Στον τομέα της ηλεκτρονικής μηχανικής, η μέτρηση και ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι εξαιρετικά σημαντικές.ως συμπαγείς και αποτελεσματικές συσκευές αισθητήρα θερμοκρασίαςΑλλά πώς ακριβώς επιτυγχάνουν οι θερμιστές NTC την ανίχνευση θερμοκρασίας; Ποια μοναδικά χαρακτηριστικά επιδόσεων διαθέτουν;Και πώς πρέπει οι μηχανικοί να επιλέξουν και να βελτιστοποιήσουν τους θερμιστές NTC για να ανταποκριθούν σε διαφορετικές απαιτήσεις εφαρμογήςΤο άρθρο αυτό παρέχει μια σε βάθος ανάλυση της τεχνολογίας θερμοστάτη NTC, βασικά χαρακτηριστικά και πρακτικές σκέψεις, προσφέροντας έναν ολοκληρωμένο τεχνικό οδηγό για μηχανικούς και ερευνητές.

1Θερμοστήρες NTC: Ο πυρήνας της ανίχνευσης θερμοκρασίας

Οι θερμιστές NTC είναι εξειδικευμένες αντίστοιχες ημιαγωγών των οποίων το καθοριστικό χαρακτηριστικό είναι μια σημαντική μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας.Αυτή η μοναδική ευαισθησία θερμοκρασίας προέρχεται από τη σύνθεση του υλικού τους και τους φυσικούς μηχανισμούςΣυνήθως κατασκευάζονται από πολυκρυσταλλικά ημιαγωγικά κεραμικά υλικά με δομή σπινέλου, οι θερμιστές NTC αποτελούνται κυρίως από οξείδια μετάλλων όπως μαγγάνιο, νικέλιο, κοβάλτιο, σίδηρο,και χαλκό.

Σε αντίθεση με τους συμβατικούς μεταλλικούς αγωγούς όπου η ηλεκτρική αντίσταση προκύπτει από ατομικές δονήσεις που εμποδίζουν την ελεύθερη κίνηση των ηλεκτρονίων,Οι θερμιστές NTC λειτουργούν με μηχανισμό "κατευθυνότητας άλματος" που περιλαμβάνει ελεύθερα ηλεκτρόνια και ζεύγη τρυπώνΚαθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η συγκέντρωση αυτών των φορέων φορτίου αυξάνεται μέσα στο υλικό, αυξάνοντας τη ροή φορτίου και κατά συνέπεια μειώνοντας την αντίσταση.Αυτός ο μηχανισμός αγωγής μπορεί να εξηγηθεί μέσω της θεωρίας των ζώνων, η οποία αποκαλύπτει την εγγενή σχέση μεταξύ της ηλεκτρονικής δομής ενός υλικού και των αγωγικών του ιδιοτήτων.

Ελέγχοντας με ακρίβεια τη σύνθεση του υλικού και τις διαδικασίες κατασκευής, οι μηχανικοί μπορούν να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας των θερμιστών NTC ώστε να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες απαιτήσεις εφαρμογής.

2Βασικά χαρακτηριστικά των θερμιστών NTC

Η διακύμανση της αντίστασης στους θερμιστές NTC επηρεάζεται τόσο από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος όσο και από τα αποτελέσματα αυτοθερμότητας.ενώ η αυτοθερμότητα προκύπτει από τη θέρμανση Joule όταν το ρεύμα περνά μέσα από τον θερμοστάτηΗ ανάλυση των χαρακτηριστικών του θερμοστάτη NTC διακρίνει συνήθως μεταξύ συνθηκών "χωρίς φορτίο" και "φορτωμένων".

2.1 Χαρακτηριστικά θερμοστήρα NTC χωρίς φορτίο

Υπό συνθήκες μη φορτίου όπου η αυτοθεραπεία είναι αμελητέα, η συμπεριφορά του θερμιστήρα NTC καθορίζεται κυρίως από τις ιδιότητες του υλικού και την θερμοκρασία του περιβάλλοντος.

2.1.1 Χαρακτηριστικά αντίστασης θερμοκρασίας (R/T)

Η σχέση μεταξύ της αντίστασης ενός θερμοστάτη NTC και της απόλυτης θερμοκρασίας μπορεί να προσεγγιστεί με μια εκθετική συνάρτηση:

Που:

• R₁: Αντίσταση (Ω) σε θερμοκρασία T₁(Κ)
• R₂: Αντίσταση αναφοράς (Ω) σε θερμοκρασία T₂(Κ)
• Β: σταθερά υλικού (K)

Ενώ αυτή η εξίσωση παρέχει μια μαθηματική προσέγγιση,Οι πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούν συνήθως ολοκληρωμένους πίνακες R / T που καθορίζουν ακριβείς τιμές αντίστασης σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας, προσφέροντας μεγαλύτερη ακρίβεια από τον απλοποιημένο τύπο.

2.1.2 Αξία Β

Η τιμή Β είναι μια κρίσιμη παράμετρος που αντιπροσωπεύει την κλίση της καμπύλης αντίστασης-θερμοκρασίας, που δείχνει πόσο ευαίσθητη είναι η αντίσταση στις αλλαγές θερμοκρασίας.,Υπολογίζεται ως:

Δεδομένου ότι το εκθετικό μοντέλο είναι μια προσέγγιση, η τιμή Β δεν είναι απόλυτα σταθερή αλλά ποικίλλει ελαφρώς σε διάφορες περιοχές θερμοκρασίας._25/85προσδιορίζει το εύρος θερμοκρασίας (25 °C έως 85 °C στην περίπτωση αυτή) για τον οποίο υπολογίζεται η τιμή Β.

Τα κοινά υλικά NTC έχουν τιμές B που κυμαίνονται συνήθως από 3000K έως 5000K. Η επιλογή εξαρτάται από τις απαιτήσεις εφαρμογής και περιλαμβάνει την εξισορρόπηση της ονομαστικής αντίστασης με άλλους περιορισμούς,καθώς δεν είναι όλες οι τιμές Β κατάλληλες για κάθε τύπο συσκευασίας NTC.

2.1.3 Συντελεστής θερμοκρασίας

Ο συντελεστής θερμοκρασίας (α) καθορίζει τον σχετικό ρυθμό αλλαγής της αντίστασης με τη θερμοκρασία:

Αυτός ο συντελεστής είναι συνήθως αρνητικός, αντανακλώντας τη συμπεριφορά του NTC.Το μέγεθός του επηρεάζει άμεσα την ευαισθησία της μέτρησης της θερμοκρασίας.

2.1.4 Ανεκτικότητα

Η ανοχή προσδιορίζει την επιτρεπόμενη απόκλιση από τις ονομαστικές τιμές αντίστασης, που συνήθως αναφέρεται σε 25 °C (αν και μπορεί να καθορίζονται και άλλες θερμοκρασίες).Η συνολική ανοχή αντίστασης σε δεδομένη θερμοκρασία λαμβάνει υπόψη τόσο την ανοχή αντίστασης αναφοράς όσο και τη διακύμανση της τιμής Β.

Η ανοχή θερμοκρασίας μπορεί να προκύψει ως εξής:

Για ακριβείς μετρήσεις, συνιστάται να χρησιμοποιούνται τυποποιημένοι πίνακες R/T έναντι απλουστευμένων υπολογισμών.

2.2 Χαρακτηριστικά ηλεκτρικού φορτίου

2.2.1 Σταθερή θερμικής διάσπασης (δ_Η)

Όταν το ρεύμα ρέει μέσα από τον θερμοστάτη, η θέρμανση Joule προκαλεί αυτοθέρμανση που περιγράφεται από:

Έτσι:

Εκφράζεται σε mW/K, δ_ΗΔείχνει την ισχύ που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του θερμοστάτη κατά 1K. Με υψηλότερες τιμές σημαίνει καλύτερη διάχυση θερμότητας στο περιβάλλον.Σημειώστε ότι τα δημοσιευμένα θερμικά χαρακτηριστικά υποθέτουν συνήθως ότι οι συνθήκες ατμοσφαιρικού αέρα ̇ διαφορετικά περιβάλλοντα ή μεταποιητική επεξεργασία μπορεί να τροποποιήσουν αυτές τις τιμές..

2.2.2 Χαρακτηριστικά τάσης/ή ρεύματος

Κάτω από σταθερή ηλεκτρική ισχύ, η θερμοκρασία του θερμοστάτη αυξάνεται απότομα αρχικά πριν σταθεροποιηθεί όταν η διάχυση ισχύος εξισορροπεί την παραγωγή θερμότητας.Η σχέση τάσης - ρεύματος σε θερμική ισορροπία είναι:

ή

Η απεικόνιση της τάσης έναντι του ρεύματος σε σταθερή θερμοκρασία αποκαλύπτει τέσσερις χαρακτηριστικές περιοχές:

1. Γραμμική περιοχή με αμελητέα αυτοθεραπεία (εφαρμογές ανίχνευσης θερμοκρασίας)
2. Μη γραμμική άνοδος στην μέγιστη τάση
3. Σημείο αιχμής τάσης
4. Περιφέρεια αρνητικής αντίστασης (χρησιμοποιείται σε εφαρμογές περιορισμού ρεύματος ή ανίχνευσης επιπέδου υγρού)

2.2.3 Μέγιστη ισχύς (P)₂₅)

Π₂₅αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να διαχειριστεί ο θερμοστάτης σε 25 °C σε ατμόσφαιρο.που πρέπει γενικά να αποφεύγονται, εκτός εάν απαιτείται ρητά από την αίτηση.

2.2.4 Συνέχεια θερμικού χρόνου (τ)

Όταν ένας αισθητήρας θερμοκρασίας σε T₁τοποθετείται σε περιβάλλον σε T₂, η θερμοκρασία του αλλάζει εκθετικά:

Η σταθερά χρόνου τ (Tau 63,2) ορίζεται ως ο χρόνος που απαιτείται για να συμβεί το 63,2% της συνολικής αλλαγής θερμοκρασίας.

• Σχεδιασμός αισθητήρα (υλικά, συναρμολόγηση)
• Μέθοδος εγκατάστασης (επιφανειακή τοποθέτηση, βύθιση)
• Περιβάλλον (πύραυλος, υγρό)