🌱 Sensor - Nhiệt điện trở Thermistor
Nhiệt điện trở hay điện trở nhiệt (Thermistor) là loại điện trở có trở kháng của nó thay đổi một cách rõ rệt dưới tác dụng nhiệt, hơn hẳn so với các loại điện trở thông thường. Từ thermistor được kết hợp bởi từ thermal (nhiệt) và resistor (điện trở).
Nhiệt điện trở được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử: làm cảm biến nhiệt, hạn chế các dòng xung kích, ...
👉 Nguyên lý hoạt động của Thermistor
Các điện trở thông thường ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn, do đặc tính vật lý của vật liệu làm ra chúng: thường là cacbon, vật liệu gốm, nikrom, tantalum nitride, ...
Trong khi đó nhiệt điện trở thường được tại thành từ hỗn hợp các oxit kim loại như crom, cobalt, sắt, mangan, niken, được ép thành hạt, đĩa hoặc hình trụ và sau đó được bao bọc bằng vật liệu không thấm như epoxy hoặc thủy tinh. Đặc tính vật lý của các vật liệu này là thay đổi độ dẫn (điện trở) khi nhiệt độ tiếp xúc thay đổi.
➤ Một số đặc điểm của Thermistor
- Rải giá trị đo : Thermistor có rải đo nhiệt độ khá nhỏ, thường nằm trong rải chênh lệch 50 độ C so với nhiệt độ đặt trung tâm (-100°C đến 300°C).
- Độ ổn định và độ nhạy cao, giá thành rẻ so với các cảm biến nhiệt độ khác.
- Độ bền cao, kích thước nhỏ gọn thích hợp đo nhiệt độ tại một điểm.
- Nhược điểm : Không tuyến tính nên khó xử lý chính xác bằng vi điều khiển. Rải nhiệt độ khá hẹp, thời gian phản ứng chậm.
Thermistor chia làm 2 loại chính là NTC và PTC.
🔻 PTC - Positive Temperature Coefficient : Hệ số nhiệt độ dương
Với PTC khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng, nhiệt độ giảm thì điện trở giảm.
 |
- PTC sử dụng Silicon làm vật liệu bán dẫn, với đặc tính tuyến tính.
- PTC sử dụng cơ chế chuyển mạch (switching), tức nếu nhiệt độ vượt qua một ngưỡng nào đó thì PTC sẽ ngắt mạch, loại này khá giống như cầu chì.
🔻 NTC - Negative Temperature Coefficient : Hệ số nhiệt độ âm
Với NTC khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, nhiệt độ giảm thì điện trở tăng.
 |
| NTC Thermistor Measure |
Nhiệt điện trở NTC được làm từ vật liệu bán dẫn (như oxit kim loại và gốm). Các cảm biến NTC phù hợp với phạm vi nhiệt độ -55°C đến +150°C.
➤ NTC thường được sử dụng phổ biến như cảm biến đo nhiệt độ trong các thiết bị (điều hòa, tủ lạnh, lò nướng, đo nhiệt độ dầu trong ô tô, ...)
👉 Giao tiếp Thermistor với Vi điều khiển
🔻 Mạch phân áp và ADC
Với các thiết bị cảm biến có đầu ra là điện trở, cách đơn giản nhất để giao tiếp với vi điều khiển là mạch phân áp - Potential Divider Circuit (giống như trường hợp của quang trở LDR).
 |
| Voltage Divider Network to measure the Thermistor |
Với mạch phân áp trên được kết nối đến chân ADC của Vi điều khiển, sau khi đo được giá trị số ADC_Output, ta có thể tính toán ngược lại giá trị điện trở của Thermistor (Rth) như sau:
Với N là độ phân giải của bộ ADC, R là điện trở nối thêm R1 hay Rs trong hình.
🔻 Tính toán giá trị nhiệt độ từ điện trở Rth
Thermistor có giá trị đầu ra thường là phi tuyến, hai nhà khoa học là John S. Steinhart và Stanley R. Hart đã nghiên cứu và tìm ra công thức chung về sự liên quan giữa điện trở và nhiệt độ của Thermistor, đó là phương trình Steinhart-Hart. Phương trình được mô tả như sau:
- T là giá trị nhiệt độ với đơn vị Kelvin
- R là giá trị điện trở đo được (Rth)
- A, B, C là hệ số thu được từ các phép đo thực nghiệm.
➥ Cách lấy được các giá trị A, B, C từ thực nghiệm.
Phần này thì có nhiều cách lấy được giá trị A, B, C theo thực nghiệm, và các giá trị này thường sẽ khác nhau giữa các lần thực hiện, cũng như các Thermistor khác nhau. Mình xin phép đính kèm tài liệu 'Calibrate Steinhart-Hart Coefficients for Thermistors' nghiên cứu của một lab bên nước ngoài!
Phương trình Steinhart Hart thường có độ chính xác khoảng +-0,15°C, trong phạm vi từ -50°C đến +150°C, hữu ích cho hầu hết các ứng dụng. Đối với phạm vi nhiệt độ giảm, từ 0°C đến 100°C, chúng ta sẽ có độ chính xác tốt hơn, khoảng +-0,01°C.
➥ Phương trình với tham số B
Phương trình Steinhart-Hart có thể được đơn giản hóa với C = 0. Phương trình sẽ trở thành:
- To là nhiệt độ phòng (+25°C = 298.15K),
- B là hệ số nhiệt điện trở (được ghi trên thiết bị),
- Ro là điện trở của Thermistor tại nhiệt độ phòng +25°C,
- Ví dụ, NTC 10K sẽ có điện trở 10K tại nhiệt độ phòng +25°C
👉 Giao tiếp Thermistor - ATMega16, mô phỏng Proteus
Việc giao tiếp Thermistor với Vi điều khiển khá đơn giản thông qua bộ ngoại vi ADC. Sau khi đọc được giá trị số (Digital) từ ADC, chương trình có thể tính ngược lại nhiệt độ (theo đơn vị Kelvin) theo phương trình Steinhart-Hart. Sau đó, để chuyển qua °C thì lấy nhiệt độ Kelvin trừ đi 273.15.
A = 0.001129148, B = 0.000234125 and C = 8.76741*10^-8
➤ Video demo
>>>= Follow ngay =<<<
Để nhận được những bài học miễn phí mới nhất nhé 😊
Chúc các bạn học tập tốt 😊