Hệ số nhiệt độ âm là gì?
Hệ số nhiệt độ âm (NTC) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính nhiệt của nhiều linh kiện điện và điện tử khác nhau, chẳng hạn như điện trở nhiệt, bộ khuếch đại tín hiệu và chất bán dẫn.
Có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau, tất cả đều có thể được sử dụng như các thành phần cơ bản giúp bảo vệ thiết bị điện tử khỏi hư hỏng do nhiệt.
Thuật ngữ hệ số nhiệt độ (TC) đề cập đến một đặc tính của một số vật liệu, trong đó các tính chất vật lý của vật liệu thay đổi do những thay đổi trực tiếp trong chính vật liệu đó hoặc những thay đổi gián tiếp trong nhiệt độ môi trường xung quanh.
Nói cách khác, khi một vật liệu hoặc thành phần được nung nóng (hoặc làm nguội), các đặc tính của nó sẽ thay đổi; do đó, chúng không ổn định ở mọi nhiệt độ.
Điện trở của hầu hết các vật liệu dẫn điện tăng gần như tuyến tính khi sử dụng ở nhiệt độ bình thường.
Tuy nhiên, một số chất điện phân và vật liệu bán dẫn thể hiện sự giảm điện trở khi nhiệt độ tăng; nghĩa là, khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và điện trở đối với dòng điện cũng giảm.
NTC và PTC là gì?
Hệ số điện trở theo nhiệt độ α (chữ cái Hy Lạp alpha) thường được sử dụng để chỉ ra mức độ tăng hoặc giảm điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi một lượng nhất định.
Ví dụ, giá trị α dương có nghĩa là điện trở tăng theo nhiệt độ, dẫn đến "hệ số nhiệt độ dương" (PTC).
Trong khi đó, giá trị α âm có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, dẫn đến "hệ số nhiệt độ âm" (NTC).
Tuy nhiên, ngay cả khi một vật liệu có hệ số nhiệt độ NTC hoặc PTC, nó vẫn tuân theo định luật Ohm giống như một điện trở cố định; sự khác biệt duy nhất là điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ mà nó tiếp xúc.
Ngoài hệ số nhiệt độ dương hoặc âm, một số hợp kim, chẳng hạn như constantan, có giá trị α bằng 0, nghĩa là giá trị của nó không thay đổi theo nhiệt độ.
Trong khi tính chất vật lý của một số vật liệu có thể chỉ thay đổi nhẹ, thì một số vật liệu khác lại trải qua những thay đổi đáng kể về tính chất vật lý khi nhiệt độ thay đổi.
Công thức tổng quát cho hệ số nhiệt độ của điện trở (TCR) mô tả sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi, và có thể được biểu diễn như sau:
Công thức tính hệ số nhiệt độ của điện trở.
R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)
hoặc
R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )
Ở đâu:
- R (T) là giá trị điện trở tính bằng ôm ở nhiệt độ (T) nhất định.
- R0 là giá trị ban đầu tính bằng ôm ở nhiệt độ tham chiếu (thường là 20 độ C) .
- α là hệ số điện trở nhiệt của vật liệu ở 20 độ C, đơn vị là Ω/ ° C.
- ∆T là sự chênh lệch nhiệt độ lớn hơn 20 độ C.
Đây là một ví dụ về cách hoạt động của NTC số 1.
Một cuộn dây đồng có điện trở ban đầu là 25 ôm ở 20 độ C. Nếu nhiệt độ tăng lên 140 độ C, điện trở của cuộn dây sẽ là bao nhiêu?
Hệ số nhiệt độ của dây đồng được xác định như sau: α = 0,00393 Ω/ ° C (ở đây dùng giá trị 0,004).
Sự chênh lệch nhiệt độ có thể được tính như sau: ∆T = 140 ° C – 20 ° C = 120 ° C
Sau đó, sử dụng công thức trên, điện trở của một cuộn dây đồng ở 140 độ C là:
R = 25(1 + 0,004(140 – 20) = 37Ω
Do đó, cuộn dây đồng có điện trở tăng lên 12 ôm, tăng 48% so với giá trị ban đầu là 25 ôm.
Chúng ta có thể minh họa sự tăng lên của điện trở cuộn dây này bằng biểu đồ sau.
Độ dốc của sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ.
Nếu muốn, ta có thể tính điện trở của cuộn dây đồng khi nó nguội xuống 0 độ C như sau:
R = 25(1 + 0,004(0 – 20) = 23Ω
Như vậy, ta có thể thấy rằng việc làm nóng cuộn dây từ 0 độ C đến 140 độ C làm tăng điện trở từ 23 ôm lên 37 ôm, tương ứng, vì điện trở ở nhiệt độ phòng là 25 độ C. Do đó, trong ví dụ này, cuộn dây có hệ số nhiệt độ dương.
Việc biết độ dốc của đồ thị cho phép chúng ta tính toán điện trở của vật liệu ở bất kỳ nhiệt độ nào, vì hệ số điện trở theo nhiệt độ (α) có thể được tính như sau:
Sự thay đổi hệ số điện trở theo nhiệt độ.
Trong đó, điện trở R1 được xác định tại nhiệt độ T1.
Hệ số nhiệt độ của các linh kiện khác nhau có thể khác biệt cả về độ lớn lẫn dấu. Chẳng hạn, giá trị ban đầu của một linh kiện thường được quy định ở nhiệt độ phòng 20°C, nhưng giá trị này sẽ thay đổi khi nhiệt độ không khí xung quanh biến đổi, điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện đó.
Thông thường, hệ số nhiệt độ của một linh kiện điện tử — được hiểu là mức tăng điện trở trên mỗi ohm điện trở ban đầu ứng với mỗi độ C nhiệt độ tăng thêm — được biểu thị bằng đơn vị phần triệu (ppm) trên mỗi độ C thay đổi. Ví dụ: 100 ppm/°C.
Một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm.
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của việc sử dụng vật liệu NTC để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ là trong các điện trở nhiệt NTC lưỡng cực.
Điện trở nhiệt (thermistor), viết tắt của " thermal resistor " ( điện trở nhiệt), đúng như tên gọi, là một loại điện trở nhạy cảm với nhiệt độ. Điện trở của nó giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng; nói cách khác, nó có hệ số nhiệt độ âm (NTC).
Các điện trở nhiệt nhạy nhiệt thường được làm từ vật liệu bán dẫn, chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành điện trở và được sử dụng rộng rãi trong cảm biến nhiệt độ, hệ thống điều khiển và mạch bảo vệ.
Các thiết bị đo nhiệt độ thu nhỏ này cung cấp các phép đo nhiệt độ có độ chính xác và độ tin cậy cao. Nhiệt điện trở NTC thường phổ biến hơn các loại cảm biến nhiệt độ khác (như RTD hoặc cặp nhiệt điện) vì chúng có giá thành thấp, thời gian phản hồi nhanh và nhạy cảm với những thay đổi nhiệt độ nhỏ.
Các điện trở nhiệt NTC thường được thiết kế để duy trì độ chính xác cao trong phạm vi nhiệt độ xác định, khoảng ±50 ° C hoặc hơn một chút, xung quanh giá trị điện trở trung tính ở nhiệt độ phòng, tức là 25 ° C (77 ° F). Ngoài phạm vi này, độ chính xác có thể giảm hoặc vật liệu có thể hoạt động khác với dự kiến.
Hơn nữa, đặc tính điện trở của điện trở nhiệt NTC không tuyến tính mà có thể được chia tỷ lệ thành một điểm hoặc một đường cong. Điện trở nhiệt NTC được chia tỷ lệ tại một điểm được thiết kế để đảm bảo dung sai tại một nhiệt độ điểm cụ thể. Ví dụ, nếu một nhiệt độ điểm cụ thể là rất quan trọng, chẳng hạn như 0 ° C, 25 ° C, 100 ° C, v.v.
Khi đo nhiệt độ trong phạm vi rộng hơn, chẳng hạn như từ -50 đến 150 độ C, có thể sử dụng các điện trở nhiệt phù hợp đường cong. Lưu ý rằng mặc dù các điện trở nhiệt phù hợp đường cong cung cấp phạm vi biến thiên điện trở rộng hơn theo nhiệt độ, nhưng điện trở của mỗi nhãn hiệu điện trở nhiệt NTC sẽ khác nhau đáng kể ở bất kỳ nhiệt độ nào.
Điện trở của điện trở nhiệt có thể thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ do dòng điện chạy qua nó gây ra. Khi được mắc nối tiếp với mạch điện hoặc thiết bị, điện trở nhiệt hoạt động như một thiết bị hạn chế dòng điện.
Điện trở nhiệt NTC có điện trở ban đầu cao, giúp hạn chế sự thay đổi đột ngột về dòng điện hoặc sự tăng vọt dòng điện. Khi chúng nóng lên, điện trở giảm xuống, điều khiển dòng điện và công suất tiêu tán. Hiệu ứng nhiệt tự phát này kéo dài trong vài giây, trong thời gian đó dòng điện tăng dần chứ không đột ngột.
ký hiệu điện trở nhiệt NTC
Các điện trở nhiệt NTC thường có một ký hiệu hoặc mã số riêng biệt giúp xác định các đặc tính của chúng. Các ký hiệu này có thể bao gồm giá trị điện trở ở nhiệt độ phòng, dung sai và đôi khi là mã của nhà sản xuất.
Các mã dùng để nhận dạng điện trở nhiệt có thể khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất và kích thước của điện trở nhiệt, nhưng sau đây là những cách phổ biến để nhận dạng điện trở nhiệt NTC.
1. Ký hiệu này biểu thị giá trị điện trở.
Điện trở ở một nhiệt độ cụ thể (thường là 25 độ C) thường được biểu thị bằng ôm (Ω), kiloôm (kΩ) hoặc megaôm (MΩ).
2. Đường kính của đĩa.
Nhìn chung, đường kính có liên quan đến số hiệu mẫu hoặc số hiệu linh kiện của điện trở nhiệt, thường được in trên chính điện trở nhiệt đó.
Ví dụ, một điện trở nhiệt NTC dạng đĩa tròn (như NTC 10D-9) sẽ có đường kính 9 mm, trong đó số “10” biểu thị giá trị điện trở và kích thước vật lý tương ứng với một đĩa tròn có đường kính 9 mm. Do đó, đường kính của điện trở nhiệt thường liên quan đến số hiệu hoặc mã số linh kiện của nó.
3. Hình dạng hoặc đặc điểm vật lý.
Các điện trở nhiệt dạng tấm và dạng hạt có thể có những đặc điểm vật lý cụ thể, chẳng hạn như kích thước, hình dạng hoặc loại đầu nối. Mặc dù không phải là dấu hiệu trực tiếp, nhưng những đặc điểm vật lý này có thể giúp xác định loại điện trở nhiệt.
Để xác định chính xác một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm, cần có bảng dữ liệu của nhà sản xuất chứa các mã số, dung sai hoặc số hiệu linh kiện của nhà sản xuất để xác minh các chi tiết như phạm vi nhiệt độ, điện trở chính xác ở các nhiệt độ khác nhau và mức dung sai.
Các ký hiệu thông dụng cho điện trở nhiệt NTC.
Do đó, ví dụ về điện trở nhiệt NTC được đưa ra là một điện trở nhiệt hình tròn có đường kính 20 mm, có điện trở 2,5 ôm ở nhiệt độ phòng.
Đường cong nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm
Các điện trở nhiệt NTC có đặc điểm là điện trở ở nhiệt độ phòng (25 độ C). Tuy nhiên, không giống như các cảm biến khác, điện trở nhiệt NTC là thiết bị phi tuyến tính, có nghĩa là các điểm trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ không phải là đường thẳng, mà giống với hình sau:
Đường cong đặc tuyến phi tuyến của điện trở nhiệt NTC.
Rõ ràng là độ dốc của đồ thị và lượng thay đổi phụ thuộc vào loại và cấu trúc của điện trở nhiệt.
Chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp.
Việc sử dụng điện trở nhiệt NTC để chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp thường liên quan đến việc xây dựng một mạch chia điện áp. Mạch này chuyển đổi điện trở thay đổi của điện trở nhiệt (thay đổi theo nhiệt độ) thành điện áp tương ứng, sau đó có thể được đọc bởi bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) hoặc thiết bị đo khác.
Vì dòng điện chạy qua điện trở luôn gây ra sự sụt giảm điện áp trên điện trở đó, ta có thể sử dụng điện áp kích hoạt bên ngoài không đổi và một điện trở nhiệt NTC mắc nối tiếp với điện trở cố định để tạo ra điện áp đầu ra như hình vẽ.
Cấu hình mạch chia điện áp bằng nhiệt điện trở NTC.
Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của điện trở nhiệt NTC cũng thay đổi, dẫn đến điện áp đầu ra trên điện trở nối tiếp cố định R₂S cũng thay đổi .
Đo điện áp đầu ra ( VTEMP ) trên điện trở nhiệt (hoặc trên điện trở cố định, tùy thuộc vào vị trí đo), sau đó đọc giá trị từ chân đầu vào analog của vi điều khiển (ví dụ: Arduino, Raspberry Pi), hoặc sử dụng vôn kế để đọc giá trị trực tiếp.
Để đạt được độ nhạy tối đa trong việc chuyển đổi điện áp sang nhiệt độ, cần chọn một điện trở cố định có giá trị gần với điện trở của nhiệt điện trở trong phạm vi nhiệt độ dự kiến. Ví dụ, nếu nhiệt điện trở có điện trở 10 kΩ ở 25 độ C, thì một điện trở cố định 10 kΩ sẽ cho phản hồi tốt trong phạm vi nhiệt độ đó.
Như đã đề cập trước đó, vì mối quan hệ giữa điện trở của điện trở nhiệt NTC và nhiệt độ là phi tuyến tính, nên cần có một mạch tuyến tính hóa nào đó, chẳng hạn như bộ khuếch đại thuật toán, để thu được điện áp đầu ra tuyến tính.
Ví dụ về cách hoạt động của NTC số 2.
Một điện trở nhiệt NTC 1kΩ có hệ số beta là 3950 được mắc nối tiếp với một điện trở cố định 1kΩ vào nguồn điện 12 volt để đo nhiệt độ trong khoảng từ 10 ° C đến 100 ° C. Tính độ giảm điện áp trên điện trở nhiệt ở 37 ° C.
Giá trị điện trở của một điện trở nhiệt ở 37 độ C.
Ở đâu:
- R0 là giá trị điện trở của điện trở nhiệt ở nhiệt độ tham chiếu 25 độ C.
- T là nhiệt độ mà bạn đo điện trở của nhiệt điện trở, tính bằng Kelvin (K). T = T( ° C) + 273,15
- T0 là nhiệt độ tham chiếu tính bằng Kelvin (thường là 298,15 K đối với 25 ° C) .
- Hệ số B (hệ số beta) của điện trở nhiệt là 3950.
Do đó, có thể tính toán độ giảm điện áp trên điện trở nhiệt ở 37 độ C như sau:
Tóm tắt các hệ số nhiệt độ âm.
Trong bài học về hệ số nhiệt độ âm này, chúng ta đã thấy rằng vật liệu và các thành phần có thể thay đổi tính chất vật lý khi được nung nóng hoặc làm lạnh. Tốc độ thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi được gọi là "hệ số nhiệt độ" của vật liệu và thường được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp alpha (α).
Thuật ngữ hệ số nhiệt độ âm (NTC) đề cập đến đặc tính của một số vật liệu mà điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi các vật liệu có hệ số nhiệt độ dương (PTC) thì điện trở tăng ở nhiệt độ cao hơn.
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của vật liệu NTC là trong các điện trở nhiệt. Điện trở nhiệt NTC là các thiết bị thụ động nhạy cảm với nhiệt độ, thường được làm từ vật liệu bán dẫn, có điện trở thay đổi nhanh chóng theo nhiệt độ. Do đó, chúng thường được tìm thấy trong bộ điều nhiệt, cảm biến nhiệt độ trong ô tô và các thiết bị gia dụng.
Do đó, khái niệm hệ số nhiệt độ âm (NTC) đóng vai trò quan trọng trong cả công nghệ thường nhật và các ứng dụng công nghiệp chuyên biệt, cung cấp một phương pháp đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí để giám sát và kiểm soát nhiệt độ.
Do đó, việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các cảm biến hệ số nhiệt độ âm và các ứng dụng của chúng là rất quan trọng đối với bất kỳ ai tham gia vào thiết kế thiết bị điện tử hoặc quản lý nhiệt độ của các linh kiện và mạch điện.
