Θερμίστορς PΤC και NTC

Τα θερμίστορς ή θερμοαντιστάτες ανήκουν στην κατηγορία των παθητικών αισθητήρων και μεταβάλλουν την ωμική τους αντίσταση ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Παθητικά είναι τα αισθητήρια τα οποία δεν χρειάζονται τροφοδοσία ρεύματος για να λειτουργήσουν, και απλώς παράγουν μία μεταβλητή.

Η θερµοκρασία που επηρεάζει την τιµή της αντίστασης προσδιορίζεται από δύο παράγοντες: 

•Θερµοκρασία περιβάλλοντος του θερµίστορ 

•Αύξηση θερµοκρασίας από την κατανάλωση ισχύος στο θερµίστορ όταν διαρρέεται από ρεύµα

Η λέξη θερμίστορ είναι συνένωση των Αγγλικών λέξεων thermal και resistor.

Ο θερμοαντιστάτης κατασκευάζεται από θερμοευαίσθητα υλικά. Τα υλικά αυτά συνήθως είναι προϊόντα σύντηξης μαγνησίου, κοβαλτίου, νικελίου και άλλων υλικών. Ως ηλεκτρικό εξάρτημα, ο θερμοαντιστάτης δεν έχει πολικότητα έτσι για τη σύνδεσή του σε κύκλωμα δε χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή. 

Κατηγορίες θερμίστορς

Τα θερμίστορ είναι τυπικά δύο "αντιθέτων" τύπων:

PTC (Αισθητήριο ημιαγωγού που μεταβάλει την ωμική του αντίσταση ανάλογα με την θερμοκρασία). Χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες από –25- 150oC.

Στα θερμίστορ αυτά σε μια μεγάλη περιοχή θερμοκρασίας, η αντίστασή τους αυξάνει καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή θετικό
θερμικό συντελεστή. Όλα τα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την
κατασκευή PTC, παρουσιάζουν όμως χαμηλό θερμικό συντελεστή. Αντίθετα άλλα (κεραμικά) υλικά παρουσιάζουν υψηλό συντελεστή και γι αυτό προτιμούνται.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ PTC θερμίστορ

Οι τιμές της αντίστασης των θερμίστορς PTC κυμαίνονται από 0.5 Ω έως 20 kΩ σε θερμοκρασία δωματίου. Επειδή η αύξηση της αντίστασης γίνεται απότομα, τα θερμίστορς αυτά δεν ενδείκνυνται για τη μέτρηση συνεχών τιμών θερμοκρασίας αλλά για τη διακοπή της τροφοδοσίας κυκλωμάτων. Έτσι αποτελούν θερμοευαίσθητους ηλεκτρονικούς διακόπτες. Δεν έχουν μηχανικά μέρη όπως άλλοι διακόπτες, και επομένως εμφανίζουν μηδενική μηχανική φθορά και μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπρόσθετα δεν εμφανίζουν φαινόμενα υστέρησης και έχουν εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Τα θερμίστορς PTC αυτοθερμαίνονται όταν διαρρέονται από ρεύμα, και αυτό αξιοποιείται στις εφαρμογές.

Επειδή παρουσιάζουν μεγάλη μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία χρησιμοποιούνται για την προστασία κυκλωμάτων από υψηλά ρεύματα.
Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε μια τέτοια συνδεσμολογία.

n Στην θερμοκρασία δωματίου η τιμή της αντίστασης του PTC είναι χαμηλή (τυπική τιμή μεταξύ 10 και 140 Ω).

n Ρεύμα Ι δημιουργεί μια τάση VL στο φορτίο και Vs στο θερμίστορ (VL>>Vs).

n Στο θερμίστορ παρέχεται τότε μια ισχύς P=IVs που αυξάνει την θερμοκρασία του.

n Κατά την κανονική λειτουργία της συσκευής (φορτίο) το ρεύμα Ι έχει χαμηλή τιμή, άρα μικρή είναι και η αύξηση της θερμοκρασίας του θερμίστορ, ώστε τελικά δεν επηρεάζεται η τιμή της ολικής αντίστασης του κυκλώματος.

n Όταν όμως συμβεί κάποιο βραχυκύκλωμα, η αντίσταση του φορτίου ελαττώνεται κατά πολύ, οπότε έχουμε μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος.

n Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του θερμίστορ λόγω αυτοθέρμανσης, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασής του. Ετσι η ολική αντίσταση του κυκλώματος αυξάνει και επομένως το ρεύμα μειώνεται.

Οι συνηθέστερες εφαρμογές των θερμίστορς PTC είναι οι εξής :

1. Μέτρηση της ροής ρευστών

Εάν ένα θερμίστορ PTC ευρίσκεται σε ακίνητο αέρα ή σε ακίνητο υγρό, αδυνατεί να αποβάλλει πολλή θερμότητα και αυτοθερμαίνεται γρήγορα Έτσι γρήγορα μεταβαίνει στην κατάσταση υψηλής αντίστασης, στην οποία μπορεί να διακόψει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να ελέγχει μία διαδικασία ψύξης, ευρισκόμενο μέσα στο ψυκτικό αέριο ή υγρό. Εάν η ροή του ψυκτικού αερίου ή υγρού μειωθεί, το θερμίστορ αποκτά μεγάλη αντίσταση και ενεργοποιεί ένα κύκλωμα προειδοποίησης ή το κύκλωμα ελέγχου της ροής του ψυκτικού.

2. Χρονική καθυστέρηση

    Εάν διαβιβάσουμε σε ένα θερμίστορ PTC ένα συγκεκριμένο ρεύμα, το θερμίστορ θα αυτοθερμανθεί και θα οδηγηθεί σε συγκεκριμένο χρόνο στην κατάσταση υψηλής αντίστασης, στην οποία μπορεί να ενεργοποιήσει κάποιο υποκύκλωμα. Επομένως μπορούμε να ενεργοποιήσουμε ένα υποκύκλωμα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, να εισάγουμε δηλαδή μία επιθυμητή χρονική καθυστέρηση στη λειτουργία του υποκυκλώματος. Είναι σημαντικό να έχει το θερμίστορ PTC τη δυνατότητα να ψυχθεί πλήρως μεταξύ δύο διαδοχικών αυτοθερμάνσεων, αλλιώς η χρονική καθυστέρηση στη δεύτερη περίπτωση θα είναι μικρότερη και το θερμίστορ δε θα λειτουργεί αξιόπιστα.

3. Προστασία μπαταριών από υπερφόρτιση

    Όταν οι μπαταρίες φορτίζονται στη μέγιστη χωρητικότητά τους, θερμαίνονται. Έτσι ένα θερμίστορ PTC που ευρίσκεται σε επαφή με μία μπαταρία μπορεί να ανιχνεύσει πότε η μπαταρία φορτίζεται πλήρως. Τότε η αντίστασή του αυξάνει απότομα και μηδενίζεται το ρεύμα που το διαρρέει, με αποτέλεσμα τη διακοπή της τροφοδοσίας της μπαταρίας.

NTC (Αισθητήριο ημιαγωγού που μεταβάλει την ωμική του αντίσταση αντιστρόφως ανάλογα με την θερμοκρασία). Χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες από –100 - 300oC, και παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης από το PTC. 

Στα θερμίστορ αυτά η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνει,
παρουσιάζουν δηλαδή αρνητικό θερμικό συντελεστή. Η σχέση μεταξύ της αντίστασης και της θερμοκρασίας είναι ισχυρά μη γραμμική.

Χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση θερμοκρασίας

Τα θερμίστορς NTC εμφανίζουν μεγάλες μεταβολές αντίστασης όταν υφίστανται μικρές μεταβολές θερμοκρασίας. Η μεταβολή της αντίστασής τους καθορίζεται από το πηλίκο της αντίστασης στους 25 ^οC προς την αντίσταση στους 125 ^οC και είναι, ανάλογα με το μοντέλο, της τάξης του 20 έως 40. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση σε θερμοκρασία 125 ^οC γίνεται από 20 έως 40 φορές μικρότερη της αντίστασης σε θερμοκρασία δωματίου 25^οC

Σήμερα διατίθενται θερμίστορς με διάφορες τιμές αντίστασης, από 500 Ω έως 10 MΩ σε θερμοκρασία δωματίου. Τα θερμίστορς NTC κατασκευάζονται σε μορφή ράβδου, δίσκου ή κάψουλας.

Η μη γραμμική σχέση της αντίστασης του θερμίστορ NTC με τη θερμοκρασία αποθαρρύνει συχνά τη χρήση των θερμίστορς σε εφαρμογές.