Termistör yarı iletken malzemeden yapılan ve ısı etkisi ile direnç değerinin değiştiği bir çeşit değişen bir tür dirence denir. Term (ısıl), rezistör (direnç) kelimelerinden türeyen termistör (terminstans)’ dir.
Termistörler, ısı sensörleri, kendiliğinden sıfırlamalı aşırı akım koruyucuları ve kendiliğinden ayarlamalı ısıtma elementlerinde kullanılır. Termistörler, termorezistiflerden (RTD) farklıdır. Termistörlerde polimer yada seramik malzemeler, RTD’ lerde ise saf metal kullanılır. Bunların sıcaklık tepkileri de farklıdır; RTD’ ler aşırı sıcak ortamlarda kullanılabilir, termistörler sadece sınırlı sıcaklık değerlerine erişir, bu da normalde −90 °C ile 130 °C arasındadır.
Sıcaklık ile direnç arasındaki ilişkinin birinci mertebeden yaklaşık olarak doğrusal olduğu varsayıldığında:
ΔR = kΔT olur.
Burada
ΔR = dirençteki değişim
ΔT = sıcaklıktaki değişim
k = direncin birinci mertebeden sıcaklık katsayısı
Termistörler, işaretine bağlı olarak ikiye ayrılır. Eğer pozitif sayı (+) ise, sıcaklık arttıkça dirençte artar ve bu tür aletlere pozitif ısıl katsayılı (PTC) termistör veya pozistör adı verilir. Eğer negatif sayı (-) ise, sıcaklık arttıkça direnç azalır ve bu tür aletlere negatif ısıl katsayılı (NTC) termistör adı verilir. Dirençlerin katsayısı mümkün olduğu kadar sıfıra yakın olacak biçimde imal edilir. Bundan dolayı, termistör değildir. Bu yüzden dirençleri, tüm sıcaklık değerlerinde hemen hemen sabit kalır.
Bazen k sıcaklık katsayısı yerine, αT (alfa alt T) direnç sıcaklık katsayısı terimi kullanılır. Bunun açıklaması şu şekildedir:
αT = 1 /R(T) dR /dT
Burada αT katsayısı, aşağıdaki a parametresi ile karıştırılmamalıdır.
Steinhart–Hart Denklemi
1 / T = a+b In (R) + c In3 (R)
Yukarıdaki anlatılan doğrusal yaklaşım sadece belli sıcaklık aralıklarında çalışır. Tam sıcaklık ölçümleri için, cihazın direnç/sıcaklık eğrisi ayrıntılı olarak çıkartılmalıdır. Steinhart–Hart denklemi, üçüncü mertebeden yaklaşımı;
1 / T = a+b In (R) + c In3 (R)
Burada a, b ve c, Steinhart–Hart parametreleri olarak ad verilir ve her bir alet için belirlenmelidirler.
T, kelvin biriminden sıcaklık değeri;
R, ohm olarak dirençtir.
Direnci bir sıcaklık fonksiyonu olarak ifade etmek için yukarıdaki denklem;
Steinhart–Hart denklemindeki hata, 200 °C üzerindeki ölçümlerde genel olarak 0,02 °C’den daha küçüktür. Örnek olarak, (25 °C = 298,15 K) oda sıcaklığında, 3000 Ω dirençli bir termistördeki parametrelerin değerleri;
Termistör Çeşitleri
Direnci sıcaklıkla değişen elemanlara termistör (terminstant), direnci sıcaklıkla azalan elemanlara NTC, direnci sıcaklıkla artan elemanlara PTC denir (ntc ptc). Termistörler bir elektronik devrede mutlaka kullanılmalıdır. Termistör firmaları tarafından imalatı yapılan PTC termistör, motor sargılarını aşırı ısınmadan, korumak amacı ile kullanılır. Termistör fiyatları da termistör çeşitleri ve özelliklerine göre değişir.
Termistör çeşitleri sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılır.
- Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC)
- Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC)
NTC PTC Nedir?
PTC Direnç
Çoğu PTC termistör anahtarlamalıdır. Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler; ısındığında direnç değeri büyür. Yani belirli bir kritik sıcaklıkta dirençleri aniden yükselir. Bunlar, içinde baryum titanat (BaTiO3) ve diğer bileşikler olan hamurumsu polikristal seramikten üretilir.
Bu ferroelektrik malzemelerin bağıl yalıtkanlık sabitleri sıcaklıkla değişir. Curie sıcaklığının altında yüksek bağıl yalıtkanlık sabiti, kristal tanecikleri arasındaki potansiyel bariyerlerin meydana gelmesini sağlayarak daha düşük dirence sebep olur. Cihazın bu bölgesinde, küçük negatif sıcaklık katsayısı vardır.
Curie sıcaklığında, taneciklerin etrafındaki potansiyel bariyerlerin meydana gelmesini sağlamak için bağıl yalıtkanlık sabiti aniden düşer ve direnç bariz biçimde artar. Daha yüksek sıcaklıklarda malzeme NTC gibi davranmaya başlar. W. Heywang ve G. H. Jonker tarafından 1960’larda bulunan bu davranışı modellemek için denklemler kullanılır.
Farklı kullanım alanları vardır. Bir örnekle açıklayacak olursak, röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin, gecikmeli çekmesini sağlar. Floresan lambalardaki starterin yerine PTC direnç kullanılabilir.
Diğer tür PTC termistör, polimer PTC’dir. Bunların yüzeyleri karbonlu plastikle kaplıdır. Plastik soğuduğu zaman, karbon taneciklerin hepsi birbirleriyle bağlanır ve böylece alet iletken haline geçer.
Plastiğin ısısı arttırıldığı zaman, genişler ve karbon tanecikleri birbirlerinden uzaklaşır. Böylece aletin direnci birden yükselir. BaTiO3 termistörler gibi bu cihaz da, doğrusal olmayan direnç/sıcaklık tepkisi mevcuttur ve kısmi sıcaklık ölçümü için değil de anahtarlama için kullanılır.
NTC Direnç
Çoğu NTC termistörler, bir baskılı diskten veya metal oksit pişirilmesi gibi dökme çipten imalatı yapılır. Yarı iletkenin sıcaklığı arttığında, elektrik yükünü taşıyan elektronların sayısı da artar. Bir malzemede ne kadar fazla yük olursa, elektrik akımını o denli iletir. Bu, aşağıdaki şu formülle açıklanır:
I=n . A .v . e
I = elektrik akımı (amper)
n = taşınan yük yoğunluğu (miktar/m³)
A = malzemenin kesit alanı (m²)
v = taşınan yük hızı (m/s)
e = bir elektronun yükü (e=1,602 x 10-19 coulomb)
Akım, ampermetre ile ölçülür. Sıcaklıktaki aşırı değişimlerde ayar gereklidir. Sıcaklıktaki küçük değişimlerde, eğer doğru yarı iletken kullanılmışsa, malzeme direnci sıcaklıkla doğru orantılıdır. Çok farklı yarı iletken termistörler vardır: Bunlar yaklaşık 0,01 kelvin ile 2.000 kelvin (−273,14 °C ile 1.700 °C) arasındadır.
Negatif sıcaklık sabitine sahip NTC dirençler; sıcaklıkla ters orantılı olarak direnç değeri değişen termistörlerdir. NTC dirençler, ısındığında direnç değerleri düşer.
(a) da bir NTC termistöre ait karakteristik eğrileri verilmiştir.
Yukarıda NTC termistör kareskteristik eğrileri verilmiştir. Buna göre;
- 40°C’ ye kadar ısıtılan bir ortamda termistör direncindeki değişim
- Farklı sıcaklıklardaki Akım-gerilim (I,V) bağıntısı
Kullanım Alanları
NTC termistörlerin çok farklı kullanım alanları vardır.
- NTC termistör, trafo ve motor gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilir. NTC termistör, direnci aşırı ısınmadan küçülen bir alarm ve koruma devresinin, harekete geçmesini sağlar.
- NTC direnci bir su deposunda seviye kontrol için yerleştirilir. NTC direnci su seviyesi düştüğü zaman ısınır ve pompayı çalıştırır.
- NTC direnç motora seri bağlandığında, ilk önce küçük akım çeker ve motorun güvenli yol almasını sağlar.
- Röleye seri bağlanan ntc direnç röleyi gecikmeli olarak çalıştırır.
Endüstride geniş kullanım alanları vardır. Elektrik motorları, değişik sebeplerden dolayı aşırı ısınır. Elektrik motorlarının aşırı ısınmadan etkilenmemesi için, termistör röle yapılmıştır. İç yapısı elektronik olan termistör rölesinin ön yüzünde motorun çalışma durumunu gösteren bağlantı noktaları, firma adı ve ledler vardır.
Çalışma Prensibi
Termistör rölesi çalışma prensibi; PTC motor sargısındaki sıcaklığa duyarlıdır. Eğer motor sargı sıcaklığı, kullanılan PTC’ nin sıcaklık sınırını aştığı anda röle bırakır, LED ampul söner. Böylece motorun aşırı ısınmasına engel olur. Motor sargındaki sıcaklık PTC’ nin sıcaklık sınırının altına düştüğü anda röle yeniden çeker, LED ampul yanar ve motor yeniden çalışmaya başlar.