NTCサーミスタとは

NTCとは、「Negative Temperature Coefficient」の略称です。 NTCサーミスタは負の温度係数を持つ抵抗器であり、温度が高くなると抵抗値が小さくなる。 主に抵抗温度センサーや電流制限デバイスとして使用されます。 温度感応係数は、シリコン温度センサー（シリスタ）の約5倍、抵抗温度センサー（RTD）の約10倍である。 NTCセンサは、通常-55℃から200℃の範囲で使用される。

NTC抵抗器は、抵抗値と温度との関係が非線形であるため、アナログ回路で正確に温度を測定する場合には大きな問題となったが、デジタル回路の急速な発達により、ルックアップテーブルを補間する方法や典型的なNTC曲線に近似した数式で精密値を算出することが可能になり、その問題は解決された。

NTC サーミスタの定義

NTC サーミスタは、動作温度範囲において、抵抗器の中心温度が上昇すると抵抗値が大きく、正確に、予測可能に減少する熱に敏感な抵抗器である。

Temperature response

NTC サーミスタの多くは、通常、最も正確な測定値が得られる -55°C～200°C の温度範囲での使用に適していますが、絶対ゼロ (-273.15°C) に近い温度で使用できる NTC サーミスタや、特に 150°C 以上で使用できる特殊なファミリーも存在します。

NTCセンサーの温度感度は「1℃あたりの変化率」で表されます。使用する材料や製造プロセスの仕様にもよりますが、温度感度の一般的な値は1℃あたり-3%～-6%の範囲です。

特徴的なNTC曲線

図からわかるように、NTCサーミスタは白金合金RTDと比べて抵抗温度の傾斜がより急で、これは温度感度が良いことに通じます。 それでも、RTDの精度は測定温度の±0.5%と最も正確なセンサであることに変わりはなく、NTC温度センサよりもはるかに広い範囲である-200℃～800℃の温度範囲で使用できます。

他の温度センサとの比較

RTDと比較すると、小型で応答性に優れていて衝撃や振動に対して強く、安価であることがわかります。 RTDに比べ、精度は若干劣ります。 熱電対と比較すると、精度は同等ですが、熱電対は600℃程度の高温に耐えることができるため、NTCサーミスタの代わりにパイロメータと呼ばれることがあるほど、その用途に使用されています。 しかし、NTCサーミスタは、低温では熱電対よりも感度、安定性、精度が高く、追加回路が少ないため、トータルコストが低く抑えられる。 さらに、RTDではしばしば必要とされ、熱電対では必ず必要とされる信号調整回路（アンプ、レベル変換器など）が不要なことも、コスト低減に貢献しています。

Self – heating effect

自己発熱効果は、NTCサーミスタに電流が流れるたびに発生する現象で、NTCサーミスタはこの自己発熱効果により、熱電対に比べ、より高い感度と安定性を得ることができます。 サーミスタは基本的に抵抗器なので、電流が流れると熱として電力を放散します。 この熱はサーミスタのコアに発生し、測定の精度に影響を与える。 その程度は、流れる電流の量、環境（液体か気体か、NTCセンサーの上に流れがあるか、など）、サーミスタの温度係数、サーミスタの総面積などに依存する。 NTCセンサーの抵抗値、つまり流れる電流が環境に依存することは、貯蔵タンクなどに見られる液体の存在検知によく利用される。

熱容量

熱容量とは、サーミスタの温度を1℃上げるために必要な熱量を表し、通常mJ/℃で表される。

曲線の選択と計算

最も重要な要素を挙げると、サーミスタの散逸定数、熱時定数、抵抗値、抵抗-温度曲線、公差を注意深く選択する必要があります。

抵抗値と温度の関係(R-T曲線)は非線形性が強いので、実際のシステム設計ではある種の近似値を利用しなければならない。

一次近似

近似の1つで、使用するのが最も簡単なのは、次のように述べている一次近似です：

ここでkは負の温度係数、ΔTは温度差、ΔRは温度変化による抵抗変化量です。 この一次近似は非常に狭い温度範囲でのみ有効であり、kが全温度範囲を通じてほぼ一定であるような温度にしか使えない。

Beta formula

別の式は満足な結果を与え、0℃から+100℃の範囲で±1℃の精度がある。 これは、測定によって得られる単一の材料定数βに依存している。 式は次のように書ける：

ここでR(T)はケルビンで温度Tにおける抵抗値、R(T0)は温度T0における基準点である。 Beta式は2点校正を必要とし、NTCサーミスタの完全な有用範囲にわたって、通常±5℃より正確ではない。

Steinhart-Hart equation

現在までに知られている最良の近似は、1968年に発表したSteinhart-Hart式です：

ln Rは温度Tにおける抵抗値の自然対数（ケルビン）、A、B、Cは実験測定から得た係数である。 これらの係数は通常、サーミスタのベンダーがデータシートの一部として公表している。 スタインハート・ハート式は、通常-50℃から+150℃の範囲で約±0.15℃の精度を持ち、ほとんどの用途で十分な精度を持ちます。

Choosing the right approximation

The formula used to derive the temperature from the resistance measurement is need to be based on available computing power, as well as actual tolerance requirements.優れた精度が必要な場合、温度範囲を狭め、0℃～+100℃の範囲で±0.01℃以上の精度を達成することが必要です。 あるアプリケーションでは、一次近似で十分な場合もあれば、Steinhart-Hart式でも要件を満たせない場合もあり、サーミスタをポイントごとに校正し、多数の測定を行い、ルックアップテーブルを作成しなければならない。

NTCサーミスタの構造と特性

NTC抵抗器の製造に使われる材料は、白金、ニッケル、コバルト、鉄、シリコンの酸化物などで、純系、セラミックス、ポリマーとして使用されることが一般的です。 NTCサーミスタは、その製造方法によって3つのグループに分類されます。

ビーズサーミスタ

このNTCサーミスタは、白金合金のリード線を直接セラミック本体に焼結して作られている。 一般に、ディスク型やチップ型のNTCサーミスタよりも応答速度が速く、安定性に優れ、高温での動作が可能ですが、壊れやすいという欠点があります。 組み立て時の機械的な損傷から保護し、測定の安定性を高めるために、ガラスに封入することが一般的です。

Disk and Chip thermistor

NTCサーミスタの表面接点を金属化したものです。 ビーズタイプのNTCサーミスタに比べ、サイズが大きいため、反応速度が遅くなります。 しかし、サイズが大きい分、損失定数（温度を1℃上げるのに必要な電力）が大きく、サーミスタの損失電力は電流の2乗に比例するため、ビーズタイプのサーミスタよりも大電流を扱うことができます。 ディスク型サーミスタは、酸化物の粉末を丸い金型に入れ、高温で焼結したものである。 チップは通常、スラリー状の材料を厚膜状に広げて乾燥させ、形状に切り出すテープキャスティングプロセスで製造される。

Glass encapsulated NTC thermistor

NTC 温度センサーを気密ガラスの泡に封入したものです。 150℃を超える温度での使用や、プリント基板への実装など、堅牢性が要求される用途向けに設計されています。 サーミスタをガラスで封止することにより、センサの安定性が向上し、また、環境からセンサを保護することができます。 ビーズタイプのNTC抵抗器をガラス容器に気密封止したものである。

代表的なアプリケーション

NTC サーミスタは幅広いアプリケーションで使用されています。 温度測定、温度制御、温度補償に使用されます。 また、液体の有無の検出、電源回路の電流制限デバイス、自動車アプリケーションの温度監視などにも使用されます。 NTCセンサーは、用途に応じた電気的特性により、3つのグループに分類されます。

抵抗-温度特性

抵抗-時間特性を利用した用途には、温度測定、制御、補償などがあります。 また、NTCサーミスタの温度が他の物理現象に関係するように、NTCサーミスタが使用される状況も含まれる。

Current-time characteristic

Applications based on current-time characteristic is: Time delay, inrush current limiting, surge suppression and more many many uses. これらの特性は、使用するNTCサーミスタの熱容量と放熱定数に関係します。 回路は通常、NTCサーミスタを通過する電流によるNTCサーミスタの発熱に依存している。 ある時点で、それが使用されるアプリケーションに応じて、回路に何らかの変化を引き起こすことになります。

電圧-電流特性

サーミスタの電圧-電流特性に基づくアプリケーションは、一般に、環境条件の変化や回路の変動が、回路の所定の曲線上の動作点を変化させる結果になります。

NTC サーミスタシンボル