Termistör Nedir? Termistörler Hakkında Bilgi

Bir çok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılabilir. Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık) ve rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden üretilirler. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı olan maddeler kullanılır.

Sıcaklık ile direnç arasındaki ilişkinin birinci mertebeden yaklaşık olarak doğrusal olduğu varsayılırsa:

 olur.

Burada

 = dirençteki değişim

 = sıcaklıktaki değişim

 = direncin birinci mertebeden sıcaklık katsayısı

Termistörler,  işaretine bağlı olarak ikiye ayrılır. Eğer  pozitif sayı ise, sıcaklık arttıkça direnç te artar ve bu tür cihazlara pozitif ısıl katsayılı (PTC) termistör veyapozistör denir. Eğer  negatif sayı ise, sıcaklık arttıkça direnç azalır ve bu tür cihazlara negatif ısıl katsayılı (NTC) termistör denir. Dirençlerin  katsayısı mümkün olduğunca sıfıra yakın olacak şekilde imal edildiklerinden dolayı, termistör değildir. Bu yüzden dirençleri, tüm sıcaklık değerlerinde hemen hemen sabit kalır.

k sıcaklık katsayısı yerine bazen,  (alfa alt T) direnç sıcaklık katsayısı terimi kullanılır. Bunun ifadesi şöyledir:

Burada  katsayısı, aşağıdaki  parametresi ile karıştırılmamalıdır.

Steinhart–Hart denklemi

Pratikte, yukarıdaki doğrusal yaklaşım yalnızca belirli sıcaklık aralıklarında çalışır. Tam sıcaklık ölçümleri için, cihazın direnç/sıcaklık eğrisi ayrıntılı olarak çıkartılmalıdır.Steinhart–Hart denklemi, üçüncü mertebeden yaklaşımı şöyle ifade eder:

Burada a, b ve c, Steinhart–Hart parametreleri olarak adlandırılır ve her bir cihaz için belirlenmelidirler. T, kelvin biriminden sıcaklık değeri; R, ohm olarak dirençtir. Direnci bir sıcaklık fonksiyonu olarak ifade etmek için yukarıdaki denklem şöyle düzenlenebilir:

Burada

 ve 

Steinhart–Hart denklemindeki hata, 200 °C üzerindeki ölçümlerde genellikle 0,02 °C'den daha küçüktür. Örneğin, (25 °C = 298,15 K) oda sıcaklığında, 3000 Ω dirençli bir termistördeki parametrelerin değerleri şöyledir:

Termistörler ikiye ayrılır:

PTC (sıcaklıkla direnci artan termistörler - Positive Temperature Coefficient)

PTC’nin çalışma prensibi; Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci de artan elektronik devre elemanıdır.

PTC’lerin kullanım alanları; 

• PTC’ler – 60 °C ile +150 °C arasındaki sıcaklıklarda kararlı bir şekilde çalışabilirler.
• 0.1 °C’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır.
• Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılırlar.
• Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde, tüm devrelerde kullanılabilir.

PTC’nin sağlamlık testi; PTC’yi uçlarından ohmmetreye bağladığımızda (termistör bir direnç olduğu için yönüne bakmaya gerek yoktur) ilk olarak oda sıcaklığında PTC’nin üzerinde yazılı olan değeri okumamız gereklidir. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığınızda (bu ısıstma işlemini yaparken ateş direk elemanın üzerine tutulmamalıdır, aksi takdirde eleman zarar görebilir.) direnci yükselir ise PTC sağlamdır. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyor ise PTC arızalı demektir.

NTC (Sıcaklıkla direnci azalan termistör - Negative Temperature Coefficient)

NTC’nin çalışma prensibi; Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır. PTC’lerin tam tersidirler.

NTC’lerin kullanım alanları; 

• NTC’ler – 300 C° ile +50 C° arasındaki sıcaklıklarda kararlı bir şekilde çalışabilirler.
• 0.1 C°’ye kadar duyarlılıkta olanları vardır.
• Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerinde, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar.
• PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır.

NTC’nin sağlamlık testi; NTC’yi uçlarından ohmmetreye bağladığınızda ilk olarak oda sıcaklığında NTC’nin üzerinde yazılı değeri okumamız gerekiyor. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığımızda direnci azalıyor ise NTC sağlam demektir. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyorsa NTC arızalıdır.

Termokupl (Isıl-çift)

Termokuplların çalışma prensibi; Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık gösterebilir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Biz de iletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapabiliriz.

İki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, eğer birleştirdiğimiz ucu ısıtırsak, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mV’lar mertebesinde bir DA gerilim elde ederiz. Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır.

Termokupllar evresel etkenlerden zarar görmemesi için genelde birleşim noktası bir kılıf içinde bulundurulur. Ayrıca termokupullar gerilim ürettikleri için aktif transdüserlerdir. PTC ve NTC ise pasif transdüserlerdir. Çıkış gerilimleri çok düşük olduğundan, daha çok çıkışına bir gerilim yükseltici bağlanarak kullanılır. Termokuplun yapımında genellikle bakır, demir, konstantan, platin, mangan, nikel gibi metaller kullanılır.

Termokuplların kullanım alanları; Termokupllar -200 °C ile +2300 °C arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır.

Termokuplların sağlamlık testi; Avometre milivolt (örneğin;200mV.) kademesine alınır. Termokuplun uçlarına avometrenin prop uçları sabitlenir. Termokuplun ucu havya yada çakmakla ısıtılır.

Avometrenin ekranında gerilim değişimi olup olmadığı gözlenir. Gerilim değişimi varsa termokupl sağlamdır.

Bir thermocouple iki farklı metalin birleştirilmesiyle oluşturulur. Doğru alaşım seçimi ile ölçülebilir ve kestirilebilir bir sıcaklık-gerilim ilişkisi elde edilir. Thermocouplelarla ilgili en sık yanlış anlaşılan konulardan biri de gerlimin tam olarak nerede oluştuğudur. Çoğu kimse bu gerilimin iki metalin birleşim noktasında var olduğunu düşünür; ancak gerçekte çıkış gerilimi bimetal üzerinde uzunlamasına (sıcaklık değişimi yönünde) oluşur. Thermocouple ların ürettiği gerilim seçilen metallerin cihaz bağlantı noktasında var olan termoelektrik enerjilerinin farkıdır. Bu kestirilebilir gerilim gerçek işlem (Proses) sıcaklığıyla ilişkilendirilebilir.
Bu algılayıcıların geniş bir çalışma aralığı vardır ve yüksek sıcaklık uygulamaları için idealdirler. Soy metal alaşımlarından yapılmış olan thermocoplelar 1700 C a kadar olan sıcaklıkları izleme ve kontrol için kullanılabilirler. T/C lar özellikle minyatür algılayıcı tasarımları için de idealdir. Basit yapıları olumsuz ortam koşullarına (aşırı şok, vibrasyon gibi) dayanıklı olmalarını sağlar. Thermocouplelar sıcaklık değişimlerine ani değişiklik göstermek üzere küçük boyutlarda düzenlenebilirler.
T/Clar pekçok şekil ve boyutta olabilirler. Yalıtimlı en çok kullanılan tiptir
Bu tip bir T/C de tel haline getirilmiş metal alaşımlar yalıtım malzemesiyle kaplanır; bu malzeme thermocouple alaşımları arasında hem fiziksel hem de elektriksel yalıtım sağlar. Yalıtım malzemeleri 1260 Ca kadar olan sıcaklıklarda işlevlerini sürdürebilirler. Termocouplelar kısa dönemli ölçümler için ekonomiktir

Rezistans Termometreler (RTD)

Rezistans termometreler, termokupllara göre daha düşük sıcaklıklarda kullanılan (-200, +850) sıcaklık ölçüm elemanlarıdır. Termokupllara göre daha kararlıdırlar, daha hassas ölçüm yapılabilir. Sıcaklığa karşı kararlılığı nedeni ile platin ile imal edilirler. PT25, PT100, PT1000 gibi çeşitleri bulumaktadır.

Bunlar hassas sıcaklık algılayıcılardır. Hassaslık, uzun süreli elektriksel direnç kararlılığı, eleman doğrusallığı ve tekrarlanabilirliği gibi özellikler isteyen uygulamalarda kullanılırlar. Çok geniş bir sıcakılık aralığında ölçüm alabilirler (Bazı platin algılayıcılar -164 C ; +650 C arasında çalışabilir)
RTD lerde bulunan algılama elemanı genellikle bir platin tel sargısı veya seramiğe uygulanmış ince bir metalik tabakadır.
Bu gün 0.0025 C kararlılığa sahip hassas termometre üretilebilmektedir. Endüstriyel modeller yılda ( 0.1 C) civarında kayma gösterebilirler. Platin ve bakır elemanlara sahip RTDler T/Clara ve pekçok termistöre göre daha doğrusal bir davranış gösterirler. T/Cdan farklı olarak bir RTD cihaz bağlantıları için bakır kullanır ve dolayısıyla cold junction compensation gerektirmez. Bu da sistem maliyetinin düşmesini sağlar. RTD nin dezavantajları ise, daha yavaş tepki, şok ve vibrasyona duyarlılık, sıcaklık değişimlerinde küçük direnç değişimi (düşük duyarlılık), ve düşük taban direncidir. Bu sorunu üstesinden gelebilmek için 3 veya 4-kablolu devreler kullanılır. Bu yöntem sıcaklığa bağlı direnç değişimlerini ölçmede bir çeşit köprü devresi etkisi yaratır. Tel uzunluğuna bağlı hatalar da en aza indirilir; çünkü direnç değişimi RTD algılama noktasında oluşur. Ölçümün hassaslığı öncelikle kontrol veya ölçüm cihazındaki sinyal koşullama devresine bağlıdır. Nokta ölçümler genel olarak rağbet görse de hatalara sebep olmaktadır. RTDler geniş bir alana yayılarak pekçok noktadan ölçüm alabilirler ve bunların ortalamasını vererek dah az hatalı sonuçlar eldesini sağlarlar. T/Clarla bunun uygulanması pek mümkün değildir. RTD üzerindeki gerilim düşüşü T/C çıktısından çok daha kuvvetli bir işaret üretir.

Entegre Devre Sıcaklık Sensörleri

Yarı iletken entegre devrelerin gelişmesi ile tümdevre sıcaklık sensörleri ortaya çıkmıştır. Germanyum ve silisyum içerisine karıştırılan kristaller ile üretilen sıcaklık sensörleri kullanılmaktadır. Germayum kristal malzemelerin dirençleri sıcaklık ile ters orantılıdır. Silisyum kristal malzemelerin dirençleri ise sıcaklıkla doğru orantılıdır. Germanyum silisyum malzemelerin sıcaklık sensörü olarak çalışma mantığı; normal germanyum silisyum PN birleşmeli diyotlarda oluşan nötr bölgenin sıcaklık arttırılarak aşılması sonucu bu bölgeden akım geçmesinin sağlanmasıdır. Sıcaklık arttıkça bu bölgeden geçen akım da artar.

Bu ilkeye göre çalışan yarı iletken sıcaklık sensörleri ( LMXXX ) ; sıcaklığa bağlı gerilim üreten ve sıcaklığa bağlı akım üretenler olmak üzere iki tiptir. Sıcaklığa bağlı gerilim üreten sensörler LM135 - LM235 - LM335  ( Kelvin ), LM35 – LM45 ( Celcius ), LM34 ( Fahrenheit ) gibi sensörlerdir. Bu sensörler kırılma gerilimi sıcaklıkla orantılı olan bir zener diyot gibi çalışan monolitik sıcaklık sensörleridir. Sıcaklığa bağlı akım üreten sensörler ise LM134 , LM234, LM334 sensörleridir. Bu sensörlerin akım çıkışları sıcaklık ile orantılıdır. Bu sensörlerin hassaslıkları bir dış direnç kullanımı ile ayarlanabilir. Hassasiyetleri 1 µA / °C ile 3 µA / °C arasında değişir.