ในสาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การวัดและควบคุมอุณหภูมิมีความสำคัญอย่างยิ่ง เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ (NTC) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตรวจจับอุณหภูมิขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพ กำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ แต่อย่างไรก็ตาม เทอร์มิสเตอร์ NTC ทำการตรวจจับอุณหภูมิได้อย่างไร? พวกมันมีลักษณะเฉพาะด้านประสิทธิภาพอย่างไร? และวิศวกรควรเลือกและปรับเทอร์มิสเตอร์ NTC อย่างไรเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานที่หลากหลาย? บทความนี้ให้การวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยีเทอร์มิสเตอร์ NTC ลักษณะสำคัญ และข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ โดยนำเสนอคู่มือทางเทคนิคที่ครอบคลุมสำหรับวิศวกรและนักวิจัย
1. เทอร์มิสเตอร์ NTC: หัวใจสำคัญของการตรวจจับอุณหภูมิ
เทอร์มิสเตอร์ NTC เป็นตัวต้านทานเซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษที่มีลักษณะเฉพาะคือความต้านทานจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความไวต่ออุณหภูมิที่ไม่เหมือนใครนี้เกิดจากการผสมผสานของวัสดุและกลไกทางกายภาพ โดยทั่วไปแล้ว เทอร์มิสเตอร์ NTC ผลิตจากวัสดุเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์แบบโพลีคริสตัลไลน์ที่มีโครงสร้างแบบสปิเนล เทอร์มิสเตอร์ NTC ส่วนใหญ่ประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะ เช่น แมงกานีส นิกเกิล โคบอลต์ เหล็ก และทองแดง
ซึ่งแตกต่างจากตัวนำโลหะทั่วไปที่ความต้านทานไฟฟ้าเกิดจากการสั่นสะเทือนของอะตอมที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ เทอร์มิสเตอร์ NTC ทำงานบนกลไก "การนำกระโดด" ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนอิสระและคู่โฮล เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเข้มข้นของตัวนำประจุเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นภายในวัสดุ ซึ่งช่วยเพิ่มการไหลของประจุและส่งผลให้ความต้านทานลดลง กลไกการนำไฟฟ้านี้สามารถอธิบายได้ผ่านทฤษฎีแถบ ซึ่งเผยให้เห็นความสัมพันธ์โดยธรรมชาติระหว่างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุและคุณสมบัติการนำไฟฟ้า
ด้วยการควบคุมองค์ประกอบของวัสดุและกระบวนการผลิตอย่างแม่นยำ วิศวกรสามารถปรับแต่งลักษณะอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ NTC เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ
2. ลักษณะสำคัญของเทอร์มิสเตอร์ NTC
การเปลี่ยนแปลงความต้านทานในเทอร์มิสเตอร์ NTC ได้รับอิทธิพลจากทั้งอุณหภูมิโดยรอบและผลกระทบจากการให้ความร้อนด้วยตัวเอง อุณหภูมิโดยรอบหมายถึงแหล่งความร้อนภายนอกทั้งหมด ในขณะที่การให้ความร้อนด้วยตัวเองเกิดจากการให้ความร้อนแบบจูลเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ การวิเคราะห์ลักษณะของเทอร์มิสเตอร์ NTC โดยทั่วไปจะแยกแยะระหว่างสภาวะ "ไม่มีโหลด" และ "มีโหลด"
2.1 ลักษณะของเทอร์มิสเตอร์ NTC แบบไม่มีโหลด
ภายใต้สภาวะไม่มีโหลดที่การให้ความร้อนด้วยตัวเองมีน้อย ลักษณะการทำงานของเทอร์มิสเตอร์ NTC จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของวัสดุและอุณหภูมิโดยรอบเป็นหลัก
2.1.1 ลักษณะความต้านทาน-อุณหภูมิ (R/T)
ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC และอุณหภูมิสัมบูรณ์สามารถประมาณได้ด้วยฟังก์ชันเลขชี้กำลัง:
R 1 = R 2 × e B × (1/T 1 - 1/T 2 )
โดยที่:
ในขณะที่สมการนี้ให้ค่าประมาณทางคณิตศาสตร์ แอปพลิเคชันจริงมักใช้ตาราง R/T ที่ครอบคลุมซึ่งระบุค่าความต้านทานที่แม่นยำตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด ซึ่งให้ความแม่นยำมากกว่าสูตรอย่างง่าย
2.1.2 ค่า B
ค่า B เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญซึ่งแสดงถึงความชันของเส้นโค้งความต้านทาน-อุณหภูมิ ซึ่งบ่งบอกว่าความต้านทานมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างไร กำหนดโดยวัสดุเทอร์มิสเตอร์ คำนวณดังนี้:
B = (lnR 1 - lnR 2 ) / (1/T 1 - 1/T 2 )
เนื่องจากแบบจำลองเลขชี้กำลังเป็นการประมาณ ค่า B จึงไม่คงที่อย่างสมบูรณ์ แต่จะแตกต่างกันเล็กน้อยในช่วงอุณหภูมิ สัญกรณ์มาตรฐานเช่น B 25/85 ระบุช่วงอุณหภูมิ (25°C ถึง 85°C ในกรณีนี้) ที่คำนวณค่า B
วัสดุ NTC ทั่วไปมีค่า B โดยทั่วไปตั้งแต่ 3000K ถึง 5000K การเลือกขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งานและเกี่ยวข้องกับการปรับสมดุลความต้านทานเล็กน้อยกับข้อจำกัดอื่นๆ เนื่องจากไม่ใช่ค่า B ทั้งหมดที่เหมาะสมสำหรับเทอร์มิสเตอร์ NTC ทุกประเภท
2.1.3 สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (α) กำหนดอัตราสัมพัทธ์ของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิ:
α = (1/R) × (dR/dT)
สัมประสิทธิ์นี้มักจะเป็นลบ ซึ่งสะท้อนถึงพฤติกรรม NTC ขนาดของมันส่งผลโดยตรงต่อความไวในการวัดอุณหภูมิ—สัมประสิทธิ์ที่สูงขึ้นบ่งบอกถึงการตอบสนองที่มากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
2.1.4 ความคลาดเคลื่อน
ความคลาดเคลื่อนระบุค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาตจากค่าความต้านทานเล็กน้อย โดยทั่วไปจะอ้างอิงที่ 25°C (แม้ว่าจะมีการระบุอุณหภูมิอื่นๆ ก็ตาม) ความคลาดเคลื่อนความต้านทานโดยรวมที่อุณหภูมิที่กำหนดจะพิจารณาทั้งความคลาดเคลื่อนความต้านทานอ้างอิงและการเปลี่ยนแปลงค่า B
ความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิสามารถหาได้ดังนี้:
ΔT = (1/α) × (ΔR/R)
สำหรับการวัดที่แม่นยำ ขอแนะนำให้ใช้ตาราง R/T มาตรฐานมากกว่าการคำนวณอย่างง่าย
2.2 ลักษณะโหลดไฟฟ้า
2.2.1 ค่าคงที่การกระจายความร้อน (δ th )
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ การให้ความร้อนแบบจูลทำให้เกิดการให้ความร้อนด้วยตัวเองซึ่งอธิบายโดย:
P el = V × I = δ th × (T - T A )
ดังนั้น:
δ th = P el / (T - T A ) = R T × I 2 / (T - T A )
แสดงเป็น mW/K δ th ระบุพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิเทอร์มิสเตอร์ 1K ค่าที่สูงขึ้นหมายถึงการกระจายความร้อนที่ดีขึ้นไปยังสภาพแวดล้อม โปรดทราบว่าลักษณะทางความร้อนที่เผยแพร่โดยทั่วไปจะถือว่าอยู่ในสภาวะอากาศนิ่ง—สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันหรือการประมวลผลหลังการผลิตอาจเปลี่ยนแปลงค่าเหล่านี้
2.2.2 ลักษณะแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้า
ภายใต้กำลังไฟฟ้าคงที่ อุณหภูมิเทอร์มิสเตอร์จะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในตอนแรกก่อนที่จะคงที่เมื่อการกระจายพลังงานสมดุลกับการสร้างความร้อน ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าในสภาวะสมดุลความร้อนคือ:
I = √(δ th × (T - T A ) / R(T))
หรือ
V = √(δ th × (T - T A ) × R(T))
การพล็อตแรงดันไฟฟ้าเทียบกับกระแสไฟฟ้าที่อุณหภูมิคงที่เผยให้เห็นสี่ลักษณะเฉพาะ:
2.2.3 กำลังไฟสูงสุด (P 25 )
P 25 แสดงถึงกำลังไฟสูงสุดที่เทอร์มิสเตอร์สามารถจัดการได้ที่ 25°C ในอากาศนิ่ง การทำงานในระดับนี้จะวางอุปกรณ์ไว้ในบริเวณที่ให้ความร้อนด้วยตัวเอง ซึ่งโดยทั่วไปควรหลีกเลี่ยงเว้นแต่จะจำเป็นโดยเฉพาะสำหรับการใช้งาน
2.2.4 ค่าคงที่เวลาความร้อน (τ)
เมื่อวางเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ T 1 ในสภาพแวดล้อมที่ T 2 อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล:
T(t) = T 2 + (T 1 - T 2 ) × e -t/τ a
ค่าคงที่เวลา τ (Tau 63.2) ถูกกำหนดให้เป็นเวลาที่ต้องใช้เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทั้งหมด 63.2% พารามิเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับ:
ในสาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การวัดและควบคุมอุณหภูมิมีความสำคัญอย่างยิ่ง เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ (NTC) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตรวจจับอุณหภูมิขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพ กำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ แต่อย่างไรก็ตาม เทอร์มิสเตอร์ NTC ทำการตรวจจับอุณหภูมิได้อย่างไร? พวกมันมีลักษณะเฉพาะด้านประสิทธิภาพอย่างไร? และวิศวกรควรเลือกและปรับเทอร์มิสเตอร์ NTC อย่างไรเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานที่หลากหลาย? บทความนี้ให้การวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยีเทอร์มิสเตอร์ NTC ลักษณะสำคัญ และข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ โดยนำเสนอคู่มือทางเทคนิคที่ครอบคลุมสำหรับวิศวกรและนักวิจัย
1. เทอร์มิสเตอร์ NTC: หัวใจสำคัญของการตรวจจับอุณหภูมิ
เทอร์มิสเตอร์ NTC เป็นตัวต้านทานเซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษที่มีลักษณะเฉพาะคือความต้านทานจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความไวต่ออุณหภูมิที่ไม่เหมือนใครนี้เกิดจากการผสมผสานของวัสดุและกลไกทางกายภาพ โดยทั่วไปแล้ว เทอร์มิสเตอร์ NTC ผลิตจากวัสดุเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์แบบโพลีคริสตัลไลน์ที่มีโครงสร้างแบบสปิเนล เทอร์มิสเตอร์ NTC ส่วนใหญ่ประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะ เช่น แมงกานีส นิกเกิล โคบอลต์ เหล็ก และทองแดง
ซึ่งแตกต่างจากตัวนำโลหะทั่วไปที่ความต้านทานไฟฟ้าเกิดจากการสั่นสะเทือนของอะตอมที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ เทอร์มิสเตอร์ NTC ทำงานบนกลไก "การนำกระโดด" ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนอิสระและคู่โฮล เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเข้มข้นของตัวนำประจุเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นภายในวัสดุ ซึ่งช่วยเพิ่มการไหลของประจุและส่งผลให้ความต้านทานลดลง กลไกการนำไฟฟ้านี้สามารถอธิบายได้ผ่านทฤษฎีแถบ ซึ่งเผยให้เห็นความสัมพันธ์โดยธรรมชาติระหว่างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุและคุณสมบัติการนำไฟฟ้า
ด้วยการควบคุมองค์ประกอบของวัสดุและกระบวนการผลิตอย่างแม่นยำ วิศวกรสามารถปรับแต่งลักษณะอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ NTC เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ
2. ลักษณะสำคัญของเทอร์มิสเตอร์ NTC
การเปลี่ยนแปลงความต้านทานในเทอร์มิสเตอร์ NTC ได้รับอิทธิพลจากทั้งอุณหภูมิโดยรอบและผลกระทบจากการให้ความร้อนด้วยตัวเอง อุณหภูมิโดยรอบหมายถึงแหล่งความร้อนภายนอกทั้งหมด ในขณะที่การให้ความร้อนด้วยตัวเองเกิดจากการให้ความร้อนแบบจูลเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ การวิเคราะห์ลักษณะของเทอร์มิสเตอร์ NTC โดยทั่วไปจะแยกแยะระหว่างสภาวะ "ไม่มีโหลด" และ "มีโหลด"
2.1 ลักษณะของเทอร์มิสเตอร์ NTC แบบไม่มีโหลด
ภายใต้สภาวะไม่มีโหลดที่การให้ความร้อนด้วยตัวเองมีน้อย ลักษณะการทำงานของเทอร์มิสเตอร์ NTC จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของวัสดุและอุณหภูมิโดยรอบเป็นหลัก
2.1.1 ลักษณะความต้านทาน-อุณหภูมิ (R/T)
ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC และอุณหภูมิสัมบูรณ์สามารถประมาณได้ด้วยฟังก์ชันเลขชี้กำลัง:
R 1 = R 2 × e B × (1/T 1 - 1/T 2 )
โดยที่:
ในขณะที่สมการนี้ให้ค่าประมาณทางคณิตศาสตร์ แอปพลิเคชันจริงมักใช้ตาราง R/T ที่ครอบคลุมซึ่งระบุค่าความต้านทานที่แม่นยำตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมด ซึ่งให้ความแม่นยำมากกว่าสูตรอย่างง่าย
2.1.2 ค่า B
ค่า B เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญซึ่งแสดงถึงความชันของเส้นโค้งความต้านทาน-อุณหภูมิ ซึ่งบ่งบอกว่าความต้านทานมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างไร กำหนดโดยวัสดุเทอร์มิสเตอร์ คำนวณดังนี้:
B = (lnR 1 - lnR 2 ) / (1/T 1 - 1/T 2 )
เนื่องจากแบบจำลองเลขชี้กำลังเป็นการประมาณ ค่า B จึงไม่คงที่อย่างสมบูรณ์ แต่จะแตกต่างกันเล็กน้อยในช่วงอุณหภูมิ สัญกรณ์มาตรฐานเช่น B 25/85 ระบุช่วงอุณหภูมิ (25°C ถึง 85°C ในกรณีนี้) ที่คำนวณค่า B
วัสดุ NTC ทั่วไปมีค่า B โดยทั่วไปตั้งแต่ 3000K ถึง 5000K การเลือกขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งานและเกี่ยวข้องกับการปรับสมดุลความต้านทานเล็กน้อยกับข้อจำกัดอื่นๆ เนื่องจากไม่ใช่ค่า B ทั้งหมดที่เหมาะสมสำหรับเทอร์มิสเตอร์ NTC ทุกประเภท
2.1.3 สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (α) กำหนดอัตราสัมพัทธ์ของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิ:
α = (1/R) × (dR/dT)
สัมประสิทธิ์นี้มักจะเป็นลบ ซึ่งสะท้อนถึงพฤติกรรม NTC ขนาดของมันส่งผลโดยตรงต่อความไวในการวัดอุณหภูมิ—สัมประสิทธิ์ที่สูงขึ้นบ่งบอกถึงการตอบสนองที่มากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
2.1.4 ความคลาดเคลื่อน
ความคลาดเคลื่อนระบุค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาตจากค่าความต้านทานเล็กน้อย โดยทั่วไปจะอ้างอิงที่ 25°C (แม้ว่าจะมีการระบุอุณหภูมิอื่นๆ ก็ตาม) ความคลาดเคลื่อนความต้านทานโดยรวมที่อุณหภูมิที่กำหนดจะพิจารณาทั้งความคลาดเคลื่อนความต้านทานอ้างอิงและการเปลี่ยนแปลงค่า B
ความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิสามารถหาได้ดังนี้:
ΔT = (1/α) × (ΔR/R)
สำหรับการวัดที่แม่นยำ ขอแนะนำให้ใช้ตาราง R/T มาตรฐานมากกว่าการคำนวณอย่างง่าย
2.2 ลักษณะโหลดไฟฟ้า
2.2.1 ค่าคงที่การกระจายความร้อน (δ th )
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเทอร์มิสเตอร์ การให้ความร้อนแบบจูลทำให้เกิดการให้ความร้อนด้วยตัวเองซึ่งอธิบายโดย:
P el = V × I = δ th × (T - T A )
ดังนั้น:
δ th = P el / (T - T A ) = R T × I 2 / (T - T A )
แสดงเป็น mW/K δ th ระบุพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิเทอร์มิสเตอร์ 1K ค่าที่สูงขึ้นหมายถึงการกระจายความร้อนที่ดีขึ้นไปยังสภาพแวดล้อม โปรดทราบว่าลักษณะทางความร้อนที่เผยแพร่โดยทั่วไปจะถือว่าอยู่ในสภาวะอากาศนิ่ง—สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันหรือการประมวลผลหลังการผลิตอาจเปลี่ยนแปลงค่าเหล่านี้
2.2.2 ลักษณะแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้า
ภายใต้กำลังไฟฟ้าคงที่ อุณหภูมิเทอร์มิสเตอร์จะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในตอนแรกก่อนที่จะคงที่เมื่อการกระจายพลังงานสมดุลกับการสร้างความร้อน ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าในสภาวะสมดุลความร้อนคือ:
I = √(δ th × (T - T A ) / R(T))
หรือ
V = √(δ th × (T - T A ) × R(T))
การพล็อตแรงดันไฟฟ้าเทียบกับกระแสไฟฟ้าที่อุณหภูมิคงที่เผยให้เห็นสี่ลักษณะเฉพาะ:
2.2.3 กำลังไฟสูงสุด (P 25 )
P 25 แสดงถึงกำลังไฟสูงสุดที่เทอร์มิสเตอร์สามารถจัดการได้ที่ 25°C ในอากาศนิ่ง การทำงานในระดับนี้จะวางอุปกรณ์ไว้ในบริเวณที่ให้ความร้อนด้วยตัวเอง ซึ่งโดยทั่วไปควรหลีกเลี่ยงเว้นแต่จะจำเป็นโดยเฉพาะสำหรับการใช้งาน
2.2.4 ค่าคงที่เวลาความร้อน (τ)
เมื่อวางเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่ T 1 ในสภาพแวดล้อมที่ T 2 อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล:
T(t) = T 2 + (T 1 - T 2 ) × e -t/τ a
ค่าคงที่เวลา τ (Tau 63.2) ถูกกำหนดให้เป็นเวลาที่ต้องใช้เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทั้งหมด 63.2% พารามิเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับ:
