สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

เรียนรู้หลักการของสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบและการประยุกต์ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบคืออะไร?

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

เทอร์มิสเตอร์ NTC 2.5 โอห์ม, 20 มม.

NTC และ PTC คืออะไร?

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:

สูตรสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)

หรือ

R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )

ที่ไหน:

  • R (T)คือค่าความต้านทานในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิที่กำหนด (T)
  • R 0คือค่าเริ่มต้นในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิอ้างอิง (โดยปกติคือ 20 องศาเซลเซียส)
  • α คือค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิของวัสดุที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ในหน่วย Ω/ ° C
  • ∆T คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงกว่า 20 องศาเซลเซียส ในหน่วยองศาเซลเซียส

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:

การเปลี่ยนแปลงสัมประสิทธิ์ความต้านทานตามอุณหภูมิ

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

เทอร์มิสเตอร์ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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

สัญลักษณ์เทอร์มิสเตอร์ NTC

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

เส้นโค้งเทอร์มิสเตอร์สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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:

  • R 0คือค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิอ้างอิง 25 องศาเซลเซียส
  • T คืออุณหภูมิที่คุณวัดค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ โดยมีหน่วยเป็นเคลวิน (K) T = T( o C) + 273.15
  • T 0คืออุณหภูมิอ้างอิงในหน่วยเคลวิน (โดยทั่วไปคือ 298.15 K สำหรับ 25 o C)
  • ค่า B (สัมประสิทธิ์เบต้า) ของเทอร์มิสเตอร์ มีค่าเท่ากับ 3950

ดังนั้น แรงดันตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส จึงคำนวณได้ดังนี้:

สรุปค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

เรียนรู้หลักการของสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบและการประยุกต์ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

นักเขียนบทความ
by 
นักเขียนบทความ
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

เรียนรู้หลักการของสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบและการประยุกต์ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบคืออะไร?

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

เทอร์มิสเตอร์ NTC 2.5 โอห์ม, 20 มม.

NTC และ PTC คืออะไร?

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:

สูตรสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)

หรือ

R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )

ที่ไหน:

  • R (T)คือค่าความต้านทานในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิที่กำหนด (T)
  • R 0คือค่าเริ่มต้นในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิอ้างอิง (โดยปกติคือ 20 องศาเซลเซียส)
  • α คือค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิของวัสดุที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ในหน่วย Ω/ ° C
  • ∆T คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงกว่า 20 องศาเซลเซียส ในหน่วยองศาเซลเซียส

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:

การเปลี่ยนแปลงสัมประสิทธิ์ความต้านทานตามอุณหภูมิ

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

เทอร์มิสเตอร์ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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

สัญลักษณ์เทอร์มิสเตอร์ NTC

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

เส้นโค้งเทอร์มิสเตอร์สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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:

  • R 0คือค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิอ้างอิง 25 องศาเซลเซียส
  • T คืออุณหภูมิที่คุณวัดค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ โดยมีหน่วยเป็นเคลวิน (K) T = T( o C) + 273.15
  • T 0คืออุณหภูมิอ้างอิงในหน่วยเคลวิน (โดยทั่วไปคือ 298.15 K สำหรับ 25 o C)
  • ค่า B (สัมประสิทธิ์เบต้า) ของเทอร์มิสเตอร์ มีค่าเท่ากับ 3950

ดังนั้น แรงดันตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส จึงคำนวณได้ดังนี้:

สรุปค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Suspendisse varius enim in eros elementum tristique. Duis cursus, mi quis viverra ornare, eros dolor interdum nulla, ut commodo diam libero vitae erat. Aenean faucibus nibh et justo cursus id rutrum lorem imperdiet. Nunc ut sem vitae risus tristique posuere.

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

สัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

เรียนรู้หลักการของสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบและการประยุกต์ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

Lorem ipsum dolor amet consectetur adipiscing elit tortor massa arcu non.

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบคืออะไร?

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

เทอร์มิสเตอร์ NTC 2.5 โอห์ม, 20 มม.

NTC และ PTC คืออะไร?

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:

สูตรสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)

หรือ

R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )

ที่ไหน:

  • R (T)คือค่าความต้านทานในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิที่กำหนด (T)
  • R 0คือค่าเริ่มต้นในหน่วยโอห์มที่อุณหภูมิอ้างอิง (โดยปกติคือ 20 องศาเซลเซียส)
  • α คือค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิของวัสดุที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส ในหน่วย Ω/ ° C
  • ∆T คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงกว่า 20 องศาเซลเซียส ในหน่วยองศาเซลเซียส

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:

การเปลี่ยนแปลงสัมประสิทธิ์ความต้านทานตามอุณหภูมิ

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

เทอร์มิสเตอร์ที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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

สัญลักษณ์เทอร์มิสเตอร์ NTC

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

เส้นโค้งเทอร์มิสเตอร์สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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:

  • R 0คือค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิอ้างอิง 25 องศาเซลเซียส
  • T คืออุณหภูมิที่คุณวัดค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์ โดยมีหน่วยเป็นเคลวิน (K) T = T( o C) + 273.15
  • T 0คืออุณหภูมิอ้างอิงในหน่วยเคลวิน (โดยทั่วไปคือ 298.15 K สำหรับ 25 o C)
  • ค่า B (สัมประสิทธิ์เบต้า) ของเทอร์มิสเตอร์ มีค่าเท่ากับ 3950

ดังนั้น แรงดันตกคร่อมเทอร์มิสเตอร์ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส จึงคำนวณได้ดังนี้:

สรุปค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ

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