Cosa sono i termistori NTC?

NTC sta per “Negative Temperature Coefficient”. I termistori NTC sono resistenze con un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che la resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura. Sono utilizzati principalmente come sensori di temperatura resistivi e dispositivi di limitazione di corrente. Il coefficiente di sensibilità alla temperatura è circa cinque volte superiore a quello dei sensori di temperatura al silicio (silistori) e circa dieci volte superiore a quello dei rilevatori di temperatura a resistenza (RTD). I sensori NTC sono tipicamente usati in una gamma da -55°C a 200°C.

La non linearità della relazione tra resistenza e temperatura esibita dai resistori NTC ha posto una grande sfida quando si usavano circuiti analogici per misurare accuratamente la temperatura, ma il rapido sviluppo dei circuiti digitali ha risolto questo problema permettendo il calcolo di valori precisi interpolando tabelle di lookup o risolvendo equazioni che approssimano una tipica curva NTC.

Definizione di termistore NTC

Un termistore NTC è un resistore termosensibile la cui resistenza mostra una grande, precisa e prevedibile diminuzione all’aumentare della temperatura del nucleo del resistore nell’intervallo di temperatura operativa.

Caratteristiche dei termistori NTC

A differenza degli RTD (Resistance Temperature Detectors), che sono fatti di metalli, i termistori NTC sono generalmente fatti di ceramica o polimeri. Diversi materiali utilizzati danno come risultato diverse risposte di temperatura, così come altre caratteristiche.

Risposta alla temperatura

Mentre la maggior parte dei termistori NTC sono tipicamente adatti per l’uso in un intervallo di temperatura tra -55°C e 200°C, dove danno le loro letture più precise, ci sono famiglie speciali di termistori NTC che possono essere utilizzati a temperature vicine allo zero assoluto (-273,15°C) così come quelli specificamente progettati per l’uso sopra 150°C.

La sensibilità alla temperatura di un sensore NTC è espressa come “variazione percentuale per grado C. A seconda dei materiali utilizzati e delle specifiche del processo di produzione, i valori tipici delle sensibilità alla temperatura vanno da -3% a -6% per °C.

Curva caratteristica NTC

Come si può vedere dalla figura, i termistori NTC hanno una pendenza resistenza-temperatura molto più ripida rispetto agli RTD in lega di platino, che si traduce in una migliore sensibilità alla temperatura. Anche così, gli RTD rimangono i sensori più precisi con la loro precisione di ±0,5% della temperatura misurata, e sono utili nell’intervallo di temperatura tra -200°C e 800°C, un intervallo molto più ampio di quello dei sensori di temperatura NTC.

Confronto con altri sensori di temperatura

Paragonati agli RTD, gli NTC hanno una dimensione più piccola, una risposta più veloce, una maggiore resistenza agli urti e alle vibrazioni a un costo inferiore. Sono leggermente meno precisi degli RTD. Rispetto alle termocoppie, la precisione ottenuta da entrambe è simile; tuttavia le termocoppie possono resistere a temperature molto elevate (dell’ordine di 600°C) e sono utilizzate in tali applicazioni al posto dei termistori NTC, dove a volte sono indicati come pirometri. Anche così, i termistori NTC forniscono maggiore sensibilità, stabilità e precisione rispetto alle termocoppie a temperature più basse e sono utilizzati con meno circuiti aggiuntivi e quindi con un costo totale inferiore. Il costo è ulteriormente abbassato dalla mancanza di necessità di circuiti di condizionamento del segnale (amplificatori, traduttori di livello, ecc.) che sono spesso necessari quando si tratta di RTD e sempre necessari per le termocoppie.

Effetto auto-riscaldamento

L’effetto auto-riscaldamento è un fenomeno che si verifica ogni volta che c’è una corrente che scorre attraverso il termistore NTC. Poiché il termistore è fondamentalmente un resistore, dissipa potenza come calore quando c’è una corrente che lo attraversa. Questo calore si genera nel nucleo del termistore e influisce sulla precisione delle misure. La misura in cui questo accade dipende dalla quantità di corrente che scorre, dall’ambiente (se è un liquido o un gas, se c’è un flusso sul sensore NTC e così via), dal coefficiente di temperatura del termistore, dalla superficie totale del termistore e così via. Il fatto che la resistenza del sensore NTC e quindi la corrente che lo attraversa dipende dall’ambiente è spesso utilizzato nei rilevatori di presenza di liquidi come quelli che si trovano nei serbatoi di stoccaggio.

Capacità termica

La capacità termica rappresenta la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura del termistore di 1°C ed è solitamente espressa in mJ/°C. Conoscere la capacità termica precisa è di grande importanza quando si usa un sensore a termistore NTC come limitatore di corrente di spunto, poiché definisce la velocità di risposta del sensore NTC temp.

Selezione e calcolo della curva

L’attento processo di selezione deve prendere in considerazione la costante di dissipazione del termistore, la costante di tempo termica, il valore della resistenza, la curva resistenza-temperatura e le tolleranze, per menzionare i fattori più importanti.

Siccome la relazione tra la resistenza e la temperatura (la curva R-T) è altamente non lineare, alcune approssimazioni devono essere utilizzate nei progetti di sistemi pratici.

Approssimazione del primo ordine

Una approssimazione, la più semplice da usare, è l’approssimazione del primo ordine che afferma che:

dove k è il coefficiente di temperatura negativo, ΔT è la differenza di temperatura, e ΔR è la variazione di resistenza risultante dal cambiamento di temperatura. Questa approssimazione di primo ordine è valida solo per un intervallo di temperatura molto stretto, e può essere utilizzata solo per temperature in cui k è quasi costante in tutto l’intervallo di temperatura.

Formula Beta

Un’altra equazione dà risultati soddisfacenti, essendo precisa a ±1°C nell’intervallo da 0°C a +100°C. Dipende da un’unica costante materiale β che può essere ottenuta tramite misurazioni. L’equazione può essere scritta come:

dove R(T) è la resistenza alla temperatura T in Kelvin, R(T0) è un punto di riferimento alla temperatura T0. La formula Beta richiede una calibrazione a due punti, ed è tipicamente non più accurata di ±5°C sull’intera gamma utile del termistore NTC.

Equazione Steinhart-Hart

La migliore approssimazione conosciuta fino ad oggi è la formula Steinhart-Hart, pubblicata nel 1968:

Dove ln R è il logaritmo naturale della resistenza alla temperatura T in Kelvin, e A, B e C sono coefficienti derivati da misure sperimentali. Questi coefficienti sono di solito pubblicati dai venditori di termistori come parte della scheda tecnica. La formula di Steinhart-Hart è tipicamente accurata a circa ±0.15°C nell’intervallo da -50°C a +150°C, che è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. Se è richiesta un’accuratezza superiore, l’intervallo di temperatura deve essere ridotto e si può ottenere un’accuratezza migliore di ±0,01°C nell’intervallo da 0°C a +100°C.

Scegliere la giusta approssimazione

La scelta della formula usata per derivare la temperatura dalla misura della resistenza deve essere basata sulla potenza di calcolo disponibile, così come sui requisiti effettivi di tolleranza. In alcune applicazioni, un’approssimazione del primo ordine è più che sufficiente, mentre in altre nemmeno l’equazione di Steinhart-Hart soddisfa i requisiti, e il termistore deve essere calibrato punto per punto, facendo un gran numero di misurazioni e creando una tabella di ricerca.

Costruzione e proprietà dei termistori NTC

I materiali tipicamente coinvolti nella fabbricazione dei resistori NTC sono platino, nichel, cobalto, ferro e ossidi di silicio, usati come elementi puri o come ceramiche e polimeri. I termistori NTC possono essere classificati in tre gruppi, a seconda del processo di produzione utilizzato.

Termistori a sfera

Questi termistori NTC sono fatti con fili di piombo in lega di platino direttamente sinterizzati nel corpo di ceramica. Generalmente offrono tempi di risposta veloci, una migliore stabilità e permettono il funzionamento a temperature più elevate rispetto ai sensori NTC a disco e a chip, tuttavia sono più fragili. È comune sigillarli nel vetro, per proteggerli dai danni meccanici durante l’assemblaggio e per migliorare la loro stabilità di misura. Le dimensioni tipiche vanno da 0,075 a 5 mm di diametro.

Termistori a disco e a chip

Questi termistori NTC hanno contatti di superficie metallizzati. Sono più grandi, e di conseguenza hanno tempi di reazione più lenti dei resistori NTC di tipo bead. Tuttavia, a causa delle loro dimensioni, hanno una costante di dissipazione più alta (potenza richiesta per aumentare la loro temperatura di 1°C) e poiché la potenza dissipata dal termistore è proporzionale al quadrato della corrente, possono gestire correnti più elevate molto meglio dei termistori a sfera. I termistori a disco sono fatti premendo una miscela di polveri di ossido in uno stampo rotondo, che vengono poi sinterizzati ad alte temperature. I chip sono di solito fabbricati con un processo di fusione a nastro in cui uno slurry di materiale viene steso come un film spesso, asciugato e tagliato in forma. Le dimensioni tipiche vanno da 0.25-25mm di diametro.

Termistori NTC incapsulati in vetro

Sono sensori di temperatura NTC sigillati in una bolla di vetro ermetica. Sono progettati per l’uso con temperature superiori a 150°C, o per il montaggio su circuiti stampati, dove la robustezza è un must. Incapsulando un termistore nel vetro si migliora la stabilità del sensore, oltre a proteggerlo dall’ambiente. Sono fatti sigillando ermeticamente resistenze NTC di tipo bead in un contenitore di vetro. Le dimensioni tipiche vanno da 0,4 a 10 mm di diametro.

Applicazioni tipiche

I termistori NTC sono utilizzati in un ampio spettro di applicazioni. Sono utilizzati per misurare la temperatura, controllare la temperatura e per la compensazione della temperatura. Possono anche essere utilizzati per rilevare l’assenza o la presenza di un liquido, come dispositivi di limitazione della corrente nei circuiti di alimentazione, monitoraggio della temperatura nelle applicazioni automobilistiche e molti altri. I sensori NTC possono essere divisi in tre gruppi, a seconda della caratteristica elettrica sfruttata in un’applicazione.

Caratteristica resistenza-temperatura

Le applicazioni basate sulla caratteristica resistenza-tempo includono la misura, il controllo e la compensazione della temperatura. Queste includono anche situazioni in cui un termistore NTC viene utilizzato in modo che la temperatura del sensore NTC sia correlata a qualche altro fenomeno fisico. Questo gruppo di applicazioni richiede che il termistore operi in una condizione di potenza zero, il che significa che la corrente che lo attraversa è mantenuta più bassa possibile, per evitare il riscaldamento della sonda.

Caratteristica corrente-tempo

Applicazioni basate sulla caratteristica corrente-tempo sono: ritardo, limitazione della corrente di spunto, soppressione dei picchi e molte altre. Queste caratteristiche sono legate alla capacità termica e alla costante di dissipazione del termistore NTC utilizzato. Il circuito di solito si basa sul riscaldamento del termistore NTC a causa della corrente che lo attraversa. Ad un certo punto si innescherà una sorta di cambiamento nel circuito, a seconda dell’applicazione in cui viene utilizzato.

Caratteristica tensione-corrente

Le applicazioni basate sulla caratteristica tensione-corrente di un termistore comportano generalmente cambiamenti nelle condizioni ambientali o variazioni del circuito che portano a cambiamenti nel punto operativo su una data curva nel circuito. A seconda dell’applicazione, questo può essere utilizzato per la limitazione della corrente, la compensazione della temperatura o la misurazione della temperatura.

Simbolo del termistore NTC