プロジェクトに 抵抗器 を指定する場合、妥当な温度範囲でその値が維持されることを期待します。メーカーは、部品の温度に応じて多少の変動があっても、抵抗器の値が表示されるように抵抗器を設計します。この温度変動は、外部温度の変化による抵抗加熱、またはコンポーネントが電流を受け入れたときに発生する可能性があります。
サーミスタの役割は何ですか?
サーミスタ、つまり「熱に敏感な抵抗器」は、この通常は望ましくない特性を利用します。周囲温度を測定したり、コンポーネントの抵抗に基づいて電流を直接制御したりします。温度による抵抗の変化を最小限に抑えるのではなく、幅広い範囲の値を示すように設計されています。
通常、サーミスタはセラミックまたはポリマーで作られ、ビーズ、ロッド、ディスクの形状になっています。これらは、直径がわずか1ミリメートルを超える抵抗感知素子から、大量の電流を処理できるはるかに大きなサイズまで、非常に小さいものになります。
サーミスタの種類: PTCとNTC
- NTCサーミスタ: 負の温度係数デバイス - 温度が上昇すると抵抗が減少します。
- PTCサーミスタ: 正の温度係数デバイス - 温度が上昇すると抵抗が上昇します。
電子工学の先駆者であるマイケル・ファラデーは、1833年に硫化銀の抵抗が温度の変化によって変化することに注目し、この効果を初めて発見しました。ちなみに、この発見は半導体特性を示す物質の初めての記録された観察でもありました。しかし、サーミスタベースのデバイスが広く生産されるようになったのは、ほぼ1世紀後の1930年にデュラセルの創設者であるサミュエル ルーベンが最初の商業的に実現可能なサーミスタを発明してからでした。
サーミスタ抵抗のモデリング
サーミスタの予想抵抗を温度に基づいて少なくとも3つの方法でモデル化できます。
- 一次近似。この解決策は単純かつ数学的に適切ですが、抵抗を得るために使用する方程式は限られた温度範囲でのみ有効です。
ΔR = kΔT
このモデルによれば、サーミスタの抵抗の変化は、温度係数 (k) に温度の変化を乗じたものに等しくなります。kは正または負の値を取ることができ、前述のように温度に応じて抵抗が上昇するか下降するか (PTCまたはNTC) を決定することに注意してください。
- スタインハート・ハート方程式。この式では、3つのパラメータa、b、cを使用して、より広い温度範囲でより正確な近似値を得ることができます。これらのパラメータは、サーミスタの非線形性を説明するのに役立ちます。
1/T = a + b ln(R) + c(ln(R))3
- Bパラメータ方程式。また、Steinhart-Hart法は、25°Cでのサーミスタの抵抗値R0 と、個々のサーミスタに指定されたBパラメータを使用して、B (または β、ベータ) パラメータ方程式に短縮することもできます。この方程式は次のように書きます。
R = r∞eB/T
ここでr∞ = R0e-B/T0
2つの温度で測定された抵抗に基づいて実験的にBを計算します。ここで、R1は温度1 (T1) での抵抗、R2は温度2 (T2) での抵抗です。ここでは温度をケルビン度で表しており、結果は無次元値であることに注意してください。たとえば、この記事の最初の画像のサーミスタの指定B値は3950です。
B = ln(R1/R2) / (1/T1 - 1/T2)
サーミスタセンサーと直接制御
この小さなサーミスタの抵抗は、加熱されると100キロオーム近くから100オーム未満まで急速に変化します。 画像提供: Jeremy S Cook。
PTCとNTCの他に、サーミスタもセンシング部品と直接制御部品として大まかに分類できます。
- センシングサーミスタ は、非常に小さなNTCデバイスになる傾向がありますが、特定の用途向けにやや大きなユニットを購入することもできます。外部機器は抵抗を読み取り、温度の読み取りに影響を与えないようにサーミスタに非常に少ない電流を流します。これらのデバイスは、自動車アプリケーション、家電製品、さらには3Dプリンターで センサー として機能し、適切な押し出しに必要な温度を調節します。これらすべてのアプリケーションでは、抵抗 (つまり温度) が制御のために外部デバイスに渡されます。
- 直接制御サーミスタ はサイズが大きい傾向があり、PTCまたはNTCのいずれかになります。PTCサーミスタはヒューズの代わりに使用できます。十分な大きさの電流がコンポーネントを通過すると、熱が発生し、抵抗が増加して電流の流れが制限されます。このタイプのサーミスタはタイマーとして使用されることがあります。サーミスタは、設定された時間が経過すると、電流の流れを「制限」できるほど十分に熱くなります。
一方、NTCサーミスタは突入電流制限デバイスとして使用することができ、最初は少量の電流がデバイスを流れます。デバイスが加熱されると、抵抗が減少し、より多くの電流が流れるようになります。
サーミスタと熱電対、抵抗温度計、バリスタの比較
温度を測定するデバイスはサーミスタだけではありません。以下も使用できます:
- 熱電対 は、互いに接続された2つの異なる導体の電気的効果を考慮します。
- 抵抗温度計。サーミスタのセラミックやポリマーの代わりに金属を使用します。
- バリスタは、ある意味でサーミスタに似ています。これらのデバイスはサーミスタと同様の機能を実行しますが、温度ではなく電圧に基づいて抵抗を変化させます。
全体的に、サーミスタは、通常は望ましくない抵抗特性を直接制御および情報収集に使用するという、巧妙でありながらシンプルな概念を表しています。センシングのニーズが何であれ、アプリケーションに適した、または故障したサーミスタを交換するための、多種多様なサーミスタを見つけることができます。