Hvad er NTC-termistorer?

NTC står for “Negativ temperaturkoefficient”. NTC-termistorer er modstande med en negativ temperaturkoefficient, hvilket betyder, at modstanden falder med stigende temperatur. De anvendes primært som resistive temperaturfølere og strømbegrænsende enheder. Temperaturfølsomhedskoefficienten er ca. fem gange større end for temperaturfølere af silicium (silistorer) og ca. ti gange større end for modstandstemperaturfølere (RTD’er). NTC-sensorer anvendes typisk i et område fra -55°C til 200°C.

Den ikke-linearitet i forholdet mellem modstand og temperatur, som NTC-modstande udviser, udgjorde en stor udfordring ved anvendelse af analoge kredsløb til nøjagtig temperaturmåling, men den hurtige udvikling af digitale kredsløb løste dette problem og gjorde det muligt at beregne præcise værdier ved at interpolere opslagstabeller eller ved at løse ligninger, der tilnærmer sig en typisk NTC-kurve.

NTC-termistor definition

En NTC-termistor er en termisk følsom modstand, hvis modstand udviser et stort, præcist og forudsigeligt fald, når modstandens kernetemperatur stiger over driftstemperaturområdet.

Karakteristika ved NTC-termistorer

I modsætning til RTD’er (Resistance Temperature Detectors), som er fremstillet af metaller, er NTC-termistorer generelt fremstillet af keramik eller polymerer. Forskellige materialer, der anvendes, resulterer i forskellige temperaturresponser samt andre egenskaber.

Temperaturrespons

Mens de fleste NTC-termistorer typisk er velegnede til brug inden for et temperaturområde mellem -55°C og 200°C, hvor de giver deres mest præcise aflæsninger, findes der særlige familier af NTC-termistorer, der kan anvendes ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt (-273,15°C), samt dem, der er specielt designet til brug over 150°C.

Temperaturfølsomheden for en NTC-føler udtrykkes som “procentvis ændring pr. grad C. Afhængigt af de anvendte materialer og de særlige forhold i produktionsprocessen ligger de typiske værdier for temperaturfølsomheden på mellem -3% og -6% pr. °C.

Karakteristisk NTC-kurve

Som det fremgår af figuren, har NTC-termistorerne en meget stejlere modstandstemperaturhældning sammenlignet med platinlegerings-RTD’er, hvilket udmønter sig i en bedre temperaturfølsomhed. Alligevel er RTD’er fortsat de mest nøjagtige sensorer med en nøjagtighed på ±0,5 % af den målte temperatur, og de er anvendelige i temperaturområdet mellem -200 °C og 800 °C, et meget bredere område end NTC-temperatursensorer.

Sammenligning med andre temperatursensorer

Sammenlignet med RTD’er har NTC’erne en mindre størrelse, hurtigere respons, større modstandsdygtighed over for stød og vibrationer til en lavere pris. De er lidt mindre præcise end RTD’er. Sammenlignet med termoelementer er den præcision, der opnås med begge, den samme; termoelementer kan dog modstå meget høje temperaturer (i størrelsesordenen 600 °C) og anvendes i sådanne applikationer i stedet for NTC-termistorer, hvor de undertiden kaldes pyrometre. Alligevel giver NTC-termistorer større følsomhed, stabilitet og nøjagtighed end termoelementer ved lavere temperaturer og anvendes med mindre ekstra kredsløb og derfor til en lavere samlet pris. Omkostningerne sænkes desuden ved, at der ikke er behov for signalkonditioneringskredsløb (forstærkere, niveau-oversættere osv.), som ofte er nødvendige, når der er tale om RTD’er, og som altid er nødvendige for termokobler.

Selvopvarmningseffekt

Selvopvarmningseffekten er et fænomen, der finder sted, når der løber en strøm gennem NTC-termistoren. Da termistoren grundlæggende er en modstand, afgiver den effekt som varme, når der løber en strøm gennem den. Denne varme genereres i termistorens kerne og påvirker målingernes præcision. Hvor meget dette sker, afhænger af mængden af strøm, der strømmer, omgivelserne (om det er en væske eller en gas, om der er nogen strøm over NTC-føleren osv.), termistorens temperaturkoefficient, termistorens samlede areal osv. Det forhold, at NTC-følerens modstand og dermed strømmen gennem den afhænger af miljøet, anvendes ofte i detektorer for tilstedeværelse af væske, som f.eks. i lagertanke.

Varmekapacitet

Varmekapaciteten repræsenterer den varmemængde, der kræves for at øge termistorens temperatur med 1 °C, og udtrykkes normalt i mJ/°C. Kendskab til den præcise varmekapacitet er af stor betydning, når man bruger en NTC-termistorføler som en indstrømningsstrømbegrænsende enhed, da den definerer NTC-temperatursensorens responshastighed.

Kurvevalg og beregning

Den omhyggelige udvælgelsesproces skal tage hensyn til termistorens dissipationskonstant, termiske tidskonstant, modstandsværdi, modstands-temperaturkurve og tolerancer, for at nævne de vigtigste faktorer.

Da forholdet mellem modstand og temperatur (R-T-kurven) er meget ulineært, må der anvendes visse tilnærmelser i praktiske systemdesigns.

Første ordens tilnærmelse

En tilnærmelse, og den enkleste at anvende, er første ordens tilnærmelse, som siger følgende:

Hvor k er den negative temperaturkoefficient, ΔT er temperaturforskellen, og ΔR er den modstandsændring, der følger af temperaturændringen. Denne første ordens tilnærmelse er kun gyldig for et meget snævert temperaturområde og kan kun anvendes for sådanne temperaturer, hvor k er næsten konstant i hele temperaturområdet.

Betaformel

En anden ligning giver tilfredsstillende resultater, idet den er nøjagtig med en nøjagtighed på ±1°C i området fra 0°C til +100°C. Den er afhængig af en enkelt materialekonstant β, som kan fås ved målinger. Ligningen kan skrives som:

Hvor R(T) er modstanden ved temperaturen T i Kelvin, R(T0) er et referencepunkt ved temperaturen T0. Betaformlen kræver en topunktskalibrering, og den er typisk ikke mere nøjagtig end ±5°C over hele NTC-termistorens brugbare område.

Steinhart-Hart-ligningen

Den bedste tilnærmelse, der er kendt til dato, er Steinhart-Hart-formlen, der blev offentliggjort i 1968:

Hvor ln R er den naturlige logaritme af modstanden ved temperaturen T i Kelvin, og A, B og C er koefficienter, der er afledt af eksperimentelle målinger. Disse koefficienter offentliggøres normalt af termistorleverandørerne som en del af databladet. Steinhart-Hart-formlen er typisk nøjagtig med en nøjagtighed på ca. ±0,15 °C i området fra -50 °C til +150 °C, hvilket er rigeligt til de fleste anvendelser. Hvis der kræves større nøjagtighed, skal temperaturområdet reduceres, og der kan opnås en nøjagtighed på bedre end ±0,01°C over området fra 0°C til +100°C.

Valg af den rigtige tilnærmelse

Valget af den formel, der anvendes til at udlede temperaturen fra modstandsmålingerne, skal baseres på den tilgængelige regnekraft samt de faktiske tolerancekrav. I nogle anvendelser er en første ordens tilnærmelse mere end rigeligt, mens det i andre tilfælde ikke engang er Steinhart-Hart-ligningen, der opfylder kravene, og termistoren skal kalibreres punkt for punkt, idet der skal foretages et stort antal målinger og oprettes en opslagstabel.

Konstruktion og egenskaber af NTC-termistorer

Materialer, der typisk indgår i fremstillingen af NTC-modstande, er platin, nikkel, kobolt, jern og oxider af silicium, der anvendes som rene elementer eller som keramik og polymerer. NTC-termistorer kan inddeles i tre grupper, afhængigt af den anvendte fremstillingsproces.

Perle-termistorer

Disse NTC-termistorer er fremstillet af ledningstråde af platinlegering direkte indsyntet i det keramiske legeme. De giver generelt hurtige responstider, bedre stabilitet og muliggør drift ved højere temperaturer end disk- og chip-NTC-sensorer, men de er dog mere skrøbelige. Det er almindeligt at forsegle dem i glas for at beskytte dem mod mekaniske skader under monteringen og for at forbedre deres målestabilitet. De typiske størrelser ligger fra 0,075 – 5 mm i diameter.

Disk- og Chip-termistorer

Disse NTC-termistorer har metalliserede overfladekontakter. De er større og har som følge heraf langsommere reaktionstider end NTC-modstande af perletypen. På grund af deres størrelse har de imidlertid en højere dissipationskonstant (effekt, der kræves for at hæve deres temperatur med 1 °C), og da den effekt, som termistoren afgiver, er proportional med kvadratet på strømmen, kan de klare højere strømme meget bedre end termistorer af perletypen. Termistorer af skivetypen fremstilles ved at presse en blanding af oxidpulver ind i en rund form, som derefter sintres ved høje temperaturer. Chips fremstilles normalt ved en båndstøbningsproces, hvor en opslæmning af materiale spredes ud som en tyk film, tørres og skæres i form. De typiske størrelser ligger fra 0,25-25 mm i diameter.

Glasindkapslede NTC-termistorer

Dette er NTC-temperatursensorer, der er forseglet i en lufttæt glasboble. De er beregnet til brug ved temperaturer over 150 °C eller til montering på trykte kredsløb, hvor robusthed er et krav. Indkapsling af en termistor i glas forbedrer sensorens stabilitet og beskytter samtidig sensoren mod miljøet. De fremstilles ved hermetisk forsegling af NTC-modstande af perle-typen i en glasbeholder. De typiske størrelser varierer fra 0,4-10 mm i diameter.

Typiske anvendelser

NTC-termistorer anvendes i et bredt spektrum af anvendelser. De bruges til temperaturmåling, temperaturstyring og til temperaturkompensation. De kan også bruges til at registrere fravær eller tilstedeværelse af en væske, som strømbegrænsende enheder i strømforsyningskredsløb, temperaturovervågning i bilapplikationer og mange flere. NTC-sensorer kan opdeles i tre grupper, afhængigt af den elektriske egenskab, der udnyttes i en anvendelse.

Modstand-temperaturkarakteristik

Anvendelser baseret på modstands-tidskarakteristikken omfatter temperaturmåling, -styring og -kompensation. Disse omfatter også situationer, hvor der anvendes en NTC-termistor, således at NTC-temperaturfølerens temperatur er relateret til nogle andre fysiske fænomener. Denne gruppe af anvendelser kræver, at termistoren fungerer i en nulstrømstilstand, hvilket betyder, at strømmen gennem den holdes så lav som muligt for at undgå opvarmning af føleren.

Strøm-tidskarakteristik

Anvendelser baseret på strøm-tidskarakteristik er: tidsforsinkelse, begrænsning af indløbsstrøm, overspændingsundertrykkelse og mange andre. Disse karakteristika er relateret til varmekapaciteten og dissipationskonstanten for den anvendte NTC-termistor. Kredsløbet er normalt afhængig af, at NTC-termistoren opvarmes på grund af den strøm, der passerer gennem den. På et tidspunkt vil det udløse en eller anden form for ændring i kredsløbet, afhængigt af den anvendelse, som den anvendes i.

Spændings- og strømkarakteristik

Anvendelser baseret på en termistors spændings- og strømkarakteristik indebærer generelt ændringer i miljøforholdene eller kredsløbsvariationer, som resulterer i ændringer i driftspunktet på en given kurve i kredsløbet. Afhængigt af anvendelsen kan dette bruges til strømbegrænsning, temperaturkompensation eller temperaturmålinger.

NTC termistorsymbol