
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ หรือNTC ( Negative Temperature Coefficient ) มีบทบาทสำคัญในการกำหนดพฤติกรรมทางความร้อนของชิ้นส่วนไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เช่น เทอร์มิสเตอร์ ตัวขยายสัญญาณ และสารกึ่งตัวนำ
มีเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิหลายประเภทให้เลือกใช้ ซึ่งทั้งหมดสามารถใช้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานเพื่อช่วยปกป้องระบบอิเล็กทรอนิกส์จากความเสียหายจากความร้อนได้
คำว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (TC) หมายถึงคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดที่ค่าทางกายภาพของวัสดุนั้นเปลี่ยนแปลงไปอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงโดยตรงของตัววัสดุเอง หรือการเปลี่ยนแปลงทางอ้อมจากอุณหภูมิแวดล้อม
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เมื่อวัสดุหรือส่วนประกอบร้อนขึ้น (หรือเย็นลง) ค่าของมันจะเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นจึงไม่คงที่ที่ทุกอุณหภูมิ
ค่าความต้านทานของวัสดุที่นำกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงเมื่อใช้งานในช่วงอุณหภูมิปกติ
อย่างไรก็ตาม มีอิเล็กโทรไลต์และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดที่มีค่าความต้านทานลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น กล่าวคือ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความต้านทานจะลดลงและต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าน้อยลง
ค่า สัมประสิทธิ์ความต้านทาน ตามอุณหภูมิα (อักษรกรีกแอลฟา) โดยทั่วไปใช้เพื่อระบุว่าความต้านทานของวัสดุเพิ่มขึ้นหรือลดลงมากน้อยเพียงใดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปตามที่กำหนด
ตัวอย่างเช่น ค่า α ที่เป็นบวกหมายความว่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ทำให้มี "สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก" (PTC)
ในขณะที่ค่า α ที่เป็นลบหมายความว่าความต้านทานจะลดลงตามอุณหภูมิ ทำให้ได้ "สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ" (NTC)
แต่ถึงแม้ว่าวัสดุจะมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิแบบ NTC หรือ PTC ก็ตาม วัสดุเหล่านั้นก็ยังคงเป็นไปตามกฎของโอห์มเช่นเดียวกับตัวต้านทานคงที่ เพียงแต่ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่วัสดุนั้นได้รับ
นอกจากค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่เป็นบวกหรือลบแล้ว โลหะผสมบางชนิด เช่นคอนสแตนตันยังมีค่า α เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าค่าของมันจะไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ
ในขณะที่คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุบางชนิดอาจเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย แต่บางวัสดุกลับมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
สูตรทั่วไปสำหรับสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน (TCR) อธิบายว่าความต้านทานของวัสดุเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป โดยแสดงได้ดังนี้:
R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)
หรือ
R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )
ที่ไหน:
ตัวอย่างการทำงานของ NTC หมายเลข 1
ขดลวดทองแดงมีค่าความต้านทานเริ่มต้น 25 โอห์ม ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ถ้าเพิ่มอุณหภูมิจนถึง 140 องศาเซลเซียส ค่าความต้านทานของขดลวดจะเป็นเท่าใด
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของลวดทองแดงถูกกำหนดดังนี้: α = 0.00393 Ω/ ° C (ในที่นี้ใช้ค่า 0.004)
ความแตกต่างของอุณหภูมิคำนวณได้ดังนี้: ∆T = 140 ° C – 20 ° C = 120 ° C
จากนั้นใช้สูตรข้างต้น ความต้านทานของขดลวดทองแดงที่อุณหภูมิ 140 องศาเซลเซียส คือ:
R = 25(1 + 0.004(140 – 20) = 37Ω
ดังนั้น ขดลวดทองแดงจึงมีความต้านทานเพิ่มขึ้น 12 โอห์ม ซึ่งเพิ่มขึ้น 48% จากค่าเดิม 25 โอห์ม
เราสามารถแสดงการเพิ่มขึ้นของความต้านทานขดลวดนี้ได้โดยใช้กราฟต่อไปนี้
ความชันของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิ

หากเราต้องการ เราสามารถคำนวณความต้านทานของขดลวดทองแดงเมื่อเย็นตัวลงจนถึง 0 องศาเซลเซียสได้ดังนี้:
R = 25(1 + 0.004(0 – 20) = 23Ω
จากนั้นเราจะเห็นได้ว่า การให้ความร้อนแก่ขดลวดจาก 0 องศาเซลเซียส ถึง 140 องศาเซลเซียส ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นจาก 23 โอห์ม เป็น 37 โอห์ม ตามลำดับ เมื่อค่าความต้านทานที่อุณหภูมิห้องคือ 25 องศาเซลเซียส ดังนั้น ในตัวอย่างนี้ ขดลวดจึงมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก
การทราบค่าความชันของกราฟทำให้เราสามารถคำนวณความต้านทานของวัสดุที่อุณหภูมิใดๆ ได้ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิ (α) สามารถคำนวณได้ดังนี้:

โดยที่ค่าความต้านทาน R 1กำหนดไว้ที่อุณหภูมิ T 1
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของส่วนประกอบต่างๆ อาจแตกต่างกันทั้งในขนาดและเครื่องหมาย ตัวอย่างเช่น ค่าเริ่มต้นของส่วนประกอบจะกำหนดไว้ที่อุณหภูมิห้อง 20 องศาเซลเซียส แต่จะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิอากาศโดยรอบ ซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของส่วนประกอบนั้นได้
โดยทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งแสดงถึงการเพิ่มขึ้นของความต้านทานต่อโอห์มต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส จะระบุเป็นหน่วยส่วนในล้านส่วน (ppm) ต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ1 องศาเซลเซียส ตัวอย่างเช่น 100 ppm/ ° C
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่พบได้บ่อยที่สุดของการใช้วัสดุ NTC ในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิคือ "เทอร์มิสเตอร์ NTC" แบบสองขั้ว
เทอร์มิสเตอร์ (Thermistor) ซึ่งเป็นคำที่เกิดจากการรวมคำว่าTher al Res istor เข้าด้วยกันนั้น เป็นไปตามชื่อที่บ่งบอก คือตัวต้านทานที่ไวต่ออุณหภูมิ โดยความต้านทานจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น กล่าวคือ มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ (NTC)
เทอร์มิสเตอร์ที่ไวต่อความร้อนมักทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งแปลงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิไปเป็นความต้านทานไฟฟ้า และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการตรวจวัดอุณหภูมิ ระบบควบคุม และวงจรป้องกัน
อุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบเม็ดเล็กเหล่านี้ให้การวัดอุณหภูมิที่แม่นยำและเชื่อถือได้สูง โดยทั่วไปแล้ว เทอร์มิสเตอร์ NTC เป็นที่นิยมมากกว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิชนิดอื่น (เช่น RTD หรือเทอร์โมคัปเปิล) เนื่องจากราคาถูก ตอบสนองเร็ว และไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อย
โดยทั่วไป เทอร์มิสเตอร์ NTC ถูกออกแบบมาเพื่อให้มีความแม่นยำสูงภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด ประมาณ ±50 องศาเซลเซียส หรือมากกว่านั้นเล็กน้อย รอบค่าความต้านทานกลางที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งก็คือ 25 องศาเซลเซียส (77 องศาฟาเรนไฮต์) นอกช่วงนี้ ความแม่นยำอาจลดลง หรือวัสดุอาจมีพฤติกรรมแตกต่างไปจากที่คาดไว้
นอกจากนี้ คุณสมบัติความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC ไม่เป็นเชิงเส้น แต่สามารถปรับให้เข้ากับจุดหรือเส้นโค้งได้ เทอร์มิสเตอร์ NTC ที่ปรับให้เข้ากับจุดได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มีความคลาดเคลื่อนที่รับประกันได้ที่อุณหภูมิจุดใดจุดหนึ่งโดยเฉพาะ ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิจุดใดจุดหนึ่งมีความสำคัญมาก เช่น 0 ° C, 25 ° C, 100 ° C เป็นต้น
เมื่อต้องการวัดอุณหภูมิในช่วงที่กว้างขึ้น เช่น -50 ถึง 150 องศาเซลเซียส สามารถใช้เทอร์มิสเตอร์แบบจับคู่เส้นโค้งได้ โปรดทราบว่า แม้ว่าเทอร์มิสเตอร์แบบจับคู่เส้นโค้งจะให้ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงได้กว้างกว่าเมื่อเทียบกับอุณหภูมิ แต่ค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC แต่ละยี่ห้อจะแตกต่างกันไปที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง
ค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน เมื่อต่ออนุกรมกับวงจรหรืออุปกรณ์ เทอร์มิสเตอร์จะทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์จำกัดกระแสไฟฟ้า
เทอร์มิสเตอร์ NTC มีความต้านทานเริ่มต้นสูง ซึ่งช่วยจำกัดการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฉับพลันหรือกระแสไฟกระชาก เมื่อมันร้อนขึ้น ความต้านทานจะลดลง ซึ่งควบคุมการไหลของกระแสและการกระจายพลังงาน ผลกระทบจากความร้อนที่เกิดขึ้นเองนี้ใช้เวลาไม่กี่วินาที ในระหว่างนั้นกระแสไฟจะเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป ไม่ใช่เพิ่มขึ้นทันที
เครื่องหมายเทอร์มิสเตอร์ NTC
เทอร์มิสเตอร์ NTC มักจะมีเครื่องหมายหรือรหัสเฉพาะที่ช่วยระบุคุณลักษณะต่างๆ ของมัน เครื่องหมายเหล่านี้อาจรวมถึงค่าความต้านทานที่อุณหภูมิห้อง ค่าความคลาดเคลื่อน และบางครั้งอาจเป็นรหัสของผู้ผลิต
รหัสที่ใช้ระบุเทอร์มิสเตอร์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ผลิตและขนาดของเทอร์มิสเตอร์ แต่ต่อไปนี้เป็นวิธีทั่วไปในการระบุรหัสของเทอร์มิสเตอร์ NTC
1. เครื่องหมายแสดงค่าความต้านทาน
ค่าความต้านทานที่อุณหภูมิเฉพาะ (โดยปกติที่ 25 องศาเซลเซียส) มักจะระบุเป็นโอห์ม (Ω), กิโลโอห์ม (kΩ) หรือเมกะโอห์ม (MΩ)
2. เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นดิสก์
โดยทั่วไปแล้ว ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจะสัมพันธ์กับหมายเลขรุ่นหรือหมายเลขชิ้นส่วนของเทอร์มิสเตอร์ ซึ่งอาจพิมพ์อยู่บนตัวเทอร์มิสเตอร์
ตัวอย่างเช่น เทอร์มิสเตอร์ NTC แบบแผ่นกลม (เช่น NTC 10D-9) จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 มม. โดยที่ตัวเลข “10” แสดงถึงค่าความต้านทานและขนาดทางกายภาพที่สอดคล้องกับแผ่นกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 มม. ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของเทอร์มิสเตอร์จึงมักเกี่ยวข้องกับหมายเลขรุ่นหรือหมายเลขชิ้นส่วน
3. รูปร่างหรือลักษณะทางกายภาพ
เทอร์มิสเตอร์แบบแผ่นกลมและเทอร์มิสเตอร์แบบลูกปัดอาจมีลักษณะทางกายภาพเฉพาะตัว เช่น ขนาด รูปร่าง หรือชนิดของขาเชื่อมต่อ แม้ว่าจะไม่ได้เป็นเครื่องหมายโดยตรง แต่ลักษณะทางกายภาพก็สามารถช่วยระบุชนิดของเทอร์มิสเตอร์ได้
ในการระบุเทอร์มิสเตอร์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบอย่างครบถ้วน ต้องใช้เอกสารข้อมูลของผู้ผลิตที่มีรหัสตัวเลข ค่าความคลาดเคลื่อน หรือหมายเลขชิ้นส่วนของผู้ผลิต เพื่อยืนยันรายละเอียดต่างๆ เช่น ช่วงอุณหภูมิ ความต้านทานที่แน่นอนที่อุณหภูมิต่างๆ และระดับความคลาดเคลื่อน
เครื่องหมายทั่วไปของเทอร์มิสเตอร์ NTC
ดังนั้นตัวอย่างเทอร์มิสเตอร์ NTC ที่ยกมานั้นเป็นเทอร์มิสเตอร์แบบแผ่นกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. ซึ่งมีค่าความต้านทานที่อุณหภูมิห้องเท่ากับ 2.5 โอห์ม
เทอร์มิสเตอร์แบบจับคู่เส้นโค้ง (Curve-matched thermistors) มีลักษณะเฉพาะคือค่าความต้านทานที่อุณหภูมิห้อง 25 องศาเซลเซียส แต่แตกต่างจากเซ็นเซอร์อื่นๆ เทอร์มิสเตอร์ NTC เป็นอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าจุดบนกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานและอุณหภูมิจะไม่เป็นเส้นตรง แต่จะมีลักษณะดังนี้:
เส้นโค้งเทอร์มิสเตอร์ NTC แบบไม่เชิงเส้น
เห็นได้ชัดว่า ความชันของเส้นกราฟและปริมาณการเปลี่ยนแปลงนั้นจะขึ้นอยู่กับชนิดและโครงสร้างของเทอร์มิสเตอร์
การแปลงอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้า
การใช้เทอร์มิสเตอร์ NTC ในการแปลงอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการสร้างวงจรแบ่งแรงดัน วงจรนี้จะแปลงความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงของเทอร์มิสเตอร์ (ซึ่งแปรผันตามอุณหภูมิ) ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน ซึ่งสามารถอ่านได้โดยตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) หรืออุปกรณ์วัดอื่นๆ
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านความต้านทานจะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมความต้านทานนั้นเสมอ ดังนั้นเราจึงสามารถใช้แรงดันกระตุ้นภายนอกคงที่และเทอร์มิสเตอร์ NTC ที่ต่ออนุกรมกับตัวต้านทานค่าคงที่เพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตดังแสดงในภาพ
การกำหนดค่าตัวแบ่งแรงดันเทอร์มิสเตอร์ NTC
เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC ก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งจะทำให้แรงดันเอาต์พุตที่ตกคร่อมตัวต้านทานอนุกรมคงที่ R Sเปลี่ยนแปลง ไปด้วย
วัดแรงดันเอาต์พุต (V TEMP ) ที่ตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ (หรือตกคร่อมตัวต้านทานคงที่ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ทำการวัด) จากนั้นอ่านค่าได้จากขาอินพุตแบบอนาล็อกของไมโครคอนโทรลเลอร์ (เช่น Arduino, Raspberry Pi เป็นต้น) หรือใช้โวลต์มิเตอร์เพื่ออ่านค่าโดยตรง
เพื่อให้การแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นอุณหภูมิมีความไวสูงสุด ควรเลือกตัวต้านทานคงที่ที่มีค่าใกล้เคียงกับค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ในช่วงอุณหภูมิที่คาดหวัง ตัวอย่างเช่น หากเทอร์มิสเตอร์มีค่าความต้านทาน 10 kΩ ที่ 25 องศาเซลเซียส ตัวต้านทานคงที่ขนาด 10 kΩ จะให้การตอบสนองที่ดีในช่วงอุณหภูมินั้น
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ NTC กับอุณหภูมิไม่เป็นเชิงเส้น จึงจำเป็นต้องใช้วงจรปรับให้เป็นเชิงเส้นบางรูปแบบ เช่น ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตที่เป็นเชิงเส้น
ตัวอย่างการทำงานของ NTC หมายเลข 2
เทอร์มิสเตอร์ NTC ขนาด 1kΩ ที่มีค่าสัมประสิทธิ์เบต้า 3950 ต่ออนุกรมกับตัวต้านทานคงที่ขนาด 1kΩ ต่อกับแหล่งจ่ายไฟ 12 โวลต์ เพื่อวัดอุณหภูมิในช่วงระหว่าง 10 ° C ถึง 100 ° C จงคำนวณหาแรงดันตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 ° C
ค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส
ที่ไหน:
ดังนั้น แรงดันตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส จึงคำนวณได้ดังนี้:
ในบทเรียน เรื่องสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบนี้ เราได้เห็นแล้วว่าวัสดุและส่วนประกอบต่างๆ สามารถเปลี่ยนแปลงค่าทางกายภาพได้เมื่อได้รับความร้อนหรือความเย็น อัตราการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของวัสดุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเรียกว่า "สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ" ของวัสดุ และโดยทั่วไปจะใช้ตัวอักษรกรีกอัลฟา (α) แทน
คำว่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบหรือ (NTC) หมายถึงคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดที่ความต้านทานจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในขณะที่วัสดุที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก (PTC) ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่พบได้บ่อยที่สุดของวัสดุ NTC คือในเทอร์มิสเตอร์ NTC เทอร์มิสเตอร์เป็นอุปกรณ์พาสซีฟที่ ไวต่อความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความต้านทานเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจึงพบได้ทั่วไปในเทอร์โมสตัท เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิในรถยนต์ และเครื่องใช้ในครัวเรือน
ดังนั้น แนวคิดเรื่องสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC) จึงมีบทบาทสำคัญทั้งในเทคโนโลยีในชีวิตประจำวันและการใช้งานเฉพาะทางในอุตสาหกรรม โดยเป็นวิธีการตรวจสอบและควบคุมอุณหภูมิที่น่าเชื่อถือและคุ้มค่า
ดังนั้น การทำความเข้าใจหลักการทำงานของเซ็นเซอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบและการนำไปประยุกต์ใช้จึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือการจัดการความร้อนของชิ้นส่วนและวงจรต่างๆ