サーミスタとは
サーミスタとは、「Thermally Sensitive Resistor」の略で、温度が変わると部品の抵抗が大きく変わる性質を持った電子部品のことです。
部品の抵抗値を計測することで、部品周囲の温度を把握できます。サーミスタは、複数の金属を混ぜて作られた電子部品で、使用温度は約-50℃から約150℃です。
サーミスタの使用用途
低コストで温度を測定可能なうえ、小型で耐久性もあることから、一般用の家電機器だけでなく、医療機器、自動車、OA機器、住宅設備、給湯器、調理器具、暖房機器、情報機器、産業機器と用途は多岐にわたります。
具体的には、エアコンの室内機および室外機や暖房機器などです。室内温度を測定し、室内温度の制御を行っており、自動車ではエンジンの温度や外気温度を測定しエンジン内の燃焼が最適となるよう制御しています。給湯器では水温を測定し、蛇口から出る水の温度を制御しています。
サーミスタの原理
NTCサーミスタの原材料は、マンガン、鉄、コバルトなどの混合であり、PTCサーミスタは、ポリマーにカーボンブラック等を混合して作られています。さらに、バナジウムに添加物を混合して作られているのがCTRサーミスタです。
通常、金属等の導体では温度が上がると、陽イオンの振動が起きて、移動する自由電子と導体の結晶を構成する陽イオンの衝突が激しくなります。温度変化により抵抗値が大きくなる理由は、振動による衝突から、自由電子の移動速度が遅くなるためです。PTCサーミスタは、この特性を利用しており、温度の上がるとともに抵抗値が大きくなります。
一方、半導体は温度が上がると抵抗値が減ります。温度が上がると抵抗値が小さくなる理由は、温度の上がると陽イオンが増加しますが、この割合が自由電子の移動速度の減少に勝るためです。NTCやCTRは、この特性を利用しているので、温度が上がるにつれ抵抗値が下がります。
サーミスタの種類
サーミスタは、大きく3種類に分類されます。
1. NTCサーミスタ
温度測定用の電子部品として、一般的に使用される部品です。部品の温度上昇と抵抗値の減少が連動します。NTCは部品の温度が上がると抵抗値が減ることから、温度測定用の他、温度補償回路等で使われています。
2. PTCサーミスタ
温度測定用の電子部品ではなく、電流ヒューズの代わりに過電流からのデバイス保護を目的に使用されることが多い部品です。抵抗値の上昇が部品温度の上昇に連動します。
PTCは温度が上がると、特定の温度付近において抵抗値が大きく増えることから、 電源ON時のモータやアルミ電解コンデンサに流れる突入電流を抑制する目的や、モータやヒーターなどの誘導性負荷が短絡故障を起こした場合の過電流が流れることを抑制する回路などで使われています。
3. CTRサーミスタ
CTRサーミスタは、NTC同様に温度が上がると抵抗値が減る部品です。温度が上がると抵抗値が減る所はNTCと同じですが、一定の温度を越えると大きく抵抗値が減る点が異なります。
サーミスタのその他情報
サーミスタの使い方
サーミスタを電気回路内で使用する際、サーミスタ単体では使用せず、定電源電圧と他の固定抵抗を組み合わせ使用するのが一般的です。サーミスタは、温度によって抵抗値が変化するため、定電圧電源、固定抵抗、サーミスタを使用した電気回路では温度が変化すると抵抗に流れる電流が変化し、抵抗両端の電圧が変化します。
マイコンのADコンバータ機能などで抵抗両端の電圧を読み取り、マイコン内で電圧を温度換算して使用します。サーミスタ周辺回路の組み合わせは、DC電源5VやDC電源3.3Vの定電圧源に1キロオームや10キロオーム等のプルダウン抵抗を接続したり、1キロオームや10キロオームのプルダウン抵抗をサーミスタとGND間に接続する方法です。
プルアップ抵抗およびプルダウン抵抗を小さくしすぎると、抵抗に流れる電流が増えることで素子自身で発熱し、正確な測定ができません。サーミスタと既知の抵抗を組み合わせて、抵抗の値を測定することが一般的です。
参考文献
https://www.jp.tdk.com/tech-mag/hatena/022
https://contents.zaikostore.com/semiconductor/3898/