Nhiệt điện trở Thermistor

Thermistor (biến trở nhiệt độ), ở trạng thái rắn, là thiết bị điện để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ dựa trên điện trở vật liệu thay đổi, nó được sử dụng trong nhiệt kế, điện trở nhiệt, chức năng điều khiển dòng,… Điện trở nhiệt cũng là một điện trở nhạy cảm với nhiệt độ. Trong khi cặp nhiệt điện là đầu dò nhiệt độ linh hoạt nhất và PRTD thì ổn định nhất,từ ngữ tốt nhất diên tả các thermistor là độ nhạy cảm. Trong 3 loại chính của cảm biến, điện trở nhiệt có sự thay đổi đối với nhiệt độ là lớn nhất

Điện trở nhiệt cũng là một điện trở nhạy cảm với nhiệt độ Trong khi cặp nhiệt điện là đầu dò nhiệt độ linh hoạt nhất và PRTD thì ổn định nhất,từ ngữ tốt nhất diên tả các thermistor là độ nhạy cảm Trong 3 loại chính của cảm biến, điện trở nhiệt có sự thay đổi đối với nhiệt độ là lớn nhất.

1.2 Cấu tạo

Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ

và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Điện trở nhiệt nói chung được tạo bởi các vật liệu bán dẫn Mặc dù các hệ số nhiệt độ

là dương, nhưng điên trở nhiệt lại có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là, điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng Khi tính toán ngược lại như vậy trên độ bách phân, các điện trở nhiệt có thể nhận diện được sự thay đổi nhiệt độ trong 1 phút mà RTD hay cặp nhiệt điện không thể phát hiên được Sự phản ứng tính nhạy cảm này không phải là hàm tuyến tính.Điện trở nhiệt là 1 thiết bị phi tuyến cùng với các tham số quá trình là rất lớn

Do đó,các điển trở nhiệt không được tiêu chuẩn hóa so với các RTD và Nhưng cặp nhiệt điện đã được tiêu chuẩn hóa Đường cong của 1 điện trở nhiệt riêng biệt thì có thể được xấp xỉ qua phương trình Steinhart-Hart

1/T = A + B * lnR + C * (ln R)3Trong đó: T: Nhiệt độ Kelvin

R: điện trở của điện trở nhiệt

A, B, C: Hằng số điều chỉnh đường cong

A, B và C được tìm thấy bằng cách chọn 3 điểm trên đường cong dữ liệu và hệ

3 phương trình 3 ẩn Khi các điểm dữ liệu được lựa chọn không quá 1000C trong phạm

vi nhiệt độ của điện trở nhiệt,thì sẽ tạo ra đường cong phù hợp

Việc tính toán sẽ nhanh hơn bằng 1 phương trình đơn giản hơn:

T = B/(lnR – A) – C

Trong đó A, B, C được tìm thây bằng việc lựa chọn 3 tọa độ (R, T) và giải ba phương trình đông thời Phương trình này phải được áp dụng trong khoảng nhiệt độ hẹp hơn đểtiệm cận chinh xác của phương trình Steinhart_Hart

Các sáng chế hiện nay liên quan đến chất bán dẫn oxide cho thermistors để sử dụng như cảm biến chủ yếu trong một phạm vi nhiệt độ 200 – 5000C, một hiện thân trong đó bao gồm 5 loại nguyên tố kim loại 60 – 98.5% của nguyên tử Mn, 0.1 – 5 % nguyên tử của Ni , 0.3 – 5 % của nguyên tử Cr, 0.2 – 5 % của nguyên tử Y và 0.5 - 28% nguyên tửcủa Zr, các chất bán dẫn oxide cho các nhiệt điện trở có một tính năng tuyệt vời đặc

trưng như bộ cảm biến nhiệt độ để sử dụng trong phạm vi nhiệt độ trung binh và cao;

đó là, đưa ra như một sự thay đổi điện trở nhỏ với thời gian như trong ± 5% ở nhiệt độ

từ 200 - 5000C, nó thích hợp nhất cho các ứng dụng đo nhiệt độ mà độ tin cậy cao là cần thiết ở nhiệt độ cao

Nhiệt điện trở chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 – 150D.C do vậy người

ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt – mít Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

Hình: Cấu tạo Thermistor

2 Phân loại

Nhiệt điện trở có thể phân thành 2 loại: PTC và NTC

Sự phân loại dựa trên dấu của hệ số k trong công thức:

Trong đó: ∆R: Khoảng biến thiên điện trở

∆T: Khoảng biến thiên nhiệt độ

k: Hệ số nhiệt

- Nếu k dương: điện trở tăng khi nhiệt độ tăng: PTC (positive temperature

Trên thị trường, nhiệt điện trở PTC thường có loại chính:

• Điện trở silic nhạy nhiệt “Silistor”:

- Thiết bị này thể hiện một hệ số nhiệt dương khá thống nhất khoảng + 0.77% hầunhư suốt phạm vi hoạt động của chúng, nhưng nó còn thể hiện một vùng hệ số nhiệt âm khi nhiệt độ vượt quá 150°C

- Thường được dùng để cân bằng nhiệt độ của các thiết bị bán dẫn Silic trong khoảng nhiệt độ từ - 60°C đến +150°C

• PTC chuyển đổi:

- Các thiết bị này làm từ vật liệu ceramic đa tinh thể thường có điện trở cao nhưng

có tính bán dẫn khi thêm vào tạp chất

- Thường được sản xuất từ Bari, chì và Titan với các phụ gia như Mangan, Silic, Tan tan và Ytri

- Có đặc tính là điện trở nhiệt (có hệ số nhiệt âm rất nhỏ) cho đến khi thiết bị đạt đến nhiệt độ giới hạn, được gọi là nhiệt độ Curie – nhiệt độ chuyển đổi hay chuyển tiếp Vượt qua nhiệt độ giới hạn này, hệ số nhiệt tăng mạnh lên hệ số nhiệt dương trong điện trở

Các nhiệt điện trở NTC thường làm từ các oxit kim loại, thông dụng nhất là các oxti của mangan, niken, coban, sắt, đồng và titan Các nhiệt điện trở NTC thương mai được sản xuất dựa trên cơ sở kỹ thuật ceramic cho đến ngày nay

Hỗn hợp của hai hay nhiều oxit kim loại dạng bột được trộn với các chất kết dính thích hợp, tất cả được tạo hình, sấy khô và nung ở nhiệt độ cao Bằng cách thay đổicác loại oxit được sử dụng, tỷ lệ tương đối của chúng, môi trường nung và nhiệt độ nung thì có thể đạt được điện trở suất và hệ số nhiệt mong muốn

Nhiệt điện trở NTC thương mại có thể được phân thành 2 nhóm chính, phụ thuộc vào phương pháp các điện cực được gắn vào xương gốm Mỗi nhóm có thể lại được phân nhỏ thành các loại khác nhau, trong đó, mỗi loại đặc trưng cho kỹ thuật tạo hình, gia công hay lắp ráp

• Loại 1: Dạng hạt: Các nhiệt điện trở dạng này có dây dẫn là hợp kim platin được kết khối trực tiếp trong xương ceramic Loại nhiệt điện trở này được phân nhỏ thành các loại sau:

 Bare Beads (Hạt trần)

 Glass Coated Beads (Hạt được bọc thuỷ tinh)

 Ruggedized Beads (Hạt chịu được va chạm)

 Miniature Glass Probes (Đầu dò thuỷ tinh cỡ nhỏ)

 Glass Probes (đầu dò thuỷ tinh)

 Glass Rods (Đũa thuỷ tinh)

 Bead – in – Glass Enclosures (hạt bọc trong thuỷ tinh)

• Loại 2: Có chỗ tiếp xúc bề mặt bị kim loại hoá

• Hằng số nhiệt thời gian

Lượng thời gian cần thiết để điện trở nhiệt thay đổi trên 60% của phần chênh lệch giữa nhiệt độ bên trong (tự gia nhiệt) và nhiệt độ xung quanh sau khi ngắt điện Hằng số này cũng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như hằng số hấp thụ

Các cuộc nghiên cứu về tính chất nhiệt của điện trở nhiệt PTC đều dựa trên kết cấu thiết bị đơn giản

3.1.2 Thuộc tính điện

Các thuộc tính về điện như sau:

• Cường độ dòng điện – thời gian

Bất cứ sự thay đổi nào về lượng điện năng áp vào cho PTC sẽ gây ra một sự thay đổi nhiệt độ của nó Thời gian mà nó cần cho thiết bị tăng hay giảm nhiệt là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng liên quan đến điều chỉnh sự nóng chảy, thời gian trễ, động cơ khởi động và sự khử từ

• Điện trở – nhiệt độ

Mặc dù điện trở nhiệt PTC có thể sử dụng để do nhiệt độ và ứng dụng điều khiển chế

độ điện Zero, nhưng chúng thường không được vận hành theo cách đó Dữ liệu

thường không được trình bày ở dạng bảng điện trở - nhiệt độ hay các phương trình nội suy Tuy nhiên, có một số giới hạn đặc tính nhiệt điện trở quan trọng đòi hỏi sự hiểu biếtcủa các nhà thiết kế hay người sử dụng thiết bị

• Điện và điện trở cực tiểu

Các điện trở điện Zero của điện trở PTC thường được quy định ở nhiệt độ tiêu chuẩn (thường là ở 250C)

Điện trở cực tiểu: Điện trở cực tiểu của thiét bị PTC là giá trì thấp nhất của đường cong Điện trở - nhiệt mà điện trở có thể đạt được Đây là điểm ngay dưới nhiệt độ chuyển tiếp, nơi độ đốc của đường đặc tính chạm vào mốc zero khi thiết bị thay đổi từ hệ số nhiệt âm nhỏ lên giá trị nhiệt dương lớn

• Hệ số nhiệt

Độ dốc của sự thay đổi đường cong đặc tính điện trở - nhiệt từ một giá trị âm nhỏ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp sang một giá trị dương trên nhiệt độ chuyển tiếp Giá trị dương cực đại của hệ số nhiệt điên trở xảy ra trong vòng vài độ trên điểm chuyển tiếp Khi thiết bị trở nên nóng hơn, sự thay đổi giá trị dương của hệ số nhiệt bắt đầu giảm dần, cuối cùng trở lại hệ số âm Tuy nhiên, điều này thường xảy ra ở nhiệt độ rất cao, vượt ra ngoài phạm vi hoạt động bình thường đối với các thiết bị được thiết kế

• Nhiệt độ chuyển tiếp

Nhiệt độ chuyển tiếp là điểm mà tại đó đặc tính nhiệt điện trở bắt đầu tăng mạnh Nhiệt

độ này ứng với điểm Curie của vật liệu, tuy nhiên, rất khó để xách định chính xác nhiệt

độ đó Các nhà sản xuất PTC xác định nhiệt độ này là điểm mà có một tỉ lệ dự kiến tồn tại giữa điện trở cực tiểu (hay điện trở điện zero ở 250C) và điện trở ở nhiệt độ chuyển tiếp Ví dụ, nhiệt kế xác định được điểm mà tại đó điện trở gấp 2 lần giá trị cực tiểu Một

số nhà sản xuất khác có thể đưa ra một con số gấp 10 lần giá trị cực tiểu đó

• Sự phụ thuộc vào điện áp

Sự phụ thuộc vào điện áp của điện trở nhiệt PTC được quan tâm nhiều trong các cuộc nghiên cứu, thảo luận Hình dưới cho thấy đối với một PTC duy trì ở một nhiệt độ không đổi, điện trở giảm khi điện áp tăng Vì vậy, bất cứ sự đo lường đặc tính nhiệt – điện trở nào cũng phải xác định điệp áp đặt vào trong quá trình kiểm tra để việc thí nghiệm có ý nghĩa

Hình: Sự phụ thuộc vào điện áp

• Đặc tính Volt - Ampe

Đường cong Volt – Ampe xác định mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp ở bất cứ điểm nào của trạng thái cân bằng nhiệt Rõ rang từ hình dưới cho thấy nhiệt độ và điện trở của PTC bị ảnh hưởng bởi sự hấp thu/tiêu tán điện (sự tự gia nhiệt) và môi trường xung quanh Bất cứ yếu tố nào thay đổi hằng số hấp thu cũng thay đổi hình dạng đường cong Volt – Ampe

Các đặc tính dòng – áp đối với hầu hết điện trở nhiệt PTC thường không được vẽ từ dữliệu chính xác Thay vào đó, nhà sản xuất cung cấp một dữ liệu hay thông số kỹ thuật

quan trọng nào đó cho phép các nhà thiết kế hay người sử dụng có thể sáng tạo ra kiểumẫu lý tưởng cho thiết bị Điều này giúp đơn giản hoá quá trình thiết kế, và phù hợp vớihầu hết các ứng dụng liên quan đến điện trở nhiệt PTC tự gia nhiệt.

Các kiểu mẫu lý tưởng của một điện trở nhiệt PTC được xem là cần có các điều kiện như sau:

- Điện trở của thiết bị là cân bằng với điện trở cực tiểu tại tất cả các nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển tiếp

- Điện trở của thiết bị là vô cùng ở tất cả các nhiệt độ trên nhiệt độ chuyển tiếp

- Hằng số hấp thụ/tiêu tán không thay đổi trong khoảng nhiệt độ quan tâm

- Sự phụ thuộc điện áp của thiết bị được bỏ qua

Tương tự như các thiết bị NTC, đặc tính dòng – áp ở trạng thái ổn định của thiết bị PTC có thể bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của môi trường xung quanh, bức xạ,

hệ số hấp thụ/tiêu tán và các thông số điện trong mạch

(1)Khoảng năng lượng nhiệt được cung cấp cho điện trở nhiệt trong một mạch điện bằng với lượng năng lượng hấp thụ/tiêu tán trong các điện trở nhiệt

(2)

Khoảng năng lượng nhiệt bị mất từ điện trở nhiệt đến môi trường xung quanh là tỉ lệ thuận với sự gia tăng nhiệt độ trong điện trở nhiệt đó.

(3)

Trong đó: δ: hằng số hấp thụ/tiêu tán Hằng số này không phải là một hằng đúng nghĩa

và được đo trong điều kiện cân bằng

Khoảng năng lượng nhiệt được hấp thụ bởi điện trở nhiệt làm tăng một lượng cụ thể vềnhiệt:

(4)Trong đó: s: nhiệt riêng

m: khối lượng của điện trở nhiệt

c: nhiệt dung, phụ thuộc vào vật liệu và cấu tạo điện trở nhiệt

Vì vậy, phương trình truyền nhiệt cho một điện trở nhiệt NTC tại thời điểm bất kì sau khidòng điện được áp vào mạch được thể hiện như sau:

(5)Kiểm tra trạng thái điện trở nhiệt trong điều kiện ổn định và tạm thời Các phép giải của phương trình (5) khi dòng điện không đổi là:

(6)Phương trình (6) cho thấy rằng khi một lượng điện đáng kể hấp thụ/tiêu tán trong một điện trở nhiệt, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên trên nhiệt độ môi trường như một hàm thời gian Các điều kiện tạm thời ở chế độ “mở”, và tất cả các ứng dụng đều dựa trên đặc tính dòng – thời gian vốn phụ thuộc vào phương trình (6)

Một điều kiện của trạng thái cân bằng đạt được khi dT/dt = 0 trong phương trình (5) hoặc khi t >> C/d trong phương trình (6) Trong điều kiện ở trạng thái ổn định, khoảng nhiệt bị mất bằng với lượng điện cung cấp cho điện trở nhiệt Do đó:

δ(T - TA) = δ∆T = P = ET * IT (7)Trong đó: ET: Trạng thái ổn định hay trạng thái tĩnh của điện áp điệnt rở nhiệt

IT: dòng ở trạng thái ổn định

Đặc tính volt – ampe được định ra từ phương trình (7) Khi dòng điện giảm trong điện trở nhiệt đến một lượng nhiệt tự gia nhiệt được xem là không đáng kể thì phương trình truyền nhiệt có thể được viết lại như sau:

(8)Như vậy đến nay, tất cả các cuộc thảo luận về các thuộc tính của điện trở nhiệt NTC đều dựa trên cấu trúc thiết bị đơn giản với một thời gian duy nhất không thay đổi

Trong suốt thời gian này, dòng sẽ tăng từ một giá trị ban đầu đến một giá trị cuối cùng

và sự thay đổi dòng này là một hàm thời gian được gọi là đặc tính “Dòng – Thời gian”.Đặc tính này không đơn giản là một mối quan hệ theo cấp số mũ Khoảng thay đổi dòng ban đầu sẽ thấp vì điện trở của điện trở nhiệt cao và điện trở nguồn thêm vào Ki thiết bị bắt đầu từ gia niệt, điện trở sẽ giảm nhanh chóng và khoảng thay đổi thay đổi

dòng sẽ tăng lên Cuối cùng, khi thiết bị đạt đến trạng thái cân bằng, khoảng thay đổi dòng sẽ giảm khi dòng chạm đến giá trị cuối cùng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính dòng – thời gian là nhiệt dung của thiết bị (c), hằng

số hấp thụ/tiêu tán của thiết bị (d), nguồn điện áp, nguồn điện trở và điện trở của thiết bị

ở nhiệt độ môi trường Giá trị ban đầu và hiện tại của dòng và thời gian cần thiết để đạt được giá trị dòng cuối cùng có thể được thay đổi khi cân bằng bằng cách thiết kế mạch thích hợp

Đặc tính dòng – thời gian được sử dụng trong các ứng dụng: trì hoãn thời gian, ngăn cản sự tăng vọt của dòng hay điện áp, bảo vệ dây tóc, bảo vệ sự quá tải và chuyển mạch liên tiếp

• Dòng – điện áp

Một khi điện trở nhiệt tự gia nhiệt đạt đến trạng thái cân bằng, tốc độ mất nhiệt của thiết

bị sẽ cân băng với điện được cung cấp Nó được thể hiện bằng toán học dưới dạng phương trình:

δ(T - TA) = δ∆T = P = ET * ITNếu hằng số hấp thụ/tiêu tán thay đổi không đáng kể trong môi trường xác định và tập hợp các điều kiện, và xuất hiện đặc tính nhiệt – điện trở, phương trình trên có thể được giải quyết cho đặc tính dòng – điện áp ổn định Đặc tính này có thể được vẽ tên toạ độ hàm log – log nơi các đường điện trở không đổi có độ dốc +1 và các đường dòng điện

có độ dốc -1 (như trong hình 5) Đối với một số ứng dụng, nó thuận tiện hơn để vẽ đặc tính dòng – điệp áp trên toạ độ tuyến tính (như hình 6)

Khi lượng điện hấp thụ/tiêu tán trong điện trở nhiệt không đáng kể, đặc tính dòng – điện

áp sẽ tiếp tuyến với một đường điện trở không đổi bằng với điện trở dòng zero của thiết

bị ở nhiệt độ môi trường quy định

Có nhiều ứng dụng dựa trên đặc tính dòng – điện áp tĩnh này Những ứng dụng này có thể được phân loại lại theo kiểu kích thích được sử dụng đế thay đổi đặc tính dòng – điện áp

• Điện trở – nhiệt độ

Có nhiều ứng dụng dựa trên đặc tính điện trở - nhiệt độ và cúng có thể được phân thành các nhóm chung của nhiệt kế điện trở, sự điều khiển nhiệt độ hay hiệu chỉnh nhiệt độ Trong các cuộc thảo luận trước đây về đặc tính dòng – thời gian và dòng – điện táp, các thiết bị được kiểm tra về việc vận hành ở chế độ tự gia nhiệt (gia nhiệt lên trên nhiệt độ môi trường bằng dòng điện bị hấp thụ/tiêu tán trong điện trở nhiệt) Đối vớihầu hết các ứng dụng dựa trên đặc tính điện trở - nhiệt độ, tác dụng tự gia nhiệt là không mong muốn và một thử nghiệm làm việc với một dòng điện gần zero

4 Phương pháp xản xuất

Các sáng chế hiện nay liên quan một phương pháp sản xuất vật liệu nhiệt điện trở nhiệt

độ cao có tính chất nhiệt điện trở ổn định và một nhiệt điện trở nhiệt độ cao Theo phương pháp này, các vật liệu điện trở nhiệt thu được bằng cách trộn bột (MnCr)O4

spinel và bột Y2O3 và bắn bột trộn ở nhiệt độ từ 1400 – 17000C, để tạo ra các thành phần của hỗn hợp phản ứng với nhau.Một phương pháp sản xuất vật liệu nhiệt điện trở nhiệt độ cao, bao gồm các bước:

Trộn bột (MnCr)O4spinel bột và Y2O3 để tạo thành một loại bột hỗn hợp, và bắn bột hỗnhợp ở nhiệt độ từ 1400 – 17000C Phản ứng thành phần của bột trộn với nhau và tạo ra(MnxCry)O4spinel và Y(CrMn)O3Perovskite , trong đó 0 < x, y ≤ 2, và x + y = 3

Một phương pháp theo yêu cầu 1, trong đó nồng độ của bột Y2O3 là 10 – 90 % mol so với số lượng tổng cộng của các bột (MnCr)O4spinel và bột Y2O3trong hỗn hợp bột.Một phương pháp theo yêu cầu 1, trong đó tỷ lệ mol của Mn : Cr trong (MnCr)O4bột spinel là 0.11 – 9

(MnCr)O4là một vật liệu nhiệt điện trở nhiệt độ cao và có điện trở suất cao và nhiệt độ cao hệ số kháng.Mặt khác, YCrO3là một loại vật liệu nhiệt điện trở tương tự và có điệntrở suất thấp và nhiệt độ thấp hệ số kháng.Do đó, nhiệt độ cao, nhiệt điện trở có thể được cấp một điện trở suất mong muốn và phù hợp với nhiệt độ có hệ số kháng bằng cách thay đổi phù hợp tỷ lệ pha trộn của (MnCr)O4và YCrO3.Các vật liệu nhiệt điện trở nhiệt độ cao có một loạt các đặc tính nhiệt điện trở ổn định

Tuy nhiên, có một số vấn đề, như sau, trong các vật liệu nhiệt điện trở trước tính thuậnlợi của một loại vật liệu nhiệt điện trở trở thành có thể do thống nhất phân tán

(MnCr)O4hạt và YCrO3hạt trong vật liệu.Như đã đề cập ở trên, bởi vì cả hai

(MnCr)O4có điện trở suất tốt hơn và nhiệt độ tốt hơn hệ số của sức đề kháng và

YCrO3có điện trở suất tồi tệ hơn và nhiệt độ tồi tệ hơn hệ số của điện trở được thống nhất hỗn hợp và phân tán với nhau trong suốt các vật liệu nhiệt điện trở, điện trở suất

và nhiệt độ hệ số kháng của vật liệu nhiệt điện trở là đồng nhất trong các vật liệu nhiệt điện trở