تخيل أن محرك سيارتك يقوم تلقائيًا بضبط حقن الوقود لضمان بداية سلسة في صباحات الشتاء المتجمدة، أو أن هاتفك الذكي يقوم بتعتيم شاشته بذكاء لمنع ارتفاع درجة الحرارة خلال أيام الصيف الحارقة. تعتمد هذه الميزات التي تبدو عادية على مكون إلكتروني مهم: الثرمستور NTC. بصفته حارسًا غير مرئي، فهو يلعب دورًا حيويًا في استشعار درجة الحرارة وحماية الدائرة.

NTC لتقف على "معامل درجة الحرارة السلبية". الثرمستور NTC عبارة عن مقاومة تقل مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. هذه الخاصية الفريدة تجعلها مثالية لاستشعار درجة الحرارة والحد من التيار. بالمقارنة مع أجهزة استشعار درجة الحرارة السيليكونية وكاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs)، توفر الثرمستورات NTC معاملات حساسية أعلى لدرجة الحرارة بحوالي خمس إلى عشر مرات، مما يتيح استجابات أسرع وأكثر دقة للتغيرات في درجات الحرارة.

عادةً، تعمل مستشعرات NTC ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح من -55 درجة مئوية إلى +200 درجة مئوية. واجهت مقاومات NTC المبكرة تحديات بسبب العلاقة غير الخطية بين المقاومة ودرجة الحرارة، مما أدى إلى تعقيد قياسات درجة الحرارة الدقيقة في الدوائر التناظرية. ومع ذلك، فقد أدت التطورات في الدوائر الرقمية إلى حل هذه المشكلة من خلال جداول البحث عن الاستيفاء أو المعادلات التي تقارب منحنيات NTC النموذجية.

على عكس RTDs المصنوعة من المعدن، عادةً ما يتم تصنيع الثرمستورات NTC من السيراميك أو البوليمرات. توفر المواد المختلفة استجابات مختلفة لدرجة الحرارة وخصائص الأداء.

• استجابة درجة الحرارة:تم تحسين معظم الثرمستورات NTC من -55 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية، مما يوفر القراءات الأكثر دقة ضمن هذا النطاق. يمكن أن تعمل المتغيرات المتخصصة بالقرب من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) أو في بيئات تتجاوز 150 درجة مئوية.
• حساسية درجة الحرارة:يتم التعبير عنها بـ "% التغير لكل درجة مئوية" أو "% التغير لكل كلفن"، تظهر مستشعرات NTC عادةً قيمًا تتراوح بين -3% إلى -6%/درجة مئوية، اعتمادًا على المواد وعمليات التصنيع.
• مقارنة مع أجهزة الاستشعار الأخرى:تتفوق الثرمستورات NTC على RTDs البلاتينية من حيث الحجم وسرعة الاستجابة ومقاومة الصدمات والتكلفة. على الرغم من أنها أقل دقة قليلاً من RTDs، إلا أنها تتطابق مع المزدوجات الحرارية في الدقة. ومع ذلك، المزدوجات الحرارية تتفوق في تطبيقات درجات الحرارة العالية (تصل إلى 600 درجة مئوية). في درجات الحرارة المنخفضة، توفر الثرمستورات NTC حساسية واستقرارًا ودقة فائقة مع الحد الأدنى من الدوائر الإضافية.
• تأثير التسخين الذاتي:يؤدي تدفق التيار عبر الثرمستور NTC إلى توليد حرارة، مما يؤثر على دقة القياس. ويعتمد هذا التأثير على الحجم الحالي، والظروف البيئية (السائل/الغاز، ووجود التدفق)، ومعامل درجة الحرارة، ومساحة السطح. غالبًا ما يتم الاستفادة من هذه الخاصية في أجهزة الكشف عن وجود السوائل مثل أجهزة استشعار الخزان.
• القدرة الحرارية:تشير السعة الحرارية، المُقاسة بوحدة مللي جول/درجة مئوية، إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الثرمستور بمقدار 1 درجة مئوية. تعتبر هذه المعلمة ضرورية لتطبيقات الحد من التيار الزائد، لأنها تحدد سرعة الاستجابة.

يتطلب اختيار الثرمستور مراعاة ثابت التبديد، وثابت الوقت الحراري، وقيمة المقاومة، ومنحنى المقاومة ودرجة الحرارة، والتسامح. نظرًا لعلاقة RT غير الخطية للغاية، تستخدم تصميمات الأنظمة العملية طرقًا تقريبية.

• التقريب من الدرجة الأولى:أبسط طريقة هي ΔR = k · ΔT، حيث k هو معامل درجة الحرارة السلبي. فعال فقط في نطاقات درجات الحرارة الضيقة حيث يظل k ثابتًا تقريبًا.
• صيغة بيتا:يوفر دقة تبلغ ±1 درجة مئوية بين 0 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية باستخدام ثابت المادة β: R(T) = R(T0) · e^(β(1/T - 1/T0)). يتطلب معايرة من نقطتين ولكنه يحافظ عمومًا على دقة تبلغ ±5 درجة مئوية عبر النطاق المفيد.
• صيغة شتاينهارت-هارت:المعيار الذهبي منذ عام 1968: 1/T = A + B · ln(R) + C · (ln(R))^3. يتم توفير المعاملات (A، B، C) في أوراق البيانات. يوفر دقة ±0.15 درجة مئوية من -50 درجة مئوية إلى +150 درجة مئوية، وما يصل إلى ±0.01 درجة مئوية في نطاقات من 0 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية.
• اختيار التقريب الصحيح:يعتمد الاختيار على الموارد الحسابية ومتطلبات التسامح. تكفي بعض التطبيقات مع التقديرات التقريبية من الدرجة الأولى، بينما قد يتطلب البعض الآخر معايرة كاملة باستخدام جداول البحث.

يتم تصنيع مقاومات NTC باستخدام أكاسيد البلاتين والنيكل والكوبالت والحديد والسيليكون، في أشكال عنصرية نقية أو سيراميك أو بوليمر. طرق الإنتاج تصنفها إلى ثلاث فئات:

• الثرمستورات الخرزية:يتم تلبيس أسلاك سبائك البلاتين مباشرة في أجسام السيراميك. توفر أوقات استجابة أسرع واستقرارًا أفضل ودرجات حرارة تشغيل أعلى من أنواع الأقراص/الشرائح ولكنها أكثر هشاشة. غالبًا ما تكون مغلفة بالزجاج للحماية، بأقطار تتراوح من 0.075 إلى 5 ملم.
• الثرمستورات القرصية والرقائقية:تتميز بملامسات سطحية معدنية. تعمل الأحجام الأكبر على إبطاء أوقات الاستجابة ولكنها تعمل على تحسين ثوابت التبديد، مما يتيح معالجة تيار أعلى. يتم ضغط الأقراص من مساحيق الأكسيد وتكلسها؛ يتم تصنيع الرقائق عن طريق صب الشريط. الأقطار النموذجية: 0.25-25 ملم.
• الثرمستورات NTC المغلفة بالزجاج:محكمة الغلق في المصابيح الزجاجية لدرجات الحرارة العالية (> 150 درجة مئوية) أو تطبيقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور القوية. تعزيز الاستقرار والمقاومة البيئية، بأقطار 0.4-10 ملم.

تخدم الثرمستورات NTC أغراضًا متنوعة، بما في ذلك قياس درجة الحرارة والتحكم والتعويض والكشف عن السوائل وتحديد التيار ومراقبة السيارات. يتم تصنيف التطبيقات حسب الخصائص الكهربائية المستغلة:

• خصائص مقاومة درجة الحرارة:تستخدم في قياس درجة الحرارة/التحكم/التعويض. يتطلب الحد الأدنى من التيار لتجنب التسخين الذاتي.
• خصائص الوقت الحالي:يتم تطبيقه في التأخير الزمني، والحد من التيار الزائد، والقمع. يعتمد على السعة الحرارية وثابت التبديد، حيث يؤدي التسخين الناجم عن التيار إلى تغييرات في الدائرة.
• خصائص الجهد الحالي:يستخدم تحولات نقطة التشغيل بسبب الاختلافات البيئية/الدائرة للحد من التيار أو تعويض/قياس درجة الحرارة.