נושא :תרמיסטור

בס"ד‏ ‏יום ראשון 10 דצמבר 2023

הקדמה

התרמיסטור הינו רכיב המשנה את ההתנגדות שלו כאשר הוא נחשף לשינויים בטמפרטורה ,התרמיסטור מתנהג כמו נגד אך רגיש לטמפרטורה כלומר ההתנגדות שלו תהיה בהתאם לטמפרטורה.
התרמיסטור הוא בעצם מתמר רגיש תרמית שנבנה באמצעות רכבים קרמים, פולימרים, ומוליכים למחצה.
זה מאפשר לתרמיסטור לשנות את ערכו ההתנגדות ביחס לשינויים קטנים בטמפרטורת הסביבה. במילים אחרות, ככל שהטמפרטורה שלו משתנה, כך גם ההתנגדות שלו משתנה, בעוד שהשינוי בהתנגדות עקב חום אינו רצוי בדרך כלל בנגדים סטנדרטיים, ניתן להשתמש בהשפעה זו במעגלי חישת טמפרטורה, והם משמשים כחיישני טמפרטורה המשמשים יישומים רבים.

תמונה מספר 1 – סוגי שונים של תרמיסטורים

מקדם טמפרטורה שללי (NTC)

תרמיסטור המשנה את ההתנגדות ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות יורדת ומאפשרת לזרם לעבור, במעגלים שונים הם יכולים להגביל את זרם העומס על ידי חימום עצמי כאשר הזרם מופעל בתחילה, ולאחר מכן לאפשר זרימת זרם רגילה מכיוון שההתנגדות שלהם יורדת לכמות זניחה במהלך פעולה במצב יציב (שהרכיב כבר התחמם). באופן כללי הם הסוג הנפוץ ביותר של חיישני טמפרטורה, שכן ניתן להשתמש בהם כמעט בכל סוג של ציוד שבו נדרשת מדידת טמפרטורה.

מקדם טמפרטורה חיובי (PTC)

ובשונה מתרמיסטור מסוג NTC עבור תרמיסטור PTC ככל שהטמפרטורה עולה ההתנגדות עולה ולמעשה "חוסמת" את הזרם יתר. השימוש העיקרי בתרמיסטורים הוא כחיישני טמפרטורה, למעשה הם יכולים לשמש כמכשיר מגביל זרם רגיש מבחינה תרמית , כתוצאה מכך, תרמיסטור PTC משמשים בדרך כלל כנתיך .

הסבר תרמיסטור מסוג NTC

תרמיסטורים זמינים במגוון התנגדויות שונות ועקומות טמפרטורה מגוונות ההתנגדות הכתובה על התרמיסטור הינה התנגדות בטמפרטורת החדר כלומר 25 מעלות צלזיוס. לדוגמה Ω3.3 , Ω1004.7kΩ , , 10kΩ ועוד.

מקדם B

מאפיין חשוב נוסף של תרמיסטור הוא הערך "B" שלו. ערך B הוא קבוע חומר אשר נקבע על ידי החומר ממנו הוא עשוי. הוא מתאר את השיפוע של עקומת ההתנגדות (טמפרטורה/התנגדות) על פני טווח טמפרטורות מסוים בין שתי נקודות טמפרטורה. לכל חומר שממנו מורכב התרמיסטור יהיה קבוע חומר שונה ולכן עקומת התנגדות לעומת טמפרטורה שונה.
לפיכך ערך B יגדיר את ערך ההתנגדות של התרמיסטור בטמפרטורה או נקודת בסיס ראשונה, (שהיא בדרך כלל 25 מעלות צלזיוס הנקראת T1 וערך ההתנגדות של התרמיסטור בנקודת טמפרטורה שנייה, למשל 85 מעלות צלזיוס הנקראת T2. לכן בדפי הנתונים הערך B יגדיר את קבוע החומר של התרמיסטור בין הטווח של T1 ו-T2. כלומר BT1/T2 או B25/85 , ערכיפ טיפוסיים של מקדם B של NTC הינם בין כ-3000 לכ-5000.
עם זאת חשוב שים לב ששתי נקודות הטמפרטורה של T1 ו-T2 מחושבות ביחידות הטמפרטורה של קלווין שבהן 00C = 273.15 קלווין. לפיכך ערך של 25 מעלות צלזיוס שווה ל 25 + 273.15 = 298.15K, ו-85 מעלות שווה ל-85 + 273.15 = 358.15K וכו' . הערך B של התרמיסטור מתקבל מדפי הנתונים,

תמונה מספר 2 – מתוך דפי הנתונים של הרכיב NTCLE413

וממנו ניתן לייצר טבלה של טמפרטורה מול התנגדות כדי לבנות גרף מתאים באמצעות המשוואה המנורמלת הבאה:

T1 – הטמפרטורה הראשונה בטמפרטורת קלווין
T2 – הטמפרטורה השנייה בטמפרטורת קלווין
R1 – ההתנגדות של התרמיסטור בטמפרטורה T1
R2 – ההתנגדות של התרמיסטור בטמפרטורה T2

מדידת הטמפרטורה

עד כאן אנחנו הצלחנו להבין כי התרמיסטור הוא התקן התנגדות ולכן על פי חוק אוהם, אם נעביר דרכו זרם, תיווצר מפל מתח על פניו. מכיוון שהתרמיסטור הוא פסיבי כלומר הוא דורש אות עירור לפעולתו, כל שינוי בהתנגדותו כתוצאה משינויים בטמפרטורה יכול להיות מומר לשינוי מתח ואנחנו יכולים לבצע זאת באמצעות המעגל הפשוט הבא

תמונה מספר 3 – מעגל חשמלי בסיסי למדידת טמפרטורה.

התרמיסטור הינו חלק ממעגל מחלק מתח פשוט המוצג בתמונה מספר 3 ,מתח קבוע מופעל על פני מעגל הנגד והתרמיסטור ומתח המוצא יחסי לערך ההתנגדות שלו.
לצורך הדוגמה אם למשל נשתמש בתרמיסטור של 5kΩ עם נגד בטור של 5kΩ אז מתח המוצא בטמפרטורה של 25 מעלות יהיה בדיוק חצי ממתח האספקה ​​אם נעשה חשבון אז ההתנגדות תהיה 2.5kΩ לפי הנוסחה

ואם נרצה מתח נשתמש במחלק מתח סטנדרטי

נקבל בדיוק חצי ממתח ההזנה כאשר התרמיסטור והנגד בטמפרטורה של 5kΩ לפיכך מעגל מחלק המתח הוא דוגמה לממיר התנגדות למתח פשוט שבו ההתנגדות של התרמיסטור נשלטת על ידי הטמפרטורה כאשר מתח המוצא המיוצר הוא פרופורציונלי לטמפרטורה.
אחת הבעיות עם העברת זרם דרך תרמיסטור בדרך זו היא מה שנקרא אפקט חימום עצמי כלומר אובדן האנרגיהI²*R יהיה גבוה מספיק כדי ליצור יותר חום ממה שניתן להעביר דרך התרמיסטור וחום זה משפיע על הערך ההתנגדות שלו ומייצר תוצאות שגויות. לפיכך יתכן שאם הזרם דרך התרמיסטור גבוה מדי זה יביא לפיזור אנרגיה מוגבר וככל שהטמפרטורה עולה ההתנגדות שלו יורדת מה שגורם ליותר זרם לזרום, מה שמגדיל את הטמפרטורה עוד יותר וכתוצאה מכך, במילים אחרות, אנחנו רוצים שהתרמיסטור יהיה חם בגלל הטמפרטורה החיצונית הנמדדת ולא בשל הזרם המחממם את סביבת התרמיסטור.

שימוש בטרמיסטור להגבלה של זרם התנעה

ראינו שתרמיסטורים משמשים כמתמרים רגישים לטמפרטורה אך ניתן לשנות את ההתנגדות של תרמיסטור או על ידי שינויי טמפרטורה חיצוניים או על ידי שינויים בטמפרטורה הנגרמים על ידי זרם חשמלי שזורם דרכם שכן אחרי הכל הם תלויי התנגדות .
חוק אוהם אומר לנו שכאשר זרם חשמלי עובר דרך התנגדות כתוצאה מהמתח הספק נצרך בצורה של חום עקב אפקט החימום I²*R בגלל השפעת החימום העצמי של הזרם בתרמיסטור הוא יכול לשנות את ההתנגדות שלו בעקבות שינויי בזרם.

ציוד חשמלי אינדוקטיבי כגון מנועים, שנאים, ספקי כוח וכו' סובלים מזרמי התנעה גדולים כאשר הם מופעלים. אבל ניתן להשתמש בתרמיסטור המחובר בטור למעגל כדי להגביל ביעילות את זרמי ההתנעה לערך סביר. למעשה מגבילי זרמי התנעה הם סוגים של תרמיסטור מחובר בטור, שהתנגדותם יורדת לערך נמוך מאוד כשהוא מחומם על ידי הזרם העובר דרכו , בהדלקה הראשונית ערך ההתנגדות הקרה של התרמיסטור (התנגדות הבסיס שלו) גבוה למדי (באופן ייחסי) וזה מגביל את זרם ההתנעה הראשוני העומס , כתוצאה מאותו זרם התרמיסטור מתחמם ומפחית את ההתנגדות שלו באיטיות יחסית עד לנקודה שבה הוא מגיע לשיווי משקל תרמי ולמעשה האנרגיה על פני התרמיסטור מתפזרת על פניו וזו שומרת בו על טמפרטורה יחסית קבועה לאורך זמן לאחר החימום הראשוני , אפקט החימום הראשוני הזה נמשך מספר שניות שבמהלכן זרם העומס גדל בהדרגה ולא באופן מיידי, כך שכל זרם התנעה מרוסן בהתאם. בגלל פעולה תרמית זו תרמיסטורים לדיכוי זרם התנעה ראשוני יכולים להיות חמים בעת עבודה ועל כן נדרש תקופת קירור מסוימת עד לחזרה למצב רגיל לאחר ניתוק החשמל ובכך מאפשרת להתנגדות של התרמיסטור NTC לחזור למצב רגיל בצורה טובה לפעם הבאה שיהיה צורך בו.

בהצלחה