Termistor Sensor Suhu NTC dan PTC
Termistor atau Thermistor adalah jenis khusus elemen resistif variabel yang mengubah ketahanan fisiknya ketika terkena perubahan suhu.
Thermistor adalah suhu perangkat pendeteksi atau sensor yang bertindak sedikit seperti Resistor listrik tetapi sensitif terhadap suhu. Termistor dapat digunakan untuk menghasilkan tegangan ouput analog dengan variasi suhu sekitar dan karenanya dapat disebut sebagai transduser. Ini karena ia menciptakan perubahan sifat listriknya karena perubahan fisik dalam panas.
Termistor pada dasarnya adalah transduser sensitif panas dua terminal dengan kondisi terminal yang terbuat dari oksida logam semikonduktor yang peka dengan timbal yang terhubung dengan logam atau disinter ke cakram atau manik keramik.
Ini memungkinkannya untuk mengubah nilai resistifnya sebanding dengan perubahan kecil dalam suhu. Dengan kata lain, ketika suhu berubah, demikian juga ketahanannya dan dengan demikian namanya, Thermistor adalah kombinasi dari kata THERM-ally sensitive res-ISTOR.
Sementara perubahan resistansi akibat panas pada umumnya tidak diinginkan pada resistor standar, efek ini dapat dimanfaatkan dengan baik di banyak rangkaian pendeteksi suhu. Dengan demikian menjadi perangkat resistansi variabel non-linear, termistor biasanya digunakan sebagai sensor suhu yang memiliki banyak aplikasi untuk mengukur suhu cairan dan udara sekitar.
Selain itu, sebagai perangkat solid state yang terbuat dari oksida logam yang sangat sensitif, mereka beroperasi pada tingkat molekuler dengan elektron terluar (valensi) menjadi lebih aktif dan menghasilkan koefisien suhu negatif, atau kurang aktif menghasilkan koefisien suhu positif sebagai suhu termistor meningkat.
Ini berarti bahwa mereka dapat memiliki ketahanan yang sangat baik yang dapat direproduksi dibandingkan karakteristik suhu yang memungkinkan mereka beroperasi hingga suhu sekitar 200°C.
Sementara yang terutama digunakan dari thermistor adalah sebagai sensor suhu resistif, menjadi perangkat resistif milik keluarga resistor, mereka juga dapat digunakan secara seri dengan komponen atau perangkat untuk mengontrol arus yang mengalir melalui mereka. Dengan kata lain, mereka juga dapat digunakan sebagai perangkat yang membatasi arus.
Termistor tersedia dalam berbagai jenis, bahan, dan ukuran tergantung pada waktu respons dan suhu pengoperasian. Juga, termistor tertutup rapat menghilangkan kesalahan dalam pembacaan resistansi karena penetrasi kelembaban sambil menawarkan suhu operasi tinggi dan ukuran yang kompak. Tiga jenis yang paling umum adalah: Bead thermistors, Disk thermistors, dan Glass encapsulated thermistors.
Resistor yang bergantung pada panas ini dapat beroperasi dalam satu dari dua cara, baik meningkatkan atau menurunkan nilai resistifnya dengan perubahan suhu. Lalu ada dua jenis termistor yang tersedia: koefisien suhu negatif (NTC) resistansi dan koefisien suhu positif (PTC) dari resistansi.
Termistor suhu NTC memiliki hubungan hambatan listrik negatif versus suhu (R/T). Respon negatif yang relatif besar dari termistor NTC berarti bahwa perubahan kecil dalam suhu dapat menyebabkan perubahan signifikan pada hambatan listriknya. Ini membuatnya ideal untuk pengukuran dan kontrol suhu yang akurat.
Kami mengatakan sebelumnya bahwa thermistor adalah komponen elektronik yang resistannya sangat tergantung pada suhu, jadi jika kami mengirim arus konstan melalui termistor dan kemudian mengukur penurunan tegangan, kami dapat menentukan resistansi dan suhu.
Termistor NTC mengurangi resistansi dengan peningkatan suhu dan tersedia dalam berbagai resistansi dasar dan kurva. Mereka biasanya dicirikan oleh ketahanan dasar mereka pada suhu kamar, yaitu 25°C, (77°F) karena ini memberikan titik referensi yang nyaman. Jadi misalnya, 2k2Ω pada 25°C, 10kΩ pada 25°C atau 47kΩ pada 25°C, dll
Karakteristik penting lainnya adalah nilai "B". Nilai B adalah konstanta material yang ditentukan oleh material keramik dari mana ia dibuat dan menggambarkan gradien kurva resistif (R/T) pada rentang suhu tertentu antara dua titik suhu. Setiap bahan termistor akan memiliki konstanta material yang berbeda dan oleh karena itu ketahanan yang berbeda terhadap kurva suhu.
Kemudian nilai B akan menentukan nilai resistif termistor pada suhu pertama atau titik dasar, (yang biasanya 25°C), yang disebut T1, dan nilai resistif termistor pada titik suhu kedua, misalnya 100°C, disebut T2. Oleh karena itu nilai B akan menentukan konstanta material termistor antara kisaran T1 dan T2. Itu adalah B T1/T2 atau B 25/100 dengan nilai termistor B khas NTC yang diberikan antara 3000 dan sekitar 5000.
Namun perhatikan, bahwa kedua titik suhu T1 dan T2 dihitung dalam satuan suhu Kelvin di mana 0°C = 273,15 Kelvin. Jadi nilai 25°C sama dengan 25° + 273.15 = 298.15K, dan 100°C sama dengan 100° + 273.15 = 373.15K, dll.
Jadi dengan mengetahui nilai B dari termistor tertentu (diperoleh dari lembar data pabrikan), dimungkinkan untuk menghasilkan tabel suhu versus resistansi untuk membuat grafik yang sesuai menggunakan persamaan normal berikut:
Dimana:
T1 adalah titik suhu pertama di Kelvin
T2 adalah titik suhu kedua di Kelvin
R1 adalah resistansi termistor pada suhu T1 dalam Ohm
R2 adalah resistansi termistor pada suhu T2 dalam Ohm
Data yang diberikan: B = 3455, R1 = 10kΩ pada 25°. Untuk mengubah skala suhu dari derajat Celcius, °C ke derajat Kelvin menambahkan konstanta matematika 273.15
Nilai R1 sudah diberikan sebagai basis resistansi 10kΩ, sehingga nilai R2 pada 100°C dihitung sebagai:
Menghasilkan dua grafik karakteristik titik berikut:
Perhatikan bahwa dalam contoh sederhana ini, hanya dua titik yang ditemukan, tetapi umumnya termistor mengubah resistansi mereka secara eksponensial dengan perubahan suhu sehingga kurva karakteristiknya adalah nonlinier, oleh karena itu semakin banyak titik suhu yang dihitung, semakin akurat kurva tersebut.
dan titik-titik ini dapat diplot seperti ditunjukkan untuk memberikan kurva karakteristik yang lebih akurat untuk 10kΩ NTC Termistor yang memiliki nilai-B 3455.
Kita dapat menggunakan termistor NTC sebagai bagian dari konfigurasi sensor suhu dasar menggunakan rangkaian jembatan seperti yang ditunjukkan. Hubungan antara resistor R1 dan R2 menetapkan tegangan referensi, VREF dengan nilai yang diperlukan.
Thermistor adalah suhu perangkat pendeteksi atau sensor yang bertindak sedikit seperti Resistor listrik tetapi sensitif terhadap suhu. Termistor dapat digunakan untuk menghasilkan tegangan ouput analog dengan variasi suhu sekitar dan karenanya dapat disebut sebagai transduser. Ini karena ia menciptakan perubahan sifat listriknya karena perubahan fisik dalam panas.
Termistor pada dasarnya adalah transduser sensitif panas dua terminal dengan kondisi terminal yang terbuat dari oksida logam semikonduktor yang peka dengan timbal yang terhubung dengan logam atau disinter ke cakram atau manik keramik.
Ini memungkinkannya untuk mengubah nilai resistifnya sebanding dengan perubahan kecil dalam suhu. Dengan kata lain, ketika suhu berubah, demikian juga ketahanannya dan dengan demikian namanya, Thermistor adalah kombinasi dari kata THERM-ally sensitive res-ISTOR.
Sementara perubahan resistansi akibat panas pada umumnya tidak diinginkan pada resistor standar, efek ini dapat dimanfaatkan dengan baik di banyak rangkaian pendeteksi suhu. Dengan demikian menjadi perangkat resistansi variabel non-linear, termistor biasanya digunakan sebagai sensor suhu yang memiliki banyak aplikasi untuk mengukur suhu cairan dan udara sekitar.
Selain itu, sebagai perangkat solid state yang terbuat dari oksida logam yang sangat sensitif, mereka beroperasi pada tingkat molekuler dengan elektron terluar (valensi) menjadi lebih aktif dan menghasilkan koefisien suhu negatif, atau kurang aktif menghasilkan koefisien suhu positif sebagai suhu termistor meningkat.
Ini berarti bahwa mereka dapat memiliki ketahanan yang sangat baik yang dapat direproduksi dibandingkan karakteristik suhu yang memungkinkan mereka beroperasi hingga suhu sekitar 200°C.
Termistor tersedia dalam berbagai jenis, bahan, dan ukuran tergantung pada waktu respons dan suhu pengoperasian. Juga, termistor tertutup rapat menghilangkan kesalahan dalam pembacaan resistansi karena penetrasi kelembaban sambil menawarkan suhu operasi tinggi dan ukuran yang kompak. Tiga jenis yang paling umum adalah: Bead thermistors, Disk thermistors, dan Glass encapsulated thermistors.
Resistor yang bergantung pada panas ini dapat beroperasi dalam satu dari dua cara, baik meningkatkan atau menurunkan nilai resistifnya dengan perubahan suhu. Lalu ada dua jenis termistor yang tersedia: koefisien suhu negatif (NTC) resistansi dan koefisien suhu positif (PTC) dari resistansi.
Termistor Koefisien Suhu Negatif (NTC)
Koefisien suhu negatif dari resistansi termistor, atau termistor NTC, mengurangi atau memperkecil nilai resistifnya ketika suhu operasi di sekitar mereka meningkat. Umumnya, termistor NTC adalah jenis sensor suhu yang paling umum digunakan karena dapat digunakan di hampir semua jenis peralatan di mana suhu berperan.Termistor suhu NTC memiliki hubungan hambatan listrik negatif versus suhu (R/T). Respon negatif yang relatif besar dari termistor NTC berarti bahwa perubahan kecil dalam suhu dapat menyebabkan perubahan signifikan pada hambatan listriknya. Ini membuatnya ideal untuk pengukuran dan kontrol suhu yang akurat.
Kami mengatakan sebelumnya bahwa thermistor adalah komponen elektronik yang resistannya sangat tergantung pada suhu, jadi jika kami mengirim arus konstan melalui termistor dan kemudian mengukur penurunan tegangan, kami dapat menentukan resistansi dan suhu.
Termistor NTC mengurangi resistansi dengan peningkatan suhu dan tersedia dalam berbagai resistansi dasar dan kurva. Mereka biasanya dicirikan oleh ketahanan dasar mereka pada suhu kamar, yaitu 25°C, (77°F) karena ini memberikan titik referensi yang nyaman. Jadi misalnya, 2k2Ω pada 25°C, 10kΩ pada 25°C atau 47kΩ pada 25°C, dll
Karakteristik penting lainnya adalah nilai "B". Nilai B adalah konstanta material yang ditentukan oleh material keramik dari mana ia dibuat dan menggambarkan gradien kurva resistif (R/T) pada rentang suhu tertentu antara dua titik suhu. Setiap bahan termistor akan memiliki konstanta material yang berbeda dan oleh karena itu ketahanan yang berbeda terhadap kurva suhu.
Kemudian nilai B akan menentukan nilai resistif termistor pada suhu pertama atau titik dasar, (yang biasanya 25°C), yang disebut T1, dan nilai resistif termistor pada titik suhu kedua, misalnya 100°C, disebut T2. Oleh karena itu nilai B akan menentukan konstanta material termistor antara kisaran T1 dan T2. Itu adalah B T1/T2 atau B 25/100 dengan nilai termistor B khas NTC yang diberikan antara 3000 dan sekitar 5000.
Namun perhatikan, bahwa kedua titik suhu T1 dan T2 dihitung dalam satuan suhu Kelvin di mana 0°C = 273,15 Kelvin. Jadi nilai 25°C sama dengan 25° + 273.15 = 298.15K, dan 100°C sama dengan 100° + 273.15 = 373.15K, dll.
Jadi dengan mengetahui nilai B dari termistor tertentu (diperoleh dari lembar data pabrikan), dimungkinkan untuk menghasilkan tabel suhu versus resistansi untuk membuat grafik yang sesuai menggunakan persamaan normal berikut:
Persamaan Termistor
Dimana:
T1 adalah titik suhu pertama di Kelvin
T2 adalah titik suhu kedua di Kelvin
R1 adalah resistansi termistor pada suhu T1 dalam Ohm
R2 adalah resistansi termistor pada suhu T2 dalam Ohm
Contoh: Termistor Sensor Suhu NTC dan PTC No.1
Termistor NTC 10kΩ memiliki nilai B 3455 antara kisaran suhu 25 hingga 100°C. Hitung nilai resistifnya pada 25°C dan 100°C.Data yang diberikan: B = 3455, R1 = 10kΩ pada 25°. Untuk mengubah skala suhu dari derajat Celcius, °C ke derajat Kelvin menambahkan konstanta matematika 273.15
Nilai R1 sudah diberikan sebagai basis resistansi 10kΩ, sehingga nilai R2 pada 100°C dihitung sebagai:
Menghasilkan dua grafik karakteristik titik berikut:
Perhatikan bahwa dalam contoh sederhana ini, hanya dua titik yang ditemukan, tetapi umumnya termistor mengubah resistansi mereka secara eksponensial dengan perubahan suhu sehingga kurva karakteristiknya adalah nonlinier, oleh karena itu semakin banyak titik suhu yang dihitung, semakin akurat kurva tersebut.
dan titik-titik ini dapat diplot seperti ditunjukkan untuk memberikan kurva karakteristik yang lebih akurat untuk 10kΩ NTC Termistor yang memiliki nilai-B 3455.
Kurva Karakteristik Termistor NTC
Perhatikan bahwa ia memiliki koefisien suhu negatif (NTC), yaitu ketahanannya menurun dengan meningkatnya suhu.
Menggunakan Termistor untuk Mengukur Temperatur Suhu
Jadi bagaimana kita bisa menggunakan termistor untuk mengukur suhu. Mudah-mudahan sekarang kita tahu bahwa thermistor adalah perangkat resistif dan oleh karena itu menurut hukum Ohm, jika kita melewati arus melalui itu, penurunan tegangan akan dihasilkan di atasnya.
Karena thermistor adalah jenis sensor aktif, yaitu, ia memerlukan sinyal eksitasi untuk operasinya, setiap perubahan dalam resistansi sebagai akibat dari perubahan suhu dapat diubah menjadi perubahan tegangan.
Cara paling sederhana untuk melakukan ini adalah dengan menggunakan termistor sebagai bagian dari rangkaian Beda Potensial atau Pembagi Tegangan seperti yang ditunjukkan. Tegangan konstan diterapkan pada rangkaian rangkaian resistor dan termistor dengan tegangan output yang diukur pada termistor.
Jika misalnya kita menggunakan termistor 10kΩ dengan resistor seri 10kΩ, maka tegangan output pada suhu dasar 25°C akan menjadi setengah dari tegangan supply.
Ketika resistansi termistor berubah karena perubahan suhu, fraksi tegangan supply melintasi termistor juga berubah menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan fraksi resistansi seri total antara terminal output.
Dengan demikian rangkaian pembagi potensial adalah contoh dari resistansi sederhana terhadap konverter tegangan di mana resistansi termistor dikendalikan oleh suhu dengan tegangan output yang dihasilkan sebanding dengan suhu. Jadi semakin panas termistor, semakin rendah tegangannya.
Jika kita membalikkan posisi resistor seri, RS dan termistor, RTH, maka tegangan output akan berubah ke arah yang berlawanan, yaitu semakin panas termistor, semakin tinggi tegangan output.
Sebagai contoh, jika kedua R1 dan R2 adalah dari nilai resistif yang sama, tegangan referensi akan sama dengan setengah dari tegangan supply. Itu adalah Vs/2.
Karena suhu dan oleh karena itu resistansi termistor berubah, tegangan pada VTH juga berubah lebih tinggi atau lebih rendah daripada pada VREF yang menghasilkan sinyal output positif atau negatif ke amplifier yang terhubung.
Rangkaian penguat yang digunakan untuk rangkaian jembatan sensor suhu dasar ini dapat bertindak sebagai penguat diferensial untuk sensitivitas dan amplifikasi tinggi, atau rangkaian pemicu Schmitt sederhana untuk sakelar ON-OFF.
Masalah dengan melewatkan arus melalui termistor dengan cara ini, adalah bahwa termistor mengalami apa yang disebut efek pemanasan sendiri, yaitu disipasi daya I2.R bisa cukup tinggi untuk menghasilkan lebih banyak panas daripada yang dapat dihamburkan oleh termistor yang mempengaruhi nilai resistifnya menghasilkan hasil yang salah.
Jadi mungkin bahwa jika arus melalui termistor terlalu tinggi akan menghasilkan peningkatan disipasi daya dan ketika suhu meningkat, resistansi berkurang menyebabkan lebih banyak arus mengalir, yang meningkatkan suhu lebih lanjut menghasilkan apa yang dikenal sebagai Thermal Runaway. Dengan kata lain, kami ingin termistor menjadi panas karena suhu eksternal diukur dan tidak dengan sendirinya memanas.
Kemudian nilai untuk resistor seri, RS di atas harus dipilih untuk memberikan respon yang cukup lebar selama rentang suhu untuk thermistor adalah mungkin untuk digunakan sementara pada saat yang sama membatasi arus ke nilai yang aman pada suhu tertinggi.
Salah satu cara untuk meningkatkan ini dan memiliki konversi resistansi yang lebih akurat terhadap suhu (R/T) adalah dengan menggerakkan termistor dengan sumber arus konstan. Perubahan resistansi dapat diukur dengan menggunakan arus searah yang kecil dan terukur, atau DC, melewati termistor untuk mengukur penurunan tegangan yang dihasilkan.
Termistor Digunakan Untuk Pembatas Arus Masuk
Kita telah melihat bahwa termistor terutama digunakan sebagai transduser sensitif suhu resistif, tetapi resistansi termistor dapat diubah baik oleh perubahan suhu eksternal atau oleh perubahan suhu yang disebabkan oleh arus listrik yang mengalir melalui mereka, karena bagaimanapun, mereka adalah perangkat resistif.
Hukum Ohm memberi tahu kita bahwa ketika arus listrik melewati resistansi R, sebagai akibat dari tegangan yang diberikan, daya dikonsumsi dalam bentuk panas karena efek pemanasan I2R. Karena efek pemanasan sendiri dari arus dalam termistor, termistor dapat mengubah resistansi dengan perubahan arus.
Peralatan listrik induktif seperti Motor, Transformator, lampu ballast, dll, mengalami arus lonjakan yang berlebihan saat pertama kali dinyalakan. Tetapi termistor yang terhubung seri dapat digunakan untuk secara efektif membatasi arus awal yang tinggi ini hingga nilai aman. Termistor NTC dengan nilai dingin yang rendah (pada 25°C) umumnya digunakan untuk pengaturan arus.
Thermistor Pembatas/Penekan Arus Masuk
Penekan arus lonjakan dan pembatas lonjakan adalah jenis termistor terhubung seri yang resistansi turun ke nilai yang sangat rendah karena dipanaskan oleh arus beban yang melewatinya. Pada penyalaan awal, nilai resistansi dingin termistor (resistansi dasarnya) cukup tinggi mengendalikan arus lonjakan awal ke beban.
Sebagai akibat dari arus beban, termistor memanas dan mengurangi resistansi relatif lambat ke titik jika daya yang dihabiskan melaluinya cukup untuk mempertahankan nilai resistansi rendah dengan sebagian besar tegangan yang diterapkan dikembangkan di seluruh beban.
Karena inersia panas dari massanya, efek pemanasan ini membutuhkan beberapa detik saat arus beban meningkat secara bertahap dan bukan secara instan, sehingga setiap arus lonjakan tinggi dibatasi dan daya yang dihasilkannya berkurang.
Karena aksi panas ini, termistor penekan arus masuk dapat berjalan sangat panas dalam keadaan resistansi rendah sehingga memerlukan periode pendinginan atau pemulihan setelah daya dilepas untuk memungkinkan resistansi termistor NTC meningkat secukupnya untuk menyediakan arus masuk yang dibutuhkan pembatas pada saat dibutuhkan.
Dengan demikian kecepatan respons termistor pembatas arus diberikan oleh konstanta waktunya. Artinya, waktu yang dibutuhkan untuk ketahanannya untuk berubah sebesar 63% (yaitu 1 ke 1/ε) dari total perubahan.
Sebagai contoh, anggap suhu lingkungan berubah dari 0 hingga 100°C, maka konstanta waktu 63% akan menjadi waktu yang dibutuhkan untuk termistor untuk memiliki nilai resistif pada 63°C.
Sebagai contoh, anggap suhu lingkungan berubah dari 0 hingga 100°C, maka konstanta waktu 63% akan menjadi waktu yang dibutuhkan untuk termistor untuk memiliki nilai resistif pada 63°C.
Dengan demikian termistor NTC memberikan perlindungan dari arus lonjakan tinggi yang tidak diinginkan, sementara resistansi mereka tetap sangat rendah selama operasi kontinyu supply daya ke beban. Keuntungannya di sini adalah bahwa mereka dapat secara efektif menangani arus lonjakan yang jauh lebih tinggi daripada resistor pembatas arus tetap standar dengan konsumsi daya yang sama.
Ringkasan Termistor Sensor Suhu NTC dan PTC
Kita telah melihat di sini dalam tutorial ini tentang termistor, bahwa thermistor adalah transduser resistif dua terminal yang mengubah nilai resistifnya dengan perubahan suhu sekitar, maka dinamai thermal-resistor, atau sekadar "termistor".
Thermistor adalah sensor suhu murah, mudah didapat yang dibuat menggunakan oksida logam semikonduktor, dan tersedia dengan koefisien suhu negatif, (NTC) resistansi atau koefisien suhu positif (PTC) resistansi. Perbedaannya adalah bahwa termistor NTC mengurangi resistansi ketika suhu meningkat, sedangkan termistor PTC meningkatkan resistansi saat suhu meningkat.
Termistor NTC adalah yang paling umum digunakan (terutama 10KΩ NTC termistor) dan bersama dengan penambahab resistor seri, RS dapat digunakan sebagai bagian dari potensi rangkaian pembagi sederhana sehingga perubahan resistansi karena perubahan suhu, menghasilkan tegangan output suhu-terkait.
Namun, arus pengoperasian termistor harus dijaga serendah mungkin untuk mengurangi efek pemanasan sendiri. Jika mereka melewati arus operasi yang terlalu tinggi, mereka dapat menghasilkan lebih banyak panas daripada yang dapat dengan cepat dihilangkan dari termistor yang dapat menyebabkan hasil yang salah.
Termistor dikarakteristikan oleh resistansi dasar dan nilai B mereka. Resistansi dasar, misalnya, 10kΩ, adalah resistansi dari termistor pada suhu tertentu, biasanya 25°C dan didefinisikan sebagai: R25. Nilai B adalah konstanta bahan tetap yang menggambarkan bentuk kemiringan kurva resistif terhadap suhu (R/T).
Kita juga telah melihat bahwa termistor dapat digunakan untuk mengukur suhu eksternal atau dapat digunakan mengendalikan arus sebagai akibat dari efek pemanasan I2R yang disebabkan oleh arus yang mengalir melaluinya. Dengan menghubungkan termistor NTC secara seri dengan beban, dimungkinkan untuk secara efektif membatasi arus lonjakan tinggi.