في مجال الهندسة الإلكترونية، قياس درجة الحرارة والتحكم لها أهمية قصوى.كأجهزة حاسوب حرارة صغيرة الكفاءة وفعالةلكن كيف تحصل محطات الحرارة NTC على استشعار درجة الحرارة؟ ما هي خصائص أدائها الفريدة؟وكيف يجب على المهندسين اختيار وتحسين NTC الحرارة لتلبية متطلبات التطبيقات المتنوعةتوفر هذه المقالة تحليلاً متعمقاً لتكنولوجيا الترمستورات NTC، والخصائص الرئيسية، والاعتبارات العملية، وتقدم دليلًا تقنيًا شاملًا للمهندسين والباحثين.
1محولات الحرارة: جوهر استشعار درجة الحرارة
محاور الحرارة NTC هي المقاومات شبه الموصلة المتخصصة التي تتميز بالانخفاض الكبير في المقاومة مع زيادة درجة الحرارة.هذه الحساسية الفريدة للحرارة تنبع من تكوين المواد والآليات الفيزيائيةعادة ما يتم تصنيعها من مواد السيراميكية شبه الموصلات البوليكريستالية مع بنية سبينيل، تتكون محطات حرارة NTC في المقام الأول من أكسيدات المعادن مثل المنغنيز والنيكل والكوبالت والحديد،والنحاس.
على عكس الموصلات المعدنية التقليدية حيث أن المقاومة الكهربائية تنشأ من الاهتزازات الذرية التي تعيق حركة الإلكترونات الحرةتعمل أجهزة تحديد الحرارة NTC على آلية "توصيل القفز" التي تنطوي على إلكترونات حرة وأزواج ثقوبمع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد تركيز حاملات الشحنة هذه داخل المادة، مما يعزز تدفق الشحنة وبالتالي يقلل من المقاومة.يمكن تفسير آلية التوصيل هذه من خلال نظرية الشرائط، والتي تكشف العلاقة الجوهرية بين الهيكل الإلكتروني للمادة وخصائصها الموصلة.
من خلال التحكم بدقة في تكوين المواد وعمليات التصنيع، يمكن للمهندسين ضبط خصائص درجة حرارة محولات NTC لتلبية متطلبات التطبيق المحددة.
2الخصائص الرئيسية للمحافظات الحرارية NTC
يتأثر تغير المقاومة في ثرميستورات NTC بدرجة درجة حرارة البيئة وتأثيرات التسخين الذاتي. تشير درجة حرارة البيئة إلى جميع مصادر الحرارة الخارجية ،في حين أن تسخين الذاتي ينتج عن تسخين الجول عندما يمر التيار من خلال الترميستورتحليل خصائص الترميستورات NTC عادة ما يميز بين ظروف "بدون حمولة" و "حمولة".
2.1 خصائص الترددات الحرارية NTC بدون تحميل
في ظل ظروف عدم الحمل حيث يكون التسخين الذاتي ضئيلًا ، يتم تحديد سلوك مرشح الحرارة NTC في المقام الأول من خلال خصائص المواد ودرجة حرارة البيئة.
2.1.1 خصائص المقاومة الحرارية (R/T)
يمكن التقريب من العلاقة بين مقاومة ترمستور NTC ودرجة الحرارة المطلقة بواسطة الدالة الأسهمية:
R1= R2× eB × (1/T)1- 1/T2)
حيث:
في حين أن هذه المعادلة توفر التقريب الرياضي،التطبيقات العملية عادة ما تستخدم جداول R / T شاملة تحدد قيم المقاومة الدقيقة عبر مجموعة درجات الحرارة التشغيلية بأكملها، مما يوفر دقة أكبر من الصيغة المبسطة.
2.1.2 قيمة B
القيمة B هي معيار حاسم يمثل منحنى منحنى المقاومة-درجة الحرارة، مما يشير إلى مدى حساسية المقاومة لتغيرات درجة الحرارة.,يتم حسابها على النحو التالي:
B = (lnR1- إين آر2) / (1/T1- 1/T2)
وبما أن النموذج الأسهمي هو تقريب، فإن قيمة B ليست ثابتة تمامًا ولكنها تختلف قليلاً عبر نطاقات درجات الحرارة.25/85يحدد نطاق درجة الحرارة (25 °C إلى 85 °C في هذه الحالة) الذي يتم حساب قيمة B.
تحتوي مواد NTC الشائعة على قيم B تتراوح عادةً من 3000K إلى 5000K. يعتمد الاختيار على متطلبات التطبيق ويشمل موازنة المقاومة الاسمية مع القيود الأخرى ،لأن كل قيم B ليست مناسبة لكل نوع من حزم NTC.
2.1.3 معامل الحرارة
يعرّف معامل درجة الحرارة (α) معدل تغير المقاومة النسبي مع درجة الحرارة:
α = (1/R) × (dR/dT)
عادة ما يكون هذا المعامل سلبيًا ، مما يعكس سلوك NTC.حجمها يؤثر بشكل مباشر على حساسية قياس درجة الحرارة.
2.1.4 التسامح
يحدد التسامح الانحراف المسموح به من قيم المقاومة الاسمية ، عادة ما يتم الإشارة إليها عند 25 درجة مئوية (على الرغم من أنه يمكن تحديد درجات حرارة أخرى).تعتبر تسامح المقاومة الإجمالية عند درجة حرارة معينة كل من تسامح المقاومة المرجعية وتغير قيمة B.
يمكن استنتاج تحمل درجة الحرارة على النحو:
ΔT = (1/α) × (ΔR/R)
للقياسات الدقيقة ، يوصى بتقديم جداول R / T موحدة على الحسابات المبسطة.
2.2 خصائص الحمل الكهربائي
2.2ثابت التبديد الحراري (δ)ال)
عندما يتدفق التيار من خلال الترميستور ، يؤدي تسخين جول إلى تسخين ذاتي يوصف بواسطة:
(ب)ال= V × I = δال× (T - Tأ)
هكذا:
δال= Pال/ (ت - تأ) = RT× I2/ (ت - تأ)
معبر عنها في mW/K، δاليشير إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الترميستور بنسبة 1K. القيم الأعلى تعني انبعاث حرارة أفضل للبيئة.لاحظ أن الخصائص الحرارية المنشورة عادة ما تفترض ظروف الهواء الثابت البيئات المختلفة أو معالجة ما بعد التصنيع قد تغير هذه القيم.
2.2.2 خصائص الجهد/التيار
تحت طاقة كهربائية ثابتة ، ترتفع درجة حرارة الترميستور بشكل حاد في البداية قبل الاستقرار عندما يوازن تبديد الطاقة توليد الحرارة.العلاقة بين الجهد والتيار في التوازن الحراري هي:
I = √(δال× (T - Tأ) / R(T))
أو
V = √(δال× (T - Tأ) × R(T))
إن رسم الجهد مقابل التيار عند درجة حرارة ثابتة يكشف عن أربع مناطق مميزة:
2.2.3 القوة القصوى (P)25)
(ب)25يمثل أقصى قدر من الطاقة التي يمكن أن يتحملها الترميستور عند 25 درجة مئوية في الهواء الهادئ. تشغيل هذا المستوى يضع الجهاز في منطقة التسخين الذاتي،والتي يجب تجنبها بشكل عام ما لم تشترطها التطبيق على وجه التحديد.
2.2ثابت الوقت الحراري (τ)
عندما جهاز استشعار درجة الحرارة في T1يتم وضعه في بيئة عند T2، تغير درجة حرارتها بشكل كبير:
T(t) = T2+ (T1- ت2) × e- t/τأ
يتم تعريف ثابت الوقت τ (Tau 63.2) على أنه الوقت اللازم لحدوث 63.2٪ من إجمالي تغير درجة الحرارة. يعتمد هذا المعلم بشكل كبير على:
في مجال الهندسة الإلكترونية، قياس درجة الحرارة والتحكم لها أهمية قصوى.كأجهزة حاسوب حرارة صغيرة الكفاءة وفعالةلكن كيف تحصل محطات الحرارة NTC على استشعار درجة الحرارة؟ ما هي خصائص أدائها الفريدة؟وكيف يجب على المهندسين اختيار وتحسين NTC الحرارة لتلبية متطلبات التطبيقات المتنوعةتوفر هذه المقالة تحليلاً متعمقاً لتكنولوجيا الترمستورات NTC، والخصائص الرئيسية، والاعتبارات العملية، وتقدم دليلًا تقنيًا شاملًا للمهندسين والباحثين.
1محولات الحرارة: جوهر استشعار درجة الحرارة
محاور الحرارة NTC هي المقاومات شبه الموصلة المتخصصة التي تتميز بالانخفاض الكبير في المقاومة مع زيادة درجة الحرارة.هذه الحساسية الفريدة للحرارة تنبع من تكوين المواد والآليات الفيزيائيةعادة ما يتم تصنيعها من مواد السيراميكية شبه الموصلات البوليكريستالية مع بنية سبينيل، تتكون محطات حرارة NTC في المقام الأول من أكسيدات المعادن مثل المنغنيز والنيكل والكوبالت والحديد،والنحاس.
على عكس الموصلات المعدنية التقليدية حيث أن المقاومة الكهربائية تنشأ من الاهتزازات الذرية التي تعيق حركة الإلكترونات الحرةتعمل أجهزة تحديد الحرارة NTC على آلية "توصيل القفز" التي تنطوي على إلكترونات حرة وأزواج ثقوبمع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد تركيز حاملات الشحنة هذه داخل المادة، مما يعزز تدفق الشحنة وبالتالي يقلل من المقاومة.يمكن تفسير آلية التوصيل هذه من خلال نظرية الشرائط، والتي تكشف العلاقة الجوهرية بين الهيكل الإلكتروني للمادة وخصائصها الموصلة.
من خلال التحكم بدقة في تكوين المواد وعمليات التصنيع، يمكن للمهندسين ضبط خصائص درجة حرارة محولات NTC لتلبية متطلبات التطبيق المحددة.
2الخصائص الرئيسية للمحافظات الحرارية NTC
يتأثر تغير المقاومة في ثرميستورات NTC بدرجة درجة حرارة البيئة وتأثيرات التسخين الذاتي. تشير درجة حرارة البيئة إلى جميع مصادر الحرارة الخارجية ،في حين أن تسخين الذاتي ينتج عن تسخين الجول عندما يمر التيار من خلال الترميستورتحليل خصائص الترميستورات NTC عادة ما يميز بين ظروف "بدون حمولة" و "حمولة".
2.1 خصائص الترددات الحرارية NTC بدون تحميل
في ظل ظروف عدم الحمل حيث يكون التسخين الذاتي ضئيلًا ، يتم تحديد سلوك مرشح الحرارة NTC في المقام الأول من خلال خصائص المواد ودرجة حرارة البيئة.
2.1.1 خصائص المقاومة الحرارية (R/T)
يمكن التقريب من العلاقة بين مقاومة ترمستور NTC ودرجة الحرارة المطلقة بواسطة الدالة الأسهمية:
R1= R2× eB × (1/T)1- 1/T2)
حيث:
في حين أن هذه المعادلة توفر التقريب الرياضي،التطبيقات العملية عادة ما تستخدم جداول R / T شاملة تحدد قيم المقاومة الدقيقة عبر مجموعة درجات الحرارة التشغيلية بأكملها، مما يوفر دقة أكبر من الصيغة المبسطة.
2.1.2 قيمة B
القيمة B هي معيار حاسم يمثل منحنى منحنى المقاومة-درجة الحرارة، مما يشير إلى مدى حساسية المقاومة لتغيرات درجة الحرارة.,يتم حسابها على النحو التالي:
B = (lnR1- إين آر2) / (1/T1- 1/T2)
وبما أن النموذج الأسهمي هو تقريب، فإن قيمة B ليست ثابتة تمامًا ولكنها تختلف قليلاً عبر نطاقات درجات الحرارة.25/85يحدد نطاق درجة الحرارة (25 °C إلى 85 °C في هذه الحالة) الذي يتم حساب قيمة B.
تحتوي مواد NTC الشائعة على قيم B تتراوح عادةً من 3000K إلى 5000K. يعتمد الاختيار على متطلبات التطبيق ويشمل موازنة المقاومة الاسمية مع القيود الأخرى ،لأن كل قيم B ليست مناسبة لكل نوع من حزم NTC.
2.1.3 معامل الحرارة
يعرّف معامل درجة الحرارة (α) معدل تغير المقاومة النسبي مع درجة الحرارة:
α = (1/R) × (dR/dT)
عادة ما يكون هذا المعامل سلبيًا ، مما يعكس سلوك NTC.حجمها يؤثر بشكل مباشر على حساسية قياس درجة الحرارة.
2.1.4 التسامح
يحدد التسامح الانحراف المسموح به من قيم المقاومة الاسمية ، عادة ما يتم الإشارة إليها عند 25 درجة مئوية (على الرغم من أنه يمكن تحديد درجات حرارة أخرى).تعتبر تسامح المقاومة الإجمالية عند درجة حرارة معينة كل من تسامح المقاومة المرجعية وتغير قيمة B.
يمكن استنتاج تحمل درجة الحرارة على النحو:
ΔT = (1/α) × (ΔR/R)
للقياسات الدقيقة ، يوصى بتقديم جداول R / T موحدة على الحسابات المبسطة.
2.2 خصائص الحمل الكهربائي
2.2ثابت التبديد الحراري (δ)ال)
عندما يتدفق التيار من خلال الترميستور ، يؤدي تسخين جول إلى تسخين ذاتي يوصف بواسطة:
(ب)ال= V × I = δال× (T - Tأ)
هكذا:
δال= Pال/ (ت - تأ) = RT× I2/ (ت - تأ)
معبر عنها في mW/K، δاليشير إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الترميستور بنسبة 1K. القيم الأعلى تعني انبعاث حرارة أفضل للبيئة.لاحظ أن الخصائص الحرارية المنشورة عادة ما تفترض ظروف الهواء الثابت البيئات المختلفة أو معالجة ما بعد التصنيع قد تغير هذه القيم.
2.2.2 خصائص الجهد/التيار
تحت طاقة كهربائية ثابتة ، ترتفع درجة حرارة الترميستور بشكل حاد في البداية قبل الاستقرار عندما يوازن تبديد الطاقة توليد الحرارة.العلاقة بين الجهد والتيار في التوازن الحراري هي:
I = √(δال× (T - Tأ) / R(T))
أو
V = √(δال× (T - Tأ) × R(T))
إن رسم الجهد مقابل التيار عند درجة حرارة ثابتة يكشف عن أربع مناطق مميزة:
2.2.3 القوة القصوى (P)25)
(ب)25يمثل أقصى قدر من الطاقة التي يمكن أن يتحملها الترميستور عند 25 درجة مئوية في الهواء الهادئ. تشغيل هذا المستوى يضع الجهاز في منطقة التسخين الذاتي،والتي يجب تجنبها بشكل عام ما لم تشترطها التطبيق على وجه التحديد.
2.2ثابت الوقت الحراري (τ)
عندما جهاز استشعار درجة الحرارة في T1يتم وضعه في بيئة عند T2، تغير درجة حرارتها بشكل كبير:
T(t) = T2+ (T1- ت2) × e- t/τأ
يتم تعريف ثابت الوقت τ (Tau 63.2) على أنه الوقت اللازم لحدوث 63.2٪ من إجمالي تغير درجة الحرارة. يعتمد هذا المعلم بشكل كبير على:
