất hiệu quả về chi phí vì chúng hoạt động hiệu quả và lại có giá thành rẻ.

Thực tế là hệ số nhiệt độ là âm hay dương sẽ xác định các ứng dụng mà nhiệt điện trở có thể được sử dụng.

Trong trường hợp hệ số nhiệt độ là âm, nhiệt điện trở có thể được sử dụng cho các ứng dụng sau:

Nhiệt kế ở nhiệt độ rất thấp: các nhiệt điện trở được sử dụng để đo nhiệt độ ở mức rất thấp trong nhiệt kế có nhiệt độ rất thấp.

Bộ điều nhiệt kỹ thuật số: Các bộ điều nhiệt kỹ thuật số ngày nay sử dụng các nhiệt điện trở một cách rộng rãi và phổ biến.

Màn hình bộ pin: Nhiệt độ của bộ pin trong suốt thời gian chúng được sạc được theo dõi thông qua việc sử dụng các nhiệt trở NTC.

Một số loại pin được sử dụng trong ngành công nghiệp hiện đại nhạy cảm với việc sạc quá mức, bao gồm cả pin Li-ion được sử dụng rộng rãi. Trong các loại pin như vậy, trạng thái sạc của chúng được biểu thị hiệu quả bằng nhiệt độ và do đó cho phép xác định thời điểm cần kết thúc chu kỳ sạc.

Thiết bị bảo vệ khi khẩn cấp: Các mạch cung cấp điện sử dụng NTC nhiệt điện trở dưới dạng thiết bị hạn chế dòng điện chạy vội.

Các nhiệt điện trở NTC trong khi hoạt động như một thiết bị bảo vệ trong dòng điện ngăn chặn dòng chảy của một lượng lớn dòng điện tại điểm bật và bằng cách cung cấp mức điện trở cao ban đầu.

Sau đó, nhiệt điện trở bị đốt nóng và do đó mức điện trở ban đầu do nó cung cấp giảm đáng kể, do đó cho phép dòng điện chạy qua lượng lớn trong quá trình hoạt động bình thường của mạch.

Các nhiệt điện trở được sử dụng cho mục đích của ứng dụng này được thiết kế phù hợp và do đó kích thước của chúng lớn hơn so với các nhiệt điện trở kiểu đo.

Trong trường hợp hệ số nhiệt độ là dương, nhiệt điện trở có thể được sử dụng cho các ứng dụng sau:

Các thiết bị giới hạn dòng điện: Các mạch điện tử sử dụng các nhiệt điện trở PTC dưới dạng các thiết bị giới hạn dòng điện.

Các điện trở nhiệt PTC hoạt động như một thiết bị thay thế cho cầu chì được sử dụng phổ biến hơn. Không có tác dụng phụ hoặc quá mức gây ra bởi nhiệt được tạo ra với lượng nhỏ khi thiết bị chịu dòng điện trong điều kiện bình thường.

Nhưng trong trường hợp dòng điện chạy qua thiết bị là rất lớn thì nó có thể dẫn đến tăng điện trở vì nhiệt có thể không được tản ra xung quanh vì thiết bị có thể không làm được như vậy.

Điều này dẫn đến việc tạo ra nhiều nhiệt hơn, do đó tạo ra hiện tượng hiệu ứng phản hồi tích cực. Thiết bị được bảo vệ bởi nhiệt như vậy và sự dao động của dòng điện kể từ khi dòng điện giảm được quan sát khi có sự gia tăng điện trở.

Các ứng dụng mà nhiệt điện trở có thể được sử dụng là rất nhiều. Nhiệt điện trở có thể được sử dụng để cảm nhận nhiệt độ một cách đáng tin cậy, rẻ (hiệu quả về chi phí) và đơn giản.

Các thiết bị khác nhau mà nhiệt điện trở có thể được sử dụng bao gồm bộ điều nhiệt và thiết bị báo cháy. Nhiệt điện trở có thể được sử dụng một mình cũng như đồng thời với các thiết bị khác. Trong trường hợp thứ hai, nhiệt điện trở có thể được sử dụng để cung cấp độ chính xác cao bằng cách biến nó trở thành một phần của Cầu Wheatstone.

Ngoài ra, các nhiệt điện trở được sử dụng dưới dạng các thiết bị bù nhiệt độ.

Trong một tỷ lệ phần trăm lớn điện trở, có sự gia tăng điện trở được quan sát với sự gia tăng nhiệt độ tương ứng do hệ số nhiệt độ dương của chúng.

Trong trường hợp ứng dụng có yêu cầu cao về độ ổn định, nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm được sử dụng. Điều này đạt được khi mạch kết hợp nhiệt điện trở để chống lại các hiệu ứng của linh kiện tạo ra do hệ số nhiệt độ dương của chúng.