ما هو الثرمستور أو المقاوم الحراري - Thermistor or Thermal resistor؟

ما هو الثرمستور أو المقاوم الحراري؟

يُعرَّف الثرمستور أو “المقاوم الحراري” بأنّه نوع من المقاومات تختلف مقاومته الكهربائية باختلاف التغيرات في درجة الحرارة. على الرغم من أنّ مقاومة جميع المقاومات تتقلب قليلاً مع درجة الحرارة، فإنّ الثرمستور حسّاس بشكل خاص للتغيرات في درجات الحرارة.

تعمل الثرمستورات كمكون سلبي “خامل” في الدائرة. إنّها طريقة دقيقة ورخيصة وقوية لقياس درجة الحرارة. في حين أنّ الثرمستورات لا تعمل بشكل جيد في درجات الحرارة الشديدة البرودة أو السخونة، فهي المستشعر المفضل للعديد من التطبيقات المختلفة. تعتبر الثرمستورات مثالية عند الحاجة إلى قراءة دقيقة لدرجة الحرارة.

استخدامات الثرمستورات:

تحتوي الثرمستورات على مجموعة متنوعة من التطبيقات. يتم استخدامها على نطاق واسع كطريقة لقياس درجة الحرارة كمقياس حرارة حراري في العديد من بيئات الهواء السائلة والهواء المحيط المختلفة. تتضمن بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا للثرمستورات ما يلي:

• موازين الحرارة الرقمية “منظمات الحرارة” (thermostats).

• تطبيقات السيارات “لقياس درجات حرارة الزيت والمبرد في السيارات والشاحنات”.

• الأجهزة المنزلية “مثل أفران الميكروويف والثلاجات والأفران”.

• حماية الدائرة الكهربائية، “أي الحماية من زيادة التيار”.

• البطاريات القابلة لإعادة الشحن “تأكد من الحفاظ على درجة حرارة البطارية الصحيحة”.

• لقياس التوصيل الحراري للمواد الكهربائية.

• مفيد في العديد من الدوائر الإلكترونية الأساسية.

• تعويض درجة الحرارة، “أي الحفاظ على المقاومة للتعويض عن الآثار الناجمة عن التغيرات في درجة الحرارة في جزء آخر من الدائرة”.

• تستخدم في دوائر “جسر ويتستون” (wheatstone bridge circuits).

كيف يعمل الثرمستور؟

مبدأ عمل الثرمستور هو أنّ مقاومته تعتمد على درجة حرارته. يمكننا قياس مقاومة الثرمستور باستخدام مقياس الأومتر (ohmmeter). إذا عرفنا العلاقة الدقيقة بين كيفية تأثير التغيرات في درجة الحرارة على مقاومة الثرمستور، فعند قياس مقاومة الثرمستور يمكننا اشتقاق درجة حرارته. يعتمد مقدار تغير المقاومة على نوع المادة المستخدمة في الثرمستور. العلاقة بين درجة حرارة الثرمستور والمقاومة غير خطية.

إذا كان لدينا عنصر حراري برسم بياني لدرجة الحرارة، فيمكننا ببساطة ترتيب المقاومة المقاسة بواسطة مقياس الأومتر مع درجة الحرارة. من خلال رسم خط أفقي مقابل المقاومة على المحور (y)، ورسم خط عمودي لأسفل من حيث يتقاطع هذا الخط الأفقي مع الرسم البياني، يمكننا بالتالي اشتقاق درجة حرارة الثرمستور.

أنواع الثرمستور:

هناك نوعان من الثرمستورات:

• الثرمستور معامل درجة الحرارة السالبة (NTC).

• الثرمستور معامل درجة الحرارة الموجبة (PTC).

الثرمستور (NTC):

في الثرمستور (NTC)، عندما تزداد درجة الحرارة، تقل المقاومة. وعندما تنخفض درجة الحرارة، تزداد المقاومة. ومن ثمّ فإنّ درجة الحرارة والمقاومة في الثرمستور (NTC) تتناسب عكسياً. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من المكوّنات. العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة في الثرمستور (NTC) تحكمها العبارة التالية:

R_T = R₀e^{β(1/T-1/T₀)}

حيث:

R_T – هي المقاومة عند درجة الحرارة (T (K)).

R₀ – هي المقاومة عند درجة الحرارة (T0 (K)).

T₀ – هي درجة الحرارة المرجعية (عادةً 25 درجة مئوية).

β – ثابت، وتعتمد قيمته على خصائص المادة. تعتبر القيمة الاسمية (4000).

إذا كانت قيمة (β) عالية، فستكون العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة جيدة جدًا. تعني القيمة الأعلى لـ (β) تباينًا أعلى في المقاومة لنفس الارتفاع في درجة الحرارة، وبالتالي فقد قمت بزيادة حساسية وبالتالي دقة الثرمستور. من المعادلة السابقة، يمكننا الحصول على درجة حرارة المقاومة بشكل فعّال. هذا ليس سوى تعبير عن حساسية الثرمستور:

α_T = (1/R_T)(dR_T/dT) = – β/T²

أعلاه يمكننا أن نرى بوضوح أنّ (α_T) لها علامة سلبية. تشير هذه العلامة السلبية إلى خصائص درجة حرارة المقاومة السلبية لمقاومة الثرمستور (NTC). إذا كانت (β = 4000 K) و(T = 298 K)، فإنّ: (α_T = –0.0045 / oK). هذا أعلى بكثير من حساسية البلاتين (RTD). سيكون هذا قادرًا على قياس التغيرات الصغيرة جدًا في درجة الحرارة.

ومع ذلك، تتوفر الآن أشكال بديلة من الثرمستورات المخدرة بشدة “بتكلفة عالية” والتي لها كفاءة مشتركة في درجة الحرارة الإيجابية. المعادلة الأولى هي تعبير أنّه من غير الممكن عمل تقريب خطي للمنحنى على مدى درجة حرارة صغيرة، وبالتالي فإنّ الثرمستورات هي بالتأكيد مستشعر غير خطي.

الثرمستور (PTC):

الثرمستور (PTC) له علاقة عكسية بين درجة الحرارة والمقاومة. عندما تزداد درجة الحرارة، تزداد المقاومة. وعندما تنخفض درجة الحرارة، تقل المقاومة. ومن ثمّ فإنّ درجة الحرارة والمقاومة في الثرمستور (PTC) تتناسب عكسياً. على الرغم من أنّ الثرمستورات (PTC) ليست شائعة مثل الثرمستورات (NTC)، إلا أنّها تستخدم بشكل متكرر كشكل من أشكال حماية الدائرة. على غرار وظيفة الصمّامات، يمكن أن تعمل الثرمستورات (PTC) كجهاز لتحديد التيار.

عندما يمر التيار عبر جهاز، فإنّه يتسبب في قدر ضئيل من مقاومة التسخين. إذا كان التيار كبيرًا بما يكفي لتوليد حرارة أكثر ممّا يمكن للجهاز أن يفقده في محيطه، فإنّ الجهاز يسخن. في الثرمستور (PTC)، سيؤدي هذا التسخين أيضًا إلى زيادة مقاومته. هذا يخلق تأثيرًا ذاتي التعزيز يدفع المقاومة لأعلى، وبالتالي يحد من التيار. بهذه الطريقة، يعمل كجهاز محدد للتيار يحمي الدائرة.