كيف تعمل المقاومات الحرارية في بيئات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة للغاية؟

تحدث أشياء كثيرة لا يمكن التنبؤ بها عند استخدام المقاومات الحرارية (الثرمستورات) في درجات حرارة غير تلك المحددة من قِبل الشركة المصنِّعة. فعلى سبيل المثال، تبدأ المشكلات عند استخدام الثرمستورات ذات الخصائص السالبة لمعامل الحرارة (NTC) في درجات حرارة تبلغ نحو خمسين درجة مئوية تحت الصفر (-50°م). ويُلاحظ ارتفاع حاد في المقاومة يتراوح بين ٣٠٠٪ و٥٠٠٪ أو أكثر من ذلك بكثير، ولا يتسم هذا الارتفاع بأي شكل من الأشكال بالخطية. وبما أن حاملات الشحنة لا تنتقل بحرية، فإنها تُحبَس وتقتصر حركتها. وماذا عن التغيُّر الذي يحدث عند الطرف المقابل؟ فعند درجات الحرارة الفعالة العالية التي تصل إلى نحو مئة وخمسين (١٥٠) درجة مئوية، يتجاوز النظام عتبة تدهورٍ أخرى. ومع إضافة طاقة متزايدة على هيئة حرارة إلى أشباه الموصلات، تحدث انهيارات في هيكل أشباه الموصلات هذه. وينطبق قانون مور هنا، حيث تنخفض المقاومة الكلية للمادة مع زيادة عدد الإلكترونات الحرة وازدياد الشحنة الكلية. وبشكل عام، يخضع هذا الظاهرة لقانون أرهينيوس. ومع ذلك، قد تنشأ ظروفٌ قصوى وغير خاضعة للرقابة. وقد لاحظ الخبراء أن الحرارة قد تُفقِد ما بين ١٥٪ و٢٥٪ من المقاومة الفعالة لكل زيادة إضافية قدرها ١٠ درجات مئوية فوق درجة الحرارة ١٥٠°م.

يمكن أن تجعل هذه الفروق أجهزة الاستشعار غير موثوقة في المهام التي تتطلب أقصى درجات الدقة، مثل قياس درجات الحرارة في محطات الأبحاث القطبية ومراقبة محركات الطائرات أثناء الطيران. ففي محطات الأبحاث القطبية، قد يؤدي اختلافٌ قدره نصف درجة فقط إلى الفرق بين النجاح والفشل.

التدهور المتعلق بالمادة لمعاملَي بيتا وألفا

تحدد مواد البناء والتغليف متانة المقاومات الحرارية عند التعرض لدرجات حرارة قصوى مرتفعة ومنخفضة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تفقد مقاومات الحرارة ذات المعامل السلبي لدرجة الحرارة (NTC) المصنوعة من أكسيد المنغنيز والنيكل ما يصل إلى ٤٠٪ من معامل بيتا الخاص بها بسبب تغيرات لا رجعة فيها في تركيبها البلوري عند التعرُّض لدرجات حرارة تبلغ نحو ٢٠٠ درجة مئوية. وتتميَّز مقاومات الحرارة القائمة على الكوبلت بخصائصها الفريدة الخاصة. وعند التعرُّض لدرجات حرارة أقل من ٠ درجة مئوية، تتعرَّض هذه المقاومات لانحراف في معامل ألفا بمقدار ±٠٫٥°م، وأقل من ٠٫٥°م شهريًّا، وذلك نتيجة ظهور عيوب دقيقة في تركيبها البلوري بسبب انخفاض درجة الحرارة المشار إليه آنفًا. ومن أكثر الحقائق إثارةً للدهشة والغموض حول بناء وتعبئة المقاومات الحرارية تأثيرها على الموثوقية. فعلى سبيل المثال، في دورة التغير الحراري، تفشل المقاومات الحرارية المغلفة بالإيبوكسي تقريبًا بثلاثة أضعاف سرعة المقاومات الحرارية المغلفة بالزجاج، خاصةً فيما يتعلق بعدم استقرار معامل بيتا. إذ تشهد المقاومات الحرارية المغلفة بالإيبوكسي عدم استقرارًا نسبته ٠٫٨٪ لكل ١٠٠٠ ساعة عند درجة حرارة ١٢٥°م، بينما تشهد المقاومات الحرارية المغلفة بالزجاج عدم استقرارًا نسبته ٠٫٢٥٪ في نفس الإطار الزمني.

تختلف أنواع الأعطال، ما يستدعي من المهندسين التحلي بالحذر عند اختيار المواد التي يستخدمونها في تطبيقات معينة. وتشمل هذه التطبيقات أجهزة الاستشعار المستخدمة في عمليات الحفر العميقة للآبار أو في الأجهزة الطبية التي تخزن السوائل عند درجات حرارة تفوق ١٠٠ درجة مئوية وتتطلب قياسات دقيقة على مدى فترات طويلة.

تحسين اختيار المقاومات الحرارية (الثرمستورات) للتطبيقات التي تتضمن ظروفًا قاسية من حيث درجة الحرارة
مطابقة نوع التغليف (الزجاجي مقابل الإيبوكسي) مع الظروف البيئية المحددة
نوع التغليف وأداء المقاومات الحرارية (الثرمستورات) في البيئات القاسية
طريقة تغليف المادة تحدد مدى قدرة الثرمستورات على التحمل في ظروف بيئتها القاسية. وباستخدام التغليف الزجاجي، يمكن للثرمستورات أن تعمل بموثوقية في بيئات تتراوح درجات حرارتها بين ٢٥٠ درجة مئوية كحد أقصى و٨٠ درجة مئوية كحد أدنى، وهي نطاق واسع جدًّا من درجات الحرارة. كما توفر ختمًا محكمًا ضد الماء وحاجزًا كاملًا للغاية يحمي الأجهزة من دخول الرطوبة والمواد الكيميائية، وكذلك من العوامل المُدمِّرة ميكانيكيًّا. ولهذا السبب تجدون الثرمستورات المغلفة بالزجاج مستخدمةً في تطبيقات ممتازة مثل محركات السيارات وأنظمة التحكم في الأفران الصناعية وحزم بطاريات المركبات الكهربائية (EV). أما الثرمستورات المغلفة بإيبوكسي الأرخص ثمنًا، فلها قيودٌ معينة: فهي قد تتورّم عند تعرضها للمذيبات، وقد تتشقّق إذا تغيّرت درجة الحرارة أكثر من ٢٠٠ درجة مئوية في فترة زمنية قصيرة جدًّا، وقد تفقد مقاومتها للأيونات في الظروف الرطبة أو المالحة. ومن هذا المنظور، يجب على مصمّمي المستشعر أخذ عوامل عديدة في الاعتبار.

المقاومة الكيميائية: تتمتع الزجاجات بمقاومةٍ للمعادن الهيدروكربونية ومذيبات التنظيف؛ وقد تتسبب الإيبوكسي في تليّن المادة أو انفصال طبقاتها.

المقاومة للصدمات الحرارية: يُعد الزجاج المادة الوحيدة بين الأجهزة المُصنَّفة التي تتحمل التمدد والتقلص المتكرر عند درجات حرارة تزيد عن ٢٠٠ درجة مئوية دون أن تتشقق بشكلٍ ميكروسكوبي.

الإحكام المحكم (الختم الكامل): بالنسبة للتغليف الطبي القياسي للأنظمة الإلكترونية، يُشترط استخدام التغليف الزجاجي، بما في ذلك أنظمة المركبات الكهربائية عالية الجهد (EV)، حيث يجب أن تكون تيارات التسرب أقل من ١ نانوأمبير (nA).

موازنة مدى درجات الحرارة الموسع مع ثابت الزمن الحراري

إن تحقيق التوازن بين نطاق واسع من درجات الحرارة ووقت استجابة سريع يُشكّل تحديًّا تصميميًّا كبيرًا. فعلى الرغم من أن مقاومات الحرارة الصغيرة جدًّا على شكل حباتٍ يمكن أن تُعطي زمن استجابة بنسبة ١٪، فإنها تُعتبر عمومًا غير موثوقة عند درجات حرارة تفوق ١٥٠ درجة مئوية. وفي الطرف المقابل، تستجيب مقاومات الحرارة الأكبر حجمًا المصنوعة من الزجاج على شكل حبات، لكن ذلك يتم فقط بعد مرور ١٠ إلى ٣٠ ثانية. ويمثِّل اكتشاف الانفلات الحراري في البطاريات تحديًّا كبيرًا؛ إذ يُشترط أن يكون زمن الاستجابة أقل من ٣ ثوانٍ عند درجة حرارة ٢٠٠ درجة مئوية، ولذلك يختار المصنعون الرائدون تصاميم هجينة. وبعبارات بسيطة، فإنهم يدمجون كتل حرارية مختلفة ويوضع مقاومات حرارة ذات استجابة سريعة عند الطرف، بينما توضع مقاومات حرارة مستقرة عند القاعدة. علاوةً على ذلك، فإن أكسيد الألومنيوم المغلف بالنيكل والعازل الخاص المستخدم في العديد من التصاميم يوفِّر استجابة أفضل للحرارة والكهرباء. واليوم، صُمِّمت أنظمة «ذكية» للتنبؤ بزمن الاستجابة وإدخال التصويبات اللازمة للتحكم في هذا الزمن.

تشير الدراسات إلى أن اهتمام المهندسين بالسلامة والسرعة على حدٍّ سواء يقلل من حالات الفشل بنسبة 34% عندما تعمل الأنظمة في ظروف شديدة البرودة. وهذا يشير إلى أنه ينبغي تصميم أزمنة الاستجابة بحيث تعمل بشكل آمن ضمن ظروف التشغيل الفعلية، بدلًا من دفعها إلى الحدود القصوى.

موثوقية المقاومات الحرارية (Thermistors) المستخدمة في العالم الحقيقي: الاستقرار، الانجراف، ومقاومة الضوضاء

الاستقرار على المدى الطويل مقابل التكرارية على المدى القصير في ظل ظروف الرطوبة العالية والاهتزاز

عند الحديث عن الموثوقية في الظروف القاسية، يجب التمييز بين الاستقرار على المدى الطويل وإعادة الإنتاج على المدى القصير. ويتعلّق الاستقرار على المدى الطويل بمدى تغير استجابة المقاومة ببطءٍ شديد — إن وُجد هذا التغير أصلاً — على مدى سنوات عديدة، بينما تتعلّق إعادة الإنتاج على المدى القصير بما إذا كانت الاستجابة تبقى ثابتة أثناء التغيرات السريعة في درجة الحرارة أو الصدمات المفاجئة. ففي حالة البطاريات الكبيرة أو محطات الأرصاد الجوية التي تستخدم مستشعرات NTC مغلفة بالإيبوكسي، فإن أي انجراف سنوي يتجاوز ± 0.1 درجة مئوية (وهو أمر يحدث بسهولةٍ وتكرارٍ كبيرين) سيؤدي إلى تأخيرات في النظام وزيادة في التكاليف الناتجة عن عمليات المعايرة المتكررة. وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تؤثر الشقوق الصغيرة الناتجة عن الاهتزاز الميكانيكي تأثيراً سلبياً على القياسات على المدى القصير، وقد ترفع مستويات الضوضاء بنسبة تصل إلى 15٪. وبالطبع، هناك التأثير الضار والمدمِّر للرطوبة: إذ تمتص الطبقة البوليمرية الرطوبة، وعندما يتعرّض الجهاز لتغيرات متكررة في نقطة الندى، تنحرف مستويات المقاومة الأساسية وتزداد تأثيرات الهستيريس بشكلٍ ملحوظ.

العامل: التركيز على الاستقرار مع مرور الوقت مقابل التركيز على التكرار مع مرور الوقت

العوامل البيئية المُجهِدة: الشيخوخة الحرارية، والأكسدة، والهجرة الأيونية. الاهتزاز الميكانيكي، والتغير السريع في درجة الحرارة، والصدمات الميكانيكية

المقياس الرئيسي: الانحراف (جزء من المليون/سنة)، واتساق القياس (انحراف معياري أقل من ٠٫٠٥°م)

أولوية التصميم: الإغلاق المحكم (التغليف الزجاجي) والتمعدن المستقر. تركيب مقاوم للصدمات وتثبيت الأسلاك بتوتر منخفض

تتميّز المقاومات الحرارية (الثرمستورات) بمقاومتها العالية للتداخل الكهربائي بفضل مقاومتها الأساسية العالية (من ١ إلى ١٠٠ كيلو أوم). ونتيجةً لذلك، فهي لا تتطلب التغليف الواقي من التداخل الكهرومغناطيسي الذي تحتاجه الأجهزة ذات المقاومة الأقل مثل مقاومات درجة الحرارة المقاومية (RTDs) والمقاييس الحرارية (Thermocouples). فعلى سبيل المثال، انظر إلى مزارع طاقة الرياح البحرية وأنظمة المساعدة المتقدمة في قيادة المركبات. كما أن المقاومات الحرارية من النوع الكروي المغلفة بالسيليكون المستخدمة في هذه الأنظمة تتعرّض أيضاً لمشاكل الرطوبة، وتستجيب في أقل من ثانية واحدة. وهذا يدلّ على أن اختيار المواد المناسبة يمكن أن يساعد في حل مشكلات الموثوقية التي تواجهها المهندسون عند تطوير المعدات المخصصة للاستخدام في الظروف القاسية.

لمحة تطبيقية عملية: المقاومات الحرارية السالبة المعامل (NTC) في إدارة الحرارة لبطاريات المركبات الكهربائية (EV)

تُعد مقاومات الحرارة من نوع NTC مفيدة جدًّا عند مراقبة درجات حرارة بطاريات حزم البطاريات الخاصة بالمركبات الكهربائية. ويجب التحكم في درجة الحرارة ضمن المدى من ١٥ إلى ٣٥ درجة مئوية، لأن خلايا الليثيوم أيون تتضرر عندما تخرج درجات الحرارة عن هذا النطاق الضابط، كما قد تحدث حالات ارتفاع خطير في درجة الحرارة. وتُدمَج أجهزة استشعار NTC داخل الحزمة وتراقب باستمرار مقاومة البطارية عبر نظام إدارة البطارية، ما يمكّن النظام من تبريد البطارية. فعلى سبيل المثال، عند وصول درجة حرارة البطارية إلى أكثر من ٤٠ درجة مئوية، يُفعَّل نظام التبريد السائل لتفادي التفاعلات الكيميائية الضارة في البطارية. ومع ذلك، إذا انخفضت درجة حرارة البطارية إلى ما دون الصفر درجة مئوية، تُشغَّل سخانات PTC للحفاظ على تدفق الأيونات داخل الإلكتروليت. وبفضل التحكم الذكي في درجة الحرارة، تزداد مدة عمر البطاريات بنسبة ٣٠٪ مقارنةً بأنظمة التشغيل المستمر، كما يحظى السائقون بمدى أكثر اتساقًا وكفاءة بنسبة ١٥٪. وقد تم اختبار هذه المعلومة وإثبات صحتها في ظروف واقعية في أجزاء من ولاية كاليفورنيا والنرويج ذات المناخ القاسي على مدى عدة سنوات.

ما يميز هذه المستشعرات هو قدرتها على اكتشاف النقاط الساخنة خلال جزء من الألف من الثانية، قبل أن تخرج الأمور عن السيطرة، لا سيما أثناء جلسات الشحن السريع المباشر بقدرة ٣٥٠ كيلوواط. وتتميّز مقاومات الحرارة من نوع NTC بخصائص ممتازة؛ إذ إنها مناسبة للتطبيقات الثقيلة، وقادرة على التحمّل في البيئات القاسية، كما أنها اقتصادية التكلفة. ونتيجةً لذلك، لا تزال تُستخدم على نطاق واسع في العديد من الصناعات الأخرى، ليس فقط في المركبات الكهربائية (EV)، بل أيضًا في أنظمة الطاقة الخاصة بالطائرات وأنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع حول العالم.

الأسئلة الشائعة

لماذا تمتلك مقاومات الحرارة مقاومة غير خطية عند الحدود الحرارية القصوى؟

عند درجات حرارة أقل من ٥٠- درجة مئوية، يقتصر حركة حاملات الشحنة داخل أشباه الموصلات، ما يؤدي إلى ارتفاع المقاومة. أما عند درجات حرارة أعلى من ١٥٠ درجة مئوية، فإن البنية الداخلية لأشباه الموصلات تتدمّر، مما يؤدي إلى انخفاضات غير متوقعة في المقاومة.

ما تأثير تغليف مقاومات الحرارة على أدائها؟

من بين جميع أنواع التغليف، تُوفِّر مقاومات الحرارة المغلفة بالزجاج أعلى درجة من الحماية ضد الرطوبة والمواد الكيميائية وغيرها من التأثيرات الفيزيائية، لذا فهي تتفوق في البيئات القاسية. وعلى الرغم من أن مقاومات الحرارة المغلفة بالإيبوكسي أكثر عُرضةً للانتفاخ والتشقق، فإنها توفر أقل درجة من الحماية ضد الانتفاخ والتشقق مقارنةً بأنواع التغليف الأخرى.

هل مقاومات الحرارة السالبة المقاومة (NTC) موثوقة في أنظمة إدارة البطاريات الخاصة بالمركبات الكهربائية؟

نعم. وتُستخدم مقاومات الحرارة السالبة المقاومة (NTC) في جميع أنظمة إدارة البطاريات الخاصة بالمركبات الكهربائية، وفي جميع أنظمة الإدارة الحرارية، وبالتالي فإنها تطيل عمر البطاريات وتحسّن استقرار أدائها.