Điện trở nhiệt NTC là gì ? Nguyên lý của cảm biến nhiệt độ NTC

Nhiệt trở NTC đầu tiên được Michael Faraday khám phá vào năm 1833 và ông đã nhận được một báo cáo về hành vi bán dẫn của sunfua bạc. Ông quan sát thấy rằng điện trở của sunfua bạc giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng lên. Vì ban đầu nhiệt trở khó được tạo ra và ứng dụng công nghệ chỉ một phần, nên sản xuất nhiệt trở thương mại không bắt đầu cho đến những năm 1930.

Vì vậy, một nhiệt trở thương mại khả thi có tên “Duracell” đã được Samuel Ruben giới thiệu vào năm 1930. Sau đó, việc nghiên cứu nhiệt trở NTC đạt được sự phát triển lớn nhờ sự phát triển của công nghệ transistor liên tục. Cuối cùng, nhiệt trở NTC đã được phát triển vào năm 1960. Vì vậy, bài viết này thảo luận về nhiệt trở NTC, hoạt động với các ứng dụng.

Điện trở hay Nhiệt trở NTC là gì?

Trong một nhiệt trở NTC, thuật ngữ NTC có nghĩa là “Hệ số Nhiệt Âm” là một điện trở có hệ số nhiệt âm, nghĩa là điện trở sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên. Chúng chủ yếu được sử dụng làm thiết bị hạn chế dòng điện và cảm biến nhiệt độ điện trở. Ký hiệu nhiệt trở NTC được hiển thị bên dưới theo tiêu chuẩn IEC.

Ký hiệu Nhiệt trở NTC

So với cảm biến nhiệt độ silic hoặc silistor, hệ số độ nhạy nhiệt của nhiệt trở này cao gấp 5 lần và cao gấp 10 lần so với RTD (cảm biến nhiệt độ điện trở). Các vật liệu được sử dụng để chế tạo nhiệt trở này là; niken, sắt, đồng, mangan và coban. Phạm vi nhiệt độ của các điện trở này từ -55°C đến +200°C.

Nguyên lý hoạt động của Nhiệt trở NTC

Nguyên lý hoạt động của nhiệt trở NTC chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh. Khi nhiệt độ của nhiệt trở tăng lên thì điện trở của nó sẽ giảm đi. Với mỗi 1 độ C tăng lên, điện trở sẽ giảm 5%.

Có hai yếu tố ảnh hưởng đến sự cản trở dòng điện của một vật liệu: số lượng electron tự do trong vật liệu và khả năng di chuyển của chúng qua vật liệu đó. Yếu tố sau bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu, sẽ có nhiều hoặc ít “đường dẫn electron tự do” cho dòng điện đi qua.

Nhiệt trở NTC được chế tạo từ gốm chứa oxit kim loại, bao gồm oxit Mn-Ni-Co, oxit Ni-Cr và oxit Cu-Ni với các phụ gia. Khi các kim loại này được kết hợp với oxy, chúng tạo thành các liên kết hạn chế số lượng đường dẫn electron tự do trong cấu trúc tinh thể, làm tăng điện trở.

Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn, các va chạm giữa các nguyên tử làm suy yếu cấu trúc tinh thể một chút, giải phóng một số electron và tạo ra các đường dẫn electron tự do ở nơi chúng không tồn tại trước đó. Càng có nhiều đường dẫn electron tự do thì điện trở đối với dòng điện càng thấp. Đó là cách mà nhiệt trở NTC thể hiện sự giảm điện trở khi nhiệt độ tăng lên.

Thông số kỹ thuật của Nhiệt trở NTC:

Các thông số kỹ thuật của một nhiệt trở NTC bao gồm:

• Điện trở là 10K ± 1% ở 25 độ C.
• Giá trị B là 3950 ± 1%.
• Thời gian đáp ứng rất nhanh từ 0,12 đến 10 giây.
• Hệ số tán nhiệt δth khoảng 7,5mW/K.
• Hằng số thời gian làm mát nhiệt là <= 20 giây.
• Phạm vi nhiệt độ từ -55°C đến +200°C.
• Có sẵn 2 đầu dây.
• Tuyến tính là hàm mũ.
• Độ chính xác từ 0,05°C đến 1,00°C.
• Dung sai tối đa lên đến ±1,5% ở -40°C & 150°C.
• Chi phí từ thấp đến vừa phải.

Các loại nhiệt trở NTC

Nhiệt trở NTC được phân loại thành ba loại dựa trên cấu tạo của chúng, được thảo luận dưới đây.

Nhiệt trở hạt

Nhiệt trở hạt được chế tạo trực tiếp với dây dẫn hợp kim bạch kim được đúc vào thân gốm. Chúng được bảo vệ bằng cách đóng kín trong thủy tinh để tránh hư hỏng trong quá trình lắp ráp và cũng để nâng cao độ ổn định đo lường.

Thông thường, loại nhiệt trở này được sử dụng thường xuyên vì chúng cung cấp độ ổn định tốt hơn, thời gian đáp ứng nhanh và cho phép hoạt động ở nhiệt độ tối đa so với các loại khác như nhiệt trở chip và đĩa. Kích thước của nhiệt trở hạt nhỏ, từ 0,075 mm đến 5 mm đường kính. Loại nhiệt trở hạt phổ biến nhất là hạt tráng thủy tinh và ống thủy tinh mini.

Nhiệt trở đĩa & chip

Các loại nhiệt trở NTC này được chế tạo với bề mặt tiếp xúc được mạ kim loại. Chúng có kích thước lớn hơn và phản ứng chậm hơn so với nhiệt trở loại hạt. Các điện trở này có hằng số tán nhiệt cao do kích thước của chúng. Khi công suất tán nhiệt của nhiệt trở này tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện, thì chúng có thể xử lý dòng điện tối đa so với nhiệt trở loại hạt.

Nhiệt trở loại đĩa được thiết kế bằng cách ép một hỗn hợp bột oxit vào khuôn tròn ở nhiệt độ cao. Nhiệt trở loại chip thường được thiết kế thông qua phương pháp đúc băng mà ở đó một dung dịch lỏng của vật liệu được kéo dài thành một màng dày, sấy khô và cắt thành hình dạng. Kích thước của các nhiệt trở này từ 0,25mm – 25mm đường kính.

Nhiệt trở NTC đóng kín bằng thủy tinh

Nhiệt trở NTC đóng kín được bảo quản trong một bọc thủy tinh đóng kín. Đây là những nhiệt trở nhỏ tránh được sai số đọc điện trở do sự xâm nhập của hơi ẩm. Các nhiệt trở này hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cực đoan. Nhiệt độ được sử dụng bởi các nhiệt trở này trên 150°C. Việc đóng kín nhiệt trở trong thủy tinh nâng cao độ ổn định của nó và cũng bảo vệ nó khỏi môi trường xung quanh. Kích thước điển hình của các nhiệt trở này từ 0,4 – 10 mm đường kính.

Sơ đồ mạch Nhiệt trở NTC

Sơ đồ mạch của cảm biến nhiệt độ được hiển thị bên dưới. Mạch này chủ yếu được thiết kế để điều khiển một quạt tự động với một nhiệt trở NTC. Chức năng của mạch này là khi nhiệt độ tăng lên thì quạt sẽ tự động bật lên.

Các linh kiện cần thiết để làm mạch điều khiển quạt tự động này bao gồm một nhiệt trở NTC 10K, điện trở 10K, pin 9V, quạt và transistor BC547.

Sự kết nối của mạch này có thể được thực hiện theo sơ đồ mạch trên. Trong mạch này, một nhiệt trở NTC 10kΩ được kết nối qua một điện trở 10kΩ để tạo thành một mạch chia áp. Điện trở của nhiệt trở này sẽ tăng lên khi nhiệt độ giảm và điện trở của nó sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên.

Điện trở của nhiệt trở ở nhiệt độ phòng là 10kohm. Ở đây, Quạt trong mạch chỉ đơn giản được kết nối qua transistor BC547. Một khi nhiệt trở phát hiện nhiệt độ thì điện trở của nó sẽ giảm, điều này sẽ làm cho quạt bật lên. Một khi nhiệt độ giảm thì quạt sẽ tắt.

Bảng điện trở của nhiệt trở NTC

Điện trở của nhiệt trở NTC chủ yếu thay đổi dựa trên nhiệt độ. Nhiệt độ được chỉ định bởi nhà sản xuất của một nhiệt trở thường là 25°C. Vì vậy, bảng sau đây sẽ hiển thị các giá trị điện trở dựa trên các giá trị nhiệt độ.

Sự khác biệt giữa nhiệt trở NTC và nhiệt trở PTC

Nhiệt trở NTC	Nhiệt trở PTC
Trong nhiệt trở NTC, thuật ngữ “NTC” có nghĩa là hệ số nhiệt âm.	Trong nhiệt trở PTC, thuật ngữ “PTC” có nghĩa là hệ số nhiệt dương.
Trong nhiệt trở này, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở sẽ giảm đi.	Trong nhiệt trở này, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở sẽ tăng lên.
Các vật liệu được sử dụng để làm nhiệt trở NTC là; coban, oxit của niken, mangan, đồng, v.v.	Vật liệu được sử dụng để làm nhiệt trở PTC là bari titanat.
Chúng được sử dụng trong việc đo lường và điều khiển các ứng dụng dựa trên nhiệt độ.	Chúng được sử dụng để bảo vệ các mạch khác nhau khỏi nhiệt độ cao.
Chúng áp dụng cho phạm vi nhiệt độ từ -55oC đến 200oC.	Chúng áp dụng cho phạm vi nhiệt độ từ 0oC đến 200oC.
Một ví dụ là nhiệt trở NTC dòng SMD KT được thiết kế bởi ATC Semitec Limited.	Một ví dụ là; nhiệt trở PTC dòng SMD được thiết kế bởi ATC Semitec Limited.

Ưu nhược điểm của Điện trở nhiệt NTC