Co jsou NTC termistory?

NTC znamená „záporný teplotní koeficient. Termistory NTC jsou rezistory se záporným teplotním koeficientem, což znamená, že odpor klesá s rostoucí teplotou. Používají se především jako odporová teplotní čidla a proudová omezovací zařízení. Koeficient teplotní citlivosti je přibližně pětkrát větší než u křemíkových snímačů teploty (silistorů) a přibližně desetkrát větší než u odporových snímačů teploty (RTD). NTC snímače se obvykle používají v rozsahu od -55 °C do 200 °C.

Nelinearita vztahu mezi odporem a teplotou, kterou vykazují NTC rezistory, představovala velký problém při použití analogových obvodů pro přesné měření teploty, ale rychlý vývoj číslicových obvodů tento problém vyřešil a umožnil výpočet přesných hodnot interpolací vyhledávacích tabulek nebo řešením rovnic, které aproximují typickou NTC křivku.

Definice termistoru NTC

Termistor NTC je tepelně citlivý rezistor, jehož odpor vykazuje velký, přesný a předvídatelný pokles s rostoucí teplotou jádra rezistoru v rozsahu pracovních teplot.

Charakteristika termistorů NTC

Na rozdíl od odporových detektorů teploty (RTD), které jsou vyrobeny z kovů, jsou termistory NTC obvykle vyrobeny z keramiky nebo polymerů. Různé použité materiály mají za následek různé teplotní odezvy i další charakteristiky.

Teplotní odezva

Ačkoli většina termistorů NTC je obvykle vhodná pro použití v teplotním rozsahu od -55 °C do 200 °C, kde poskytují nejpřesnější údaje, existují speciální rodiny termistorů NTC, které lze použít při teplotách blížících se absolutní nule (-273,15 °C), a také ty, které jsou speciálně navrženy pro použití při teplotách nad 150 °C.

Teplotní citlivost NTC snímače se vyjadřuje jako „procentuální změna na stupeň C. V závislosti na použitých materiálech a specifikách výrobního procesu se typické hodnoty teplotní citlivosti pohybují od -3 % do -6 % na °C.

Charakteristická křivka NTC

Jak je patrné z obrázku, termistory NTC mají ve srovnání s odporovými teploměry ze slitiny platiny mnohem strmější sklon odporu k teplotě, což znamená lepší teplotní citlivost. I přesto zůstávají odporové teploměry nejpřesnějšími snímači s přesností ±0,5 % měřené teploty a jsou použitelné v teplotním rozsahu od -200 °C do 800 °C, což je mnohem širší rozsah než u snímačů teploty NTC.

Srovnání s ostatními snímači teploty

V porovnání s odporovými teploměry mají NTC menší rozměry, rychlejší odezvu, větší odolnost proti nárazům a vibracím při nižší ceně. Jsou o něco méně přesné než odporové teploměry. Při srovnání s termočlánky je přesnost získaná z obou podobná; termočlánky však odolávají velmi vysokým teplotám (řádově 600 °C) a používají se v takových aplikacích místo termistorů NTC, kde se někdy označují jako pyrometry. Přesto termistory NTC poskytují větší citlivost, stabilitu a přesnost než termočlánky při nižších teplotách a používají se s menším počtem dodatečných obvodů, a tudíž s nižšími celkovými náklady. Náklady jsou navíc sníženy tím, že nejsou potřeba obvody pro úpravu signálu (zesilovače, převodníky úrovní atd.), které jsou často nutné při práci s odporovými teploměry a vždy nutné pro termočlánky.

Samoohřívací efekt

Samoohřívací efekt je jev, ke kterému dochází vždy, když termistorem NTC protéká proud. Protože termistor je v podstatě rezistor, odvádí energii ve formě tepla, když jím protéká proud. Toto teplo vzniká v jádru termistoru a ovlivňuje přesnost měření. Rozsah, v jakém k tomu dochází, závisí na velikosti protékajícího proudu, na prostředí (zda se jedná o kapalinu nebo plyn, zda přes snímač NTC teče nějaký proud a podobně), na teplotním koeficientu termistoru, na celkové ploše termistoru a podobně. Skutečnost, že odpor snímače NTC, a tedy i proud jím protékající, závisí na prostředí, se často využívá v detektorech přítomnosti kapalin, které se nacházejí například ve skladovacích nádržích.

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita představuje množství tepla potřebné ke zvýšení teploty termistoru o 1 °C a obvykle se vyjadřuje v mJ/°C. Znalost přesné tepelné kapacity má velký význam při použití termistorového snímače NTC jako omezovače rozběhového proudu, protože definuje rychlost odezvy termistorového snímače NTC.

Výběr a výpočet křivky

Při pečlivém výběru je třeba dbát na disipační konstantu termistoru, tepelnou časovou konstantu, hodnotu odporu, křivku odporu a teploty a tolerance, abychom zmínili nejdůležitější faktory.

Vzhledem k tomu, že vztah mezi odporem a teplotou (křivka R-T) je značně nelineární, je třeba při praktických návrzích systémů používat určité aproximace.

Aproximace prvního řádu

Jednou z aproximací a nejjednodušší k použití je aproximace prvního řádu, která říká, že:

Kde k je záporný teplotní součinitel, ΔT je rozdíl teplot a ΔR je změna odporu v důsledku změny teploty. Tato aproximace prvního řádu platí pouze pro velmi úzký rozsah teplot a lze ji použít pouze pro takové teploty, kdy je k téměř konstantní v celém rozsahu teplot.

Beta vzorec

Další rovnice poskytuje uspokojivé výsledky, je přesná na ±1 °C v rozsahu 0 °C až +100 °C. Závisí na jediné materiálové konstantě β, kterou lze získat měřením. Rovnici lze zapsat jako:

Kde R(T) je odpor při teplotě T v Kelvinech, R(T0) je referenční bod při teplotě T0. Vzorec Beta vyžaduje dvoubodovou kalibraci a obvykle není přesnější než ±5 °C v celém užitečném rozsahu termistoru NTC.

Steinhart-Hartova rovnice

Nejlepší dosud známou aproximací je Steinhart-Hartův vzorec, publikovaný v roce 1968:

Kde ln R je přirozený logaritmus odporu při teplotě T v Kelvinech a A, B a C jsou koeficienty odvozené z experimentálních měření. Tyto koeficienty obvykle zveřejňují prodejci termistorů jako součást datového listu. Steinhartův-Hartův vzorec má obvykle přesnost přibližně ±0,15 °C v rozsahu -50 °C až +150 °C, což pro většinu aplikací bohatě stačí. Pokud je požadována vyšší přesnost, je třeba teplotní rozsah zmenšit a dosáhnout přesnosti lepší než ±0,01 °C v rozsahu 0 °C až +100 °C.

Výběr správné aproximace

Výběr vzorce použitého k odvození teploty z měření odporu musí vycházet z dostupného výpočetního výkonu a také z aktuálních požadavků na toleranci. V některých aplikacích je aproximace prvního řádu více než dostatečná, zatímco v jiných nesplňuje požadavky ani Steinhartova-Hartova rovnice a termistor je třeba kalibrovat bod po bodu, provést velké množství měření a vytvořit vyhledávací tabulku.

Konstrukce a vlastnosti NTC termistorů

Materiály, které se obvykle podílejí na výrobě NTC rezistorů, jsou platina, nikl, kobalt, železo a oxidy křemíku, používané jako čisté prvky nebo jako keramika a polymery. NTC termistory lze rozdělit do tří skupin v závislosti na použitém výrobním procesu.

Keramické termistory

Tyto NTC termistory jsou vyrobeny z olověných drátků ze slitiny platiny přímo spečených do keramického těla. Obecně nabízejí rychlou odezvu, lepší stabilitu a umožňují provoz při vyšších teplotách než diskové a čipové NTC senzory, jsou však křehčí. Běžně se utěsňují ve skle, aby byly chráněny před mechanickým poškozením při montáži a aby se zlepšila jejich stabilita měření. Typické rozměry se pohybují od 0,075 do 5 mm v průměru.

Diskové a čipové termistory

Tyto termistory NTC mají pokovené povrchové kontakty. Jsou větší, a v důsledku toho mají pomalejší reakční dobu než kuličkové NTC rezistory. Díky své velikosti však mají vyšší konstantu rozptylu (výkon potřebný ke zvýšení jejich teploty o 1 °C), a protože výkon rozptýlený termistorem je úměrný kvadrátu proudu, zvládnou vyšší proudy mnohem lépe než termistory typu kulička. Termostory diskového typu se vyrábějí lisováním směsi oxidových prášků do kulaté matrice, která se poté slinuje při vysokých teplotách. Čipy se obvykle vyrábějí procesem odlévání pásky, kdy se suspenze materiálu rozprostře jako silná vrstva, vysuší se a rozřeže do tvaru. Typické rozměry se pohybují v rozmezí 0,25-25 mm v průměru.

Termistory NTC zapouzdřené ve skle

Jedná se o snímače teploty NTC uzavřené ve vzduchotěsné skleněné bublině. Jsou určeny pro použití při teplotách nad 150 °C nebo pro montáž na desky s plošnými spoji, kde je nutná odolnost. Zapouzdření termistoru ve skle zlepšuje stabilitu snímače a také chrání snímač před okolním prostředím. Vyrábějí se hermetickým uzavřením kuličkových rezistorů NTC do skleněného obalu. Typické velikosti se pohybují od průměru 0,4 do 10 mm.

Typické aplikace

Termistory NTC se používají v širokém spektru aplikací. Používají se k měření teploty, regulaci teploty a ke kompenzaci teploty. Lze je také použít k detekci nepřítomnosti nebo přítomnosti kapaliny, jako omezovače proudu v napájecích obvodech, k monitorování teploty v automobilových aplikacích a mnoho dalších. Snímače NTC lze rozdělit do tří skupin v závislosti na elektrické charakteristice využívané v dané aplikaci.

Odporově-teplotní charakteristika

Mezi aplikace založené na odporově-teplotní charakteristice patří měření, regulace a kompenzace teploty. Patří k nim také situace, kdy se termistor NTC používá tak, že teplota teplotního čidla NTC souvisí s nějakým jiným fyzikálním jevem. Tato skupina aplikací vyžaduje, aby termistor pracoval v nulovém stavu, což znamená, že proud, který jím prochází, je co nejmenší, aby nedocházelo k zahřívání čidla.

Proudově-časová charakteristika

Aplikace založené na proudově-časové charakteristice jsou: časové zpoždění, omezení rozběhového proudu, potlačení přepětí a mnoho dalších. Tyto charakteristiky souvisejí s tepelnou kapacitou a rozptylovou konstantou použitého termistoru NTC. Obvod se obvykle spoléhá na to, že se termistor NTC zahřívá v důsledku proudu, který jím prochází. V určitém bodě to vyvolá nějakou změnu v obvodu v závislosti na aplikaci, ve které je použit.

Napěťově-proudová charakteristika

Aplikace založené na napěťově-proudové charakteristice termistoru obvykle zahrnují změny podmínek prostředí nebo změny obvodu, které mají za následek změny pracovního bodu na dané křivce v obvodu. V závislosti na aplikaci se může používat pro omezení proudu, teplotní kompenzaci nebo měření teploty.

Symbol termistoru NTC

.