Qu’est-ce qu’une thermistance NTC ?

NTC signifie « Coefficient de température négatif ». Les thermistances NTC sont des résistances à coefficient de température négatif, ce qui signifie que la résistance diminue lorsque la température augmente. Elles sont principalement utilisées comme capteurs de température résistifs et dispositifs de limitation du courant. Le coefficient de sensibilité à la température est environ cinq fois supérieur à celui des capteurs de température en silicium (silistors) et environ dix fois supérieur à celui des détecteurs de température à résistance (RTD). Les capteurs NTC sont généralement utilisés dans une plage allant de -55°C à 200°C.

La non-linéarité de la relation entre la résistance et la température présentée par les résistances NTC a posé un grand défi lors de l’utilisation de circuits analogiques pour mesurer précisément la température, mais le développement rapide des circuits numériques a résolu ce problème permettant le calcul de valeurs précises en interpolant des tables de consultation ou en résolvant des équations qui se rapprochent d’une courbe NTC typique.

Définition de la thermistance CTN

Une thermistance CTN est une résistance thermosensible dont la résistance présente une diminution importante, précise et prévisible lorsque la température du cœur de la résistance augmente sur la plage de température de fonctionnement.

Caractéristiques des thermistances CTN

Contrairement aux RTD (Resistance Temperature Detectors), qui sont fabriqués à partir de métaux, les thermistances CTN sont généralement fabriquées en céramique ou en polymère. Les différents matériaux utilisés donnent lieu à des réponses en température différentes, ainsi qu’à d’autres caractéristiques.

Réponse en température

Alors que la plupart des thermistances NTC sont généralement adaptées à une utilisation dans une plage de température comprise entre -55°C et 200°C, où elles donnent leurs lectures les plus précises, il existe des familles spéciales de thermistances NTC qui peuvent être utilisées à des températures proches du zéro absolu (-273,15°C), ainsi que celles spécifiquement conçues pour une utilisation au-dessus de 150°C.

La sensibilité à la température d’un capteur CTN est exprimée en « pourcentage de changement par degré C ». Selon les matériaux utilisés et les spécificités du processus de production, les valeurs typiques des sensibilités à la température vont de -3% à -6% par °C.

Courbe caractéristique CTN

Comme on peut le voir sur la figure, les thermistances CTN ont une pente résistance-température beaucoup plus raide par rapport aux RTD en alliage de platine, ce qui se traduit par une meilleure sensibilité à la température. Malgré cela, les RTD restent les capteurs les plus précis, leur précision étant de ±0,5% de la température mesurée, et ils sont utiles dans la plage de température comprise entre -200°C et 800°C, une plage beaucoup plus large que celle des capteurs de température NTC.

Comparaison avec les autres capteurs de température

Par rapport aux RTD, les NTC ont une taille plus petite, une réponse plus rapide, une plus grande résistance aux chocs et aux vibrations à un coût inférieur. Ils sont légèrement moins précis que les RTD. Par rapport aux thermocouples, la précision obtenue par les deux est similaire ; toutefois, les thermocouples peuvent supporter des températures très élevées (de l’ordre de 600°C) et sont utilisés dans de telles applications à la place des thermistances CTN, où ils sont parfois appelés pyromètres. Malgré cela, les thermistances NTC offrent une sensibilité, une stabilité et une précision supérieures à celles des thermocouples à des températures plus basses et sont utilisées avec moins de circuits supplémentaires et donc à un coût total inférieur. Le coût est en outre abaissé par l’absence de besoin de circuits de conditionnement du signal (amplificateurs, traducteurs de niveau, etc.) qui sont souvent nécessaires lorsqu’on a affaire à des RTD et toujours nécessaires pour les thermocouples.

Effet d’auto-échauffement

L’effet d’auto-échauffement est un phénomène qui se produit chaque fois qu’un courant circule dans la thermistance NTC. Comme la thermistance est fondamentalement une résistance, elle dissipe de l’énergie sous forme de chaleur lorsqu’elle est traversée par un courant. Cette chaleur est générée dans le noyau de la thermistance et affecte la précision des mesures. L’ampleur de ce phénomène dépend de la quantité de courant qui circule, de l’environnement (liquide ou gaz, présence ou non d’un flux sur le capteur CTN, etc.), du coefficient de température de la thermistance, de la surface totale de la thermistance, etc. Le fait que la résistance du capteur CTN et donc le courant qui le traverse dépendent de l’environnement est souvent utilisé dans les détecteurs de présence de liquide tels que ceux que l’on trouve dans les réservoirs de stockage.

Capacité thermique

La capacité thermique représente la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de la thermistance de 1°C et est généralement exprimée en mJ/°C. La connaissance de la capacité thermique précise est d’une grande importance lors de l’utilisation d’un capteur à thermistance CTN comme dispositif de limitation du courant d’appel, car elle définit la vitesse de réponse du capteur de température CTN.

Sélection et calcul de la courbe

Le processus de sélection minutieux doit prendre soin de la constante de dissipation, de la constante de temps thermique, de la valeur de résistance, de la courbe résistance-température et des tolérances de la thermistance, pour mentionner les facteurs les plus importants.

Puisque la relation entre la résistance et la température (la courbe R-T) est hautement non linéaire, certaines approximations doivent être utilisées dans les conceptions de systèmes pratiques.

Approximation de premier ordre

Une approximation, et la plus simple à utiliser, est l’approximation de premier ordre qui stipule que:

Où k est le coefficient de température négatif, ΔT est la différence de température, et ΔR est le changement de résistance résultant du changement de température. Cette approximation du premier ordre n’est valable que pour une plage de température très étroite, et ne peut être utilisée que pour de telles températures où k est presque constant sur toute la plage de température.

Formule bêta

Une autre équation donne des résultats satisfaisants, étant précise à ±1°C sur la plage de 0°C à +100°C. Elle dépend d’une seule constante de matériau β qui peut être obtenue par des mesures. L’équation peut être écrite comme:

Où R(T) est la résistance à la température T en Kelvin, R(T0) est un point de référence à la température T0. La formule de Beta nécessite un étalonnage en deux points, et elle n’est généralement pas plus précise que ±5°C sur toute la gamme utile de la thermistance CTN.

Équation de Steinhart-Hart

La meilleure approximation connue à ce jour est la formule de Steinhart-Hart, publiée en 1968:

Où ln R est le logarithme naturel de la résistance à la température T en Kelvin, et A, B et C sont des coefficients dérivés de mesures expérimentales. Ces coefficients sont généralement publiés par les vendeurs de thermistances dans le cadre de la fiche technique. La formule de Steinhart-Hart est généralement précise à environ ±0,15°C sur la plage de -50°C à +150°C, ce qui est suffisant pour la plupart des applications. Si une précision supérieure est requise, la plage de température doit être réduite et une précision meilleure que ±0,01°C sur la plage de 0°C à +100°C est réalisable.

Choisir la bonne approximation

Le choix de la formule utilisée pour dériver la température à partir de la mesure de résistance doit être basé sur la puissance de calcul disponible, ainsi que sur les exigences réelles de tolérance. Dans certaines applications, une approximation du premier ordre est plus que suffisante, tandis que dans d’autres, même l’équation de Steinhart-Hart ne répond pas aux exigences, et la thermistance doit être étalonnée point par point, en effectuant un grand nombre de mesures et en créant une table de correspondance.

Construction et propriétés des thermistances CTN

Les matériaux généralement impliqués dans la fabrication des résistances CTN sont le platine, le nickel, le cobalt, le fer et les oxydes de silicium, utilisés comme éléments purs ou comme céramiques et polymères. Les thermistances CTN peuvent être classées en trois groupes, en fonction du procédé de fabrication utilisé.

Thermistors en forme de perles

Ces thermistances CTN sont fabriquées à partir de fils conducteurs en alliage de platine directement frittés dans le corps en céramique. Elles offrent généralement des temps de réponse rapides, une meilleure stabilité et permettent de fonctionner à des températures plus élevées que les capteurs CTN à disque et à puce, mais elles sont plus fragiles. Il est courant de les sceller dans du verre, afin de les protéger des dommages mécaniques lors de l’assemblage et d’améliorer leur stabilité de mesure. Les tailles typiques vont de 0,075 à 5mm de diamètre.

Thermistances à disque et à puce

Ces thermistances NTC ont des contacts de surface métallisés. Elles sont plus grandes et, par conséquent, ont des temps de réaction plus lents que les résistances NTC de type perle. Cependant, en raison de leur taille, elles ont une constante de dissipation plus élevée (puissance requise pour élever leur température de 1°C) et comme la puissance dissipée par la thermistance est proportionnelle au carré du courant, elles peuvent gérer des courants plus élevés bien mieux que les thermistances de type perle. Les thermistances de type disque sont fabriquées en pressant un mélange de poudres d’oxyde dans une matrice ronde, qui sont ensuite frittées à haute température. Les puces sont généralement fabriquées par un processus de coulage de bande où une boue de matériau est étalée sous forme de film épais, séchée et découpée en forme. Les tailles typiques vont de 0,25 à 25 mm de diamètre.

Thermistors NTC encapsulés en verre

Ce sont des capteurs de température NTC scellés dans une bulle de verre étanche à l’air. Ils sont conçus pour une utilisation avec des températures supérieures à 150°C, ou pour un montage sur circuit imprimé, où la robustesse est de mise. L’encapsulation d’une thermistance dans du verre améliore la stabilité du capteur, tout en le protégeant de l’environnement. Ils sont fabriqués en scellant hermétiquement des résistances NTC de type perle dans un récipient en verre. Les tailles typiques vont de 0,4 à 10 mm de diamètre.

Applications typiques

Les thermistances NTC sont utilisées dans un large éventail d’applications. Elles sont utilisées pour mesurer la température, contrôler la température et pour la compensation de température. Elles peuvent également être utilisées pour détecter l’absence ou la présence d’un liquide, comme dispositifs de limitation du courant dans les circuits d’alimentation, pour la surveillance de la température dans les applications automobiles et bien d’autres encore. Les capteurs CTN peuvent être divisés en trois groupes, en fonction de la caractéristique électrique exploitée dans une application.

Caractéristique résistance-température

Les applications basées sur la caractéristique résistance-temps comprennent la mesure, le contrôle et la compensation de la température. Elles comprennent également des situations dans lesquelles une thermistance CTN est utilisée de sorte que la température du capteur de température CTN est liée à un autre phénomène physique. Ce groupe d’applications exige que la thermistance fonctionne dans une condition de puissance nulle, ce qui signifie que le courant qui la traverse est maintenu aussi bas que possible, pour éviter de chauffer la sonde.

Caractéristique courant-temps

Les applications basées sur la caractéristique courant-temps sont : la temporisation, la limitation du courant d’appel, la suppression des surtensions et bien d’autres. Ces caractéristiques sont liées à la capacité thermique et à la constante de dissipation de la thermistance NTC utilisée. Le circuit repose généralement sur le réchauffement de la thermistance NTC en raison du courant qui la traverse. À un moment donné, il déclenchera une sorte de changement dans le circuit, selon l’application dans laquelle il est utilisé.

Caractéristique tension-courant

Les applications basées sur la caractéristique tension-courant d’une thermistance impliquent généralement des changements dans les conditions environnementales ou des variations du circuit qui entraînent des changements dans le point de fonctionnement sur une courbe donnée dans le circuit. Selon l’application, cela peut être utilisé pour limiter le courant, compenser la température ou mesurer la température.

Symbole de thermistance NTC

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