Mitä ovat NTC-termistorit?

NTC on lyhenne sanoista ”Negative Temperature Coefficient”. NTC-termistorit ovat vastuksia, joilla on negatiivinen lämpötilakerroin, mikä tarkoittaa, että vastus pienenee lämpötilan kasvaessa. Niitä käytetään pääasiassa resistiivisinä lämpötila-antureina ja virranrajoituslaitteina. Lämpötilaherkkyyskerroin on noin viisi kertaa suurempi kuin piilämpötila-antureilla (silistoreilla) ja noin kymmenen kertaa suurempi kuin vastuslämpötila-antureilla (RTD). NTC-antureita käytetään tyypillisesti -55 °C:n ja 200 °C:n välillä.

NTC-vastusten resistanssin ja lämpötilan välisen suhteen epälineaarisuus oli suuri haaste käytettäessä analogisia piirejä lämpötilan tarkkaan mittaamiseen, mutta digitaalisten piirien nopea kehitys ratkaisi tämän ongelman, mikä mahdollisti tarkkojen arvojen laskennan interpoloimalla hakutaulukoita tai ratkomalla yhtälöitä, jotka approksimoivat tyypillistä NTC-käyrää.

NTC-termistorin määritelmä

NTC-termistori on lämpöherkkä vastus, jonka resistanssi laskee suurella, tarkalla ja ennustettavalla tavalla vastuksen sisälämpötilan kasvaessa käyttölämpötila-alueella.

NTC-termistoreiden ominaispiirteet

Toisin kuin RTD:t (vastuslämpötila-anturit), jotka valmistetaan metalleista, NTC-termistorit valmistetaan yleensä keraameista tai polymeereistä. Eri käytetyt materiaalit johtavat erilaisiin lämpötilavasteisiin sekä muihin ominaisuuksiin.

Lämpötilavasteet

Vaikka useimmat NTC-termistorit soveltuvat tyypillisesti käytettäväksi lämpötila-alueella -55 °C:n ja 200 °C:n välillä, jossa ne antavat tarkimmat lukemat, on olemassa erityisiä NTC-termistoriperheitä, joita voidaan käyttää absoluuttista nollaa lähestyvissä lämpötiloissa (-273,15 °C) sekä niitä, jotka on suunniteltu nimenomaan käytettäväksi yli 150 °C:n lämpötilassa.

NTC-anturin lämpötilaherkkyys ilmaistaan ”prosentuaalisena muutoksena asteessa C. Käytetyistä materiaaleista ja tuotantoprosessin erityispiirteistä riippuen lämpötilaherkkyyden tyypilliset arvot vaihtelevat -3 %:sta -6 %:iin °C:ssa.

Charakteristinen NTC-käyrä

Kuten kuvasta näkyy, NTC-termistoreilla on paljon jyrkempi resistanssi-lämpötilakaltevuus verrattuna platinaseoksesta valmistettuihin RTD:iin, mikä tarkoittaa parempaa lämpötilaherkkyyttä. Tästä huolimatta RTD:t ovat edelleen tarkimpia antureita, sillä niiden tarkkuus on ±0,5 % mitatusta lämpötilasta, ja ne ovat käyttökelpoisia lämpötila-alueella -200 °C:n ja 800 °C:n välillä, joka on paljon laajempi alue kuin NTC-lämpötila-antureilla.

Vertailu muihin lämpötila-antureihin

Vertailtuna RTD:iin NTC-lämpötila-antureiden koko on pienempi, niiden reaktio on nopeampi, niiden iskunkestävyys on korkeampi kuin muiden lämpötila-antureiden.

Ne ovat hieman epätarkempia kuin RTD:t. Termopareihin verrattuna molemmista saadaan samanlainen tarkkuus; termoparit kestävät kuitenkin hyvin korkeita lämpötiloja (noin 600 °C:n luokkaa), ja niitä käytetään tällaisissa sovelluksissa NTC-termistoreiden sijasta, jolloin niistä käytetään joskus nimitystä pyrometrit. Tästä huolimatta NTC-termistorit tarjoavat lämpöpareja suuremman herkkyyden, vakauden ja tarkkuuden alhaisemmissa lämpötiloissa, ja niitä käytetään pienemmällä määrällä lisäpiirejä ja siten pienemmillä kokonaiskustannuksilla. Kustannuksia alentaa lisäksi se, että ei tarvita signaalinkäsittelypiirejä (vahvistimia, tasosiirtimiä jne.), joita tarvitaan usein RTD:iden kanssa ja aina termopareille.

Self – heating effect

Self – heating effect on ilmiö, joka tapahtuu aina, kun NTC-termistorin läpi kulkee virta. Koska termistori on periaatteessa vastus, se haihduttaa tehoa lämpönä, kun sen läpi kulkee virta. Tämä lämpö syntyy termistorin ytimeen ja vaikuttaa mittausten tarkkuuteen. Se, missä määrin näin tapahtuu, riippuu kulkevan virran määrästä, ympäristöstä (onko kyseessä neste vai kaasu, onko NTC-anturin yli virtausta ja niin edelleen), termistorin lämpötilakertoimesta, termistorin kokonaispinta-alasta ja niin edelleen. Sitä, että NTC-anturin resistanssi ja siten sen läpi kulkeva virta riippuu ympäristöstä, käytetään usein nesteen läsnäolon ilmaisimissa, kuten varastosäiliöissä.

Lämpökapasiteetti

Lämpökapasiteetti kuvaa lämpömäärää, joka tarvitaan nostamaan termistorin lämpötilaa 1 °C:lla, ja se ilmaistaan tavallisesti mJ/°C. Tarkan lämpökapasiteetin tunteminen on erittäin tärkeää käytettäessä NTC-termistorianturia syöksyvirran rajoituslaitteena, sillä se määrittää NTC-lämpötila-anturin vastenopeuden.

Käyrän valinta ja laskenta

Huolellisessa valinnassa on huomioitava termistorin häviökonstanssi, lämpöaikavakio, resistanssiarvo, resistanssi-lämpötilakäyrä ja toleranssit tärkeimpinä tekijöinä.

Koska resistanssin ja lämpötilan välinen suhde (R-T-käyrä) on erittäin epälineaarinen, käytännön järjestelmäsuunnittelussa on käytettävä tiettyjä approksimaatioita.

Ensimmäisen kertaluvun approksimaatio

Ensimmäisen kertaluvun approksimaatio on yksi approksimaatio, joka on yksinkertaisin käyttää, ja sen mukaan:

Jossa k on negatiivinen lämpötilakerroin, ΔT on lämpötilaero ja ΔR on lämpötilan muutoksesta johtuva resistanssin muutos. Tämä ensimmäisen kertaluvun approksimaatio pätee vain hyvin kapealla lämpötila-alueella, ja sitä voidaan käyttää vain sellaisissa lämpötiloissa, joissa k on lähes vakio koko lämpötila-alueella.

Beta-kaava

Toinen yhtälö antaa tyydyttäviä tuloksia, sillä se on ±1 °C:n tarkkuudella tarkka 0 °C:n ja +100 °C:n välillä. Se on riippuvainen yhdestä materiaalivakiosta β, joka voidaan saada mittauksin. Yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Jossa R(T) on vastus lämpötilassa T kelvineinä, R(T0) on vertailupiste lämpötilassa T0. Betan kaava vaatii kahden pisteen kalibroinnin, eikä se tyypillisesti ole tarkempi kuin ±5 °C NTC-termistorin koko hyötyalueella.

Steinhart-Hartin yhtälö

Paras tähän mennessä tunnettu approksimaatio on Steinhart-Hartin kaava, joka julkaistiin vuonna 1968:

Missä ln R on resistanssin luonnollinen logaritmi lämpötilassa T kelvineinä ja A, B ja C ovat kokeellisista mittauksista johdettuja kertoimia. Termistorien valmistajat julkaisevat nämä kertoimet yleensä osana tietolomaketta. Steinhart-Hartin kaavan tarkkuus on tyypillisesti noin ±0,15 °C alueella -50 °C:sta +150 °C:seen, mikä riittää useimpiin sovelluksiin. Jos tarvitaan suurempaa tarkkuutta, lämpötila-aluetta on pienennettävä ja saavutettavissa on parempi kuin ±0,01 °C:n tarkkuus 0 °C:n ja +100 °C:n välillä.

Oikean approksimaation valinta

Lämpötilan johtamiseen vastusmittauksesta käytettävän kaavan valinnan on perustuttava käytettävissä olevaan laskentatehoon sekä todellisiin toleranssivaatimuksiin. Joissakin sovelluksissa ensimmäisen kertaluvun approksimaatio on enemmän kuin riittävä, kun taas toisissa edes Steinhart-Hartin yhtälö ei täytä vaatimuksia, ja termistori on kalibroitava piste kerrallaan, tehtävä suuri määrä mittauksia ja luotava hakutaulukko.

NTC-termistorien rakenne ja ominaisuudet

NTC-vastusten valmistuksessa käytetään tyypillisesti platinaa, nikkeliä, kobolttia, rautaa ja piioksideja, joita käytetään puhtaina alkuaineina tai keraameina ja polymeereinä. NTC-lämpövastukset voidaan luokitella kolmeen ryhmään käytetyn valmistusprosessin mukaan.

Hiutaletermistorit

Nämä NTC-termistorit on valmistettu platinaseoksesta valmistetuista lyijylangoista, jotka on sintrattu suoraan keraamiseen runkoon. Ne tarjoavat yleensä nopeat vasteajat, paremman vakauden ja mahdollistavat toiminnan korkeammissa lämpötiloissa kuin levy- ja siru-NTC-anturit, mutta ne ovat kuitenkin hauraampia. Ne on tavallista sulkea lasiin, jotta ne voidaan suojata mekaanisilta vaurioilta kokoonpanon aikana ja parantaa niiden mittausvakautta. Tyypilliset koot ovat halkaisijaltaan 0,075 – 5 mm.

Kiekko- ja sirulämpöanturit

Näissä NTC-lämpöantureissa on metalloidut pintakontaktit. Ne ovat suurempia, minkä vuoksi niiden reaktioajat ovat hitaampia kuin helmityyppisten NTC-vastusten. Kokonsa vuoksi niillä on kuitenkin suurempi häviövakio (teho, joka tarvitaan nostamaan niiden lämpötilaa 1 °C:lla), ja koska termistorin hukkaama teho on verrannollinen virran neliöön, ne kestävät suurempia virtoja paljon paremmin kuin helmityyppiset termistorit. Levytyyppiset termistorit valmistetaan puristamalla oksidijauheiden seos pyöreään muottiin, joka sitten sintrataan korkeissa lämpötiloissa. Sirut valmistetaan yleensä teippivaluprosessilla, jossa materiaalilietettä levitetään paksuna kalvona, kuivataan ja leikataan muotoonsa. Tyypilliset koot ovat halkaisijaltaan 0,25-25 mm.

Lasikapseloidut NTC-termistorit

Nämä ovat NTC-lämpötila-antureita, jotka on suljettu ilmatiiviiseen lasikuplaan. Ne on suunniteltu käytettäväksi yli 150 °C:n lämpötiloissa tai painetun piirilevyn asennukseen, kun kestävyys on välttämätöntä. Termistorin kapselointi lasiin parantaa anturin vakautta sekä suojaa anturia ympäristöltä. Ne valmistetaan sulkemalla helmityyppiset NTC-vastukset ilmatiiviisti lasisäiliöön. Tyypilliset koot ovat halkaisijaltaan 0,4-10 mm.

Tyypilliset sovellukset

NTC-termistoreja käytetään monenlaisissa sovelluksissa. Niitä käytetään lämpötilan mittaamiseen, lämpötilan säätöön ja lämpötilan kompensointiin. Niitä voidaan käyttää myös nesteen poissaolon tai läsnäolon havaitsemiseen, virranrajoituslaitteina virtalähdepiireissä, lämpötilanvalvontaan autosovelluksissa ja paljon muuta. NTC-anturit voidaan jakaa kolmeen ryhmään sen mukaan, mitä sähköistä ominaisuutta sovelluksessa hyödynnetään.

Vastus-lämpötila-ominaisuus

Vastus-aika-ominaisuuteen perustuvia sovelluksia ovat mm. lämpötilan mittaus, ohjaus ja kompensointi. Näihin kuuluvat myös tilanteet, joissa NTC-termistoria käytetään siten, että NTC-lämpötila-anturin lämpötila on yhteydessä johonkin muuhun fysikaaliseen ilmiöön. Tämä sovellusryhmä edellyttää, että termistori toimii nollavirtatilassa, mikä tarkoittaa, että sen läpi kulkeva virta pidetään mahdollisimman pienenä, jotta vältetään anturin lämpeneminen.

Virta-aika-ominaisuus

Virta-aika-ominaisuuteen perustuvia sovelluksia ovat: aikaviive, syöksyvirran rajoittaminen, ylijännitesuojaus ja monet muut. Nämä ominaisuudet liittyvät käytetyn NTC-termistorin lämpökapasiteettiin ja häviövakioon. Piiri perustuu yleensä siihen, että NTC-termistori lämpenee sen läpi kulkevan virran vuoksi. Jossain vaiheessa se laukaisee jonkinlaisen muutoksen piirissä riippuen sovelluksesta, jossa sitä käytetään.

Jännite-virta-ominaisuus

Termistorin jännite-virta-ominaisuuteen perustuvissa sovelluksissa on yleensä kyse ympäristöolosuhteiden muutoksista tai piirin vaihteluista, jotka johtavat muutoksiin toimintapisteessä piirin tietyllä käyrällä. Sovelluksesta riippuen tätä voidaan käyttää virran rajoittamiseen, lämpötilakompensointiin tai lämpötilamittauksiin.

NTC-termistorin symboli