Mi az NTC termisztor?

NTC a “Negatív hőmérsékleti együttható” rövidítése. Az NTC termisztorok negatív hőmérsékleti együtthatóval rendelkező ellenállások, ami azt jelenti, hogy az ellenállás a hőmérséklet növekedésével csökken. Elsősorban ellenállásos hőmérsékletérzékelőként és áramkorlátozó eszközként használják őket. A hőmérséklet-érzékenységi együtthatójuk körülbelül ötször nagyobb, mint a szilícium hőmérséklet-érzékelőké (szilisztoroké) és körülbelül tízszer nagyobb, mint az ellenállásos hőmérséklet-érzékelőké (RTD-ké). Az NTC-érzékelőket általában -55°C és 200°C közötti tartományban használják.

Az NTC-ellenállások által az ellenállás és a hőmérséklet között mutatott kapcsolat nemlinearitása nagy kihívást jelentett, amikor analóg áramköröket használtak a hőmérséklet pontos mérésére, de a digitális áramkörök gyors fejlődése megoldotta ezt a problémát, lehetővé téve a pontos értékek kiszámítását keresőtáblák interpolálásával vagy a tipikus NTC-görbét közelítő egyenletek megoldásával.

NTC termisztor definíciója

Az NTC termisztor olyan hőérzékeny ellenállás, amelynek ellenállása nagy, pontos és kiszámítható csökkenést mutat az ellenállás maghőmérsékletének növekedésével az üzemi hőmérséklettartományban.

Az NTC termisztorok jellemzői

A fémekből készült RTD-kkel (ellenállás-hőmérsékletérzékelőkkel) ellentétben az NTC termisztorok általában kerámiából vagy polimerekből készülnek. A különböző felhasznált anyagok eltérő hőmérséklet-válaszokat, valamint egyéb jellemzőket eredményeznek.

Hőmérséklet-válasz

Míg a legtöbb NTC termisztor általában -55°C és 200°C közötti hőmérséklet-tartományban használható, ahol a legpontosabb leolvasást adják, az NTC termisztoroknak vannak olyan speciális családjai, amelyek az abszolút nullához (-273,15°C) közeli hőmérsékleten is használhatók, valamint vannak kifejezetten 150°C feletti használatra tervezettek.

Az NTC-érzékelő hőmérséklet-érzékenységét “C fokonként százalékos változásban fejezik ki. A felhasznált anyagoktól és a gyártási folyamat sajátosságaitól függően a hőmérséklet-érzékenység jellemző értékei -3% és -6% között mozognak °C-onként.

Jellegzetes NTC görbe

Amint az ábrán látható, az NTC termisztorok ellenállás-hőmérséklet meredeksége sokkal meredekebb a platinaötvözet RTD-khez képest, ami jobb hőmérsékletérzékenységet jelent. Ennek ellenére továbbra is az RTD-k a legpontosabb érzékelők, pontosságuk a mért hőmérséklet ±0,5%-a, és a -200°C és 800°C közötti hőmérséklet-tartományban használhatóak, ami sokkal szélesebb tartomány, mint az NTC hőmérséklet-érzékelőké.

Egyéb hőmérséklet-érzékelőkkel való összehasonlítás

A RTD-khez képest az NTC-k kisebb méretűek, gyorsabban reagálnak, jobban ellenállnak az ütéseknek és rezgéseknek, és olcsóbbak. Valamivel kevésbé pontosak, mint a RTD-k. A termoelemekkel összehasonlítva mindkettőből elérhető pontosság hasonló; a termoelemek azonban nagyon magas (600°C-os nagyságrendű) hőmérsékleteket képesek elviselni, és ilyen alkalmazásokban az NTC termisztorok helyett használják őket, ahol néha pirométereknek nevezik őket. Ennek ellenére az NTC termisztorok alacsonyabb hőmérsékleten is nagyobb érzékenységet, stabilitást és pontosságot biztosítanak, mint a termoelemek, és kevesebb kiegészítő áramkört használnak, ezért alacsonyabb összköltséggel. A költséget tovább csökkenti, hogy nincs szükség jelkondicionáló áramkörökre (erősítőkre, szintfordítókra stb.), amelyekre RTD-k esetén gyakran, termoelemek esetén pedig mindig szükség van.

Self – heating effect

Az önmelegítő hatás egy olyan jelenség, amely akkor következik be, amikor az NTC termisztoron áram folyik keresztül. Mivel a termisztor alapvetően egy ellenállás, hő formájában leadja a teljesítményt, amikor áram folyik rajta keresztül. Ez a hő a termisztor magjában keletkezik, és befolyásolja a mérések pontosságát. Hogy ez milyen mértékben történik, az függ az átfolyó áram mennyiségétől, a környezettől (folyadék vagy gáz, van-e áramlás az NTC-érzékelő felett stb.), a termisztor hőmérsékleti együtthatójától, a termisztor teljes felületétől stb. Azt a tényt, hogy az NTC-érzékelő ellenállása és így az azon áthaladó áram függ a környezettől, gyakran használják ki folyadék jelenlétének érzékelőiben, például a tárolótartályokban található érzékelőkben.

Hőkapacitás

A hőkapacitás a termisztor hőmérsékletének 1°C-kal való növeléséhez szükséges hőmennyiséget jelenti, és általában mJ/°C-ban fejezik ki. A pontos hőkapacitás ismerete nagy jelentőséggel bír, ha egy NTC termisztoros érzékelőt lökésáram-korlátozó eszközként használunk, mivel ez határozza meg az NTC hőmérsékletérzékelő válaszsebességét.

Görbe kiválasztása és számítása

A gondos kiválasztási folyamat során ügyelni kell a termisztor disszipációs állandójára, hőidőállandójára, ellenállás értékére, ellenállás-hőmérséklet görbéjére és a tűrésekre, hogy csak a legfontosabb tényezőket említsük.

Mivel az ellenállás és a hőmérséklet közötti kapcsolat (az R-T görbe) erősen nemlineáris, a gyakorlati rendszertervezésben bizonyos közelítéseket kell alkalmazni.

elsőrendű közelítés

Az egyik közelítés, és a legegyszerűbben használható, az elsőrendű közelítés, amely szerint:

Ahol k a negatív hőmérsékleti együttható, ΔT a hőmérsékletkülönbség, ΔR pedig a hőmérsékletváltozásból eredő ellenállásváltozás. Ez az elsőrendű közelítés csak egy nagyon szűk hőmérséklettartományra érvényes, és csak olyan hőmérsékletekre használható, ahol k a teljes hőmérséklettartományban közel állandó.

Béta-képlet

Egy másik egyenlet kielégítő eredményeket ad, a 0°C és +100°C közötti tartományban ±1°C pontosságú. Ez egyetlen β anyagállandótól függ, amelyet mérésekkel kaphatunk meg. Az egyenlet a következőképpen írható fel:

Ahol R(T) a T hőmérsékleten mért ellenállás Kelvinben, R(T0) a T0 hőmérsékleten mért referenciapont. A Beta képlet kétpontos kalibrálást igényel, és az NTC termisztor teljes hasznos tartományában jellemzően nem pontosabb ±5°C-nál.

Steinhart-Hart-egyenlet

Az eddig ismert legjobb közelítés az 1968-ban közzétett Steinhart-Hart-egyenlet:

Ahol ln R az ellenállás természetes logaritmusa T hőmérsékleten Kelvinben, A, B és C pedig kísérleti mérésekből származó együtthatók. Ezeket az együtthatókat a termisztorgyártók általában az adatlap részeként teszik közzé. A Steinhart-Hart-képlet jellemzően ±0,15°C pontosságú a -50°C és +150°C közötti tartományban, ami a legtöbb alkalmazáshoz elegendő. Ha nagyobb pontosságra van szükség, a hőmérséklet-tartományt csökkenteni kell, és a 0°C és +100°C közötti tartományban ±0,01°C-nál jobb pontosság érhető el.

A megfelelő közelítés kiválasztása

A hőmérsékletnek az ellenállásmérésből történő levezetésére használt képlet kiválasztása a rendelkezésre álló számítási teljesítményen, valamint a tényleges tűrési követelményeken kell alapuljon. Egyes alkalmazásokban egy elsőrendű közelítés bőven elegendő, míg más alkalmazásokban még a Steinhart-Hart-egyenlet sem felel meg a követelményeknek, és a termisztort pontról pontra kalibrálni kell, nagyszámú mérést végezve és egy keresőtáblát létrehozva.

NTC termisztorok felépítése és tulajdonságai

Az NTC ellenállások gyártásában jellemzően felhasznált anyagok: platina, nikkel, kobalt, kobalt, vas és szilícium-oxidok, amelyeket tiszta elemként vagy kerámiaként és polimerként használnak. Az NTC termisztorok az alkalmazott gyártási eljárástól függően három csoportba sorolhatók.

Bead termisztorok

Ezek az NTC termisztorok közvetlenül a kerámia testbe szinterezett platina ötvözetű ólomhuzalokból készülnek. Általában gyors válaszidőt, jobb stabilitást és magasabb hőmérsékleten való működést tesznek lehetővé, mint a lemezes és chipes NTC-érzékelők, azonban törékenyebbek. Gyakori, hogy üvegbe zárják őket, hogy megvédjék őket a mechanikai sérülésektől a szerelés során, és hogy javítsák a mérési stabilitásukat. A tipikus méretek 0,075 – 5 mm átmérőjűek.

Disk és Chip termisztorok

Ezek az NTC termisztorok fémezett felületi érintkezőkkel rendelkeznek. Nagyobbak, és ennek következtében lassabb reakcióidővel rendelkeznek, mint a gyöngy típusú NTC ellenállások. Méretük miatt azonban nagyobb a disszipációs állandójuk (a hőmérsékletük 1°C-kal történő emeléséhez szükséges teljesítmény), és mivel a termisztor által leadott teljesítmény az áram négyzetével arányos, sokkal jobban bírják a nagyobb áramerősségeket, mint a gyöngy típusú termisztorok. A korong típusú termisztorok úgy készülnek, hogy oxidporok keverékét préselik egy kerek formába, amelyet aztán magas hőmérsékleten szintereznek. A chipeket általában szalagöntési eljárással állítják elő, ahol az anyagból készült iszapot vastag filmként szétterítik, megszárítják és formára vágják. A tipikus méretek 0,25-25 mm átmérőjűek.

Üvegkapszulás NTC termisztorok

Ezek az NTC hőmérsékletérzékelők légmentesen lezárt üvegbuborékba zárva. Ezeket 150°C feletti hőmérsékleten való használatra tervezték, vagy nyomtatott áramköri lapra szereléshez, ahol a robusztusságra van szükség. A termisztor üvegbe zárása javítja az érzékelő stabilitását, valamint védi az érzékelőt a környezettől. Úgy készülnek, hogy a gyöngy típusú NTC ellenállásokat hermetikusan lezárják egy üvegtartályba. A tipikus méretek 0,4-10 mm átmérőjűek.

Típusos alkalmazások

Az NTC termisztorokat az alkalmazások széles spektrumában használják. Alkalmazzák őket hőmérsékletmérésre, hőmérsékletszabályozásra és hőmérséklet-kompenzációra. Használhatók továbbá folyadék hiányának vagy jelenlétének érzékelésére, áramkorlátozó eszközként áramellátó áramkörökben, hőmérséklet-ellenőrzésre autóipari alkalmazásokban és még sok másra. Az NTC-érzékelők három csoportra oszthatók, attól függően, hogy milyen elektromos jellemzőt használnak ki az adott alkalmazásban.

ellenállás-hőmérséklet karakterisztika

Az ellenállás-idő karakterisztikán alapuló alkalmazások közé tartozik a hőmérséklet mérése, szabályozása és kompenzálása. Ezek közé tartoznak azok a helyzetek is, amelyekben egy NTC termisztort használnak úgy, hogy az NTC hőmérséklet-érzékelő hőmérséklete valamilyen más fizikai jelenséghez kapcsolódik. Az alkalmazások ezen csoportja megköveteli, hogy a termisztor nulla teljesítményű állapotban működjön, ami azt jelenti, hogy a rajta áthaladó áramot a lehető legalacsonyabban kell tartani, hogy elkerüljük a szonda melegedését.

Áram-idő karakterisztika

Az áram-idő karakterisztikán alapuló alkalmazások: időkésleltetés, bemeneti áramkorlátozás, túlfeszültség-elnyomás és még sok más. Ezek a jellemzők az alkalmazott NTC termisztor hőkapacitásával és disszipációs állandójával függnek össze. Az áramkör általában arra támaszkodik, hogy az NTC termisztor a rajta áthaladó áram miatt felmelegszik. Egy ponton ez valamilyen változást vált ki az áramkörben, attól függően, hogy milyen alkalmazásban használják.

Feszültség-áram karakterisztika

A termisztor feszültség-áram karakterisztikáján alapuló alkalmazások általában a környezeti feltételek vagy az áramköri variációk változásával járnak, amelyek az áramkör egy adott görbéjének működési pontjának változását eredményezik. Az alkalmazástól függően ez felhasználható áramkorlátozásra, hőmérséklet-kompenzációra vagy hőmérsékletmérésre.

NTC termisztor szimbólum