Wat zijn NTC thermistors?

NTC staat voor “Negative Temperature Coefficient. NTC-thermistors zijn weerstanden met een negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de weerstand afneemt bij toenemende temperatuur. Ze worden vooral gebruikt als resistieve temperatuursensoren en stroombegrenzers. De temperatuurgevoeligheidscoëfficiënt is ongeveer vijf keer groter dan die van siliciumtemperatuursensoren (silistors) en ongeveer tien keer groter dan die van weerstandstemperatuurdetectoren (RTD’s). NTC-sensoren worden meestal gebruikt in een bereik van -55°C tot 200°C.

De niet-lineariteit van de relatie tussen weerstand en temperatuur die door NTC-weerstanden wordt vertoond, vormde een grote uitdaging bij het gebruik van analoge schakelingen om nauwkeurig de temperatuur te meten, maar de snelle ontwikkeling van digitale schakelingen loste dat probleem op, waardoor nauwkeurige waarden kunnen worden berekend door lookup-tabellen te interpoleren of door vergelijkingen op te lossen die een typische NTC-curve benaderen.

de definitie van een NTC-thermistor

Een NTC-thermistor is een thermisch gevoelige weerstand waarvan de weerstand een grote, nauwkeurige en voorspelbare daling vertoont naarmate de kerntemperatuur van de weerstand over het bedrijfstemperatuurbereik toeneemt.

Karakteristieken van NTC-thermistors

In tegenstelling tot RTD’s (weerstandstemperatuurdetectors), die van metalen zijn gemaakt, zijn NTC-thermistors over het algemeen van keramiek of polymeren gemaakt. De verschillende gebruikte materialen resulteren in verschillende temperatuurreacties, evenals andere kenmerken.

Temperatuurreactie

De meeste NTC-thermistors zijn geschikt voor gebruik binnen een temperatuurbereik tussen -55°C en 200°C, waar ze hun nauwkeurigste meetwaarden geven, maar er zijn speciale families NTC-thermistors die kunnen worden gebruikt bij temperaturen die het absolute nulpunt (-273,15°C) benaderen, evenals die welke speciaal zijn ontworpen voor gebruik boven 150°C.

De temperatuurgevoeligheid van een NTC-sensor wordt uitgedrukt als “procentuele verandering per graad C. Afhankelijk van de gebruikte materialen en de bijzonderheden van het productieproces, variëren de typische waarden van de temperatuurgevoeligheid van -3% tot -6% per °C.

Karakteristieke NTC-curve

Zoals uit de figuur blijkt, hebben NTC-thermistors een veel steilere weerstand-temperatuurcurve vergeleken met RTD’s van platina-legering, wat zich vertaalt in een betere temperatuurgevoeligheid. Desondanks blijven RTD’s de nauwkeurigste sensoren met een nauwkeurigheid van ±0,5% van de gemeten temperatuur, en ze zijn bruikbaar in het temperatuurbereik tussen -200°C en 800°C, een veel groter bereik dan dat van NTC-temperatuursensoren.

Vergelijking met andere temperatuursensoren

Vergeleken met RTD’s zijn de NTC’s kleiner, reageren ze sneller, zijn ze beter bestand tegen schokken en trillingen en kosten ze minder. Zij zijn iets minder nauwkeurig dan RTD’s. In vergelijking met thermokoppels is de nauwkeurigheid van beide vergelijkbaar; thermokoppels zijn echter bestand tegen zeer hoge temperaturen (in de orde van 600°C) en worden in dergelijke toepassingen gebruikt in plaats van NTC-thermistors, waar ze soms pyrometers worden genoemd. Toch bieden NTC-thermistors bij lagere temperaturen een grotere gevoeligheid, stabiliteit en nauwkeurigheid dan thermokoppels en worden ze gebruikt met minder extra schakelingen en dus tegen lagere totale kosten. De kosten worden nog verder verlaagd doordat er geen signaalconditioneringscircuits (versterkers, niveauvertalers, enz.) nodig zijn, die bij RTD’s vaak wel en bij thermokoppels altijd nodig zijn.

Zelfopwarmend effect

Het zelfopwarmend effect is een verschijnsel dat optreedt wanneer er stroom door de NTC-thermistor loopt. Aangezien de thermistor in wezen een weerstand is, geeft hij stroom af in de vorm van warmte wanneer er een stroom doorheen loopt. Deze warmte wordt gegenereerd in de kern van de thermistor en beïnvloedt de nauwkeurigheid van de metingen. De mate waarin dit gebeurt, hangt af van de hoeveelheid stroom die er loopt, de omgeving (of het een vloeistof of een gas is, of er een stroom over de NTC-sensor loopt, enzovoort), de temperatuurcoëfficiënt van de thermistor, het totale oppervlak van de thermistor, enzovoort. Het feit dat de weerstand van de NTC-sensor en dus de stroom er doorheen afhankelijk is van de omgeving, wordt vaak gebruikt in vloeistofaanwezigheidsdetectoren zoals die in opslagtanks.

Warmtecapaciteit

De warmtecapaciteit geeft de hoeveelheid warmte weer die nodig is om de temperatuur van de thermistor met 1°C te doen stijgen en wordt gewoonlijk uitgedrukt in mJ/°C. Het kennen van de exacte warmtecapaciteit is van groot belang bij het gebruik van een NTC-temperatuursensor als inschakelstroombegrenzer, omdat het de responssnelheid van de NTC-temperatuursensor bepaalt.

Curveselectie en berekening

Bij de zorgvuldige selectie moet rekening worden gehouden met de dissipatieconstante, de thermische tijdconstante, de weerstandswaarde, de weerstand-temperatuurcurve en de toleranties van de thermistor, om de belangrijkste factoren te noemen.

Omdat het verband tussen weerstand en temperatuur (de R-T curve) zeer niet-lineair is, moeten bij het ontwerpen van praktische systemen bepaalde benaderingen worden toegepast.

Eerste-orde-benadering

Eén benadering, en de eenvoudigste om te gebruiken, is de eerste-orde-benadering die als volgt luidt:

Waarbij k de negatieve temperatuurcoëfficiënt is, ΔT het temperatuurverschil, en ΔR de weerstandsverandering als gevolg van de temperatuursverandering. Deze eerste-orde benadering geldt slechts voor een zeer klein temperatuurbereik, en kan alleen worden gebruikt voor temperaturen waarbij k over het gehele temperatuurbereik vrijwel constant is.

Beta-formule

Een andere vergelijking geeft bevredigende resultaten en is nauwkeurig tot ±1°C over het bereik van 0°C tot +100°C. Zij is afhankelijk van een enkele materiaalconstante β die door metingen kan worden verkregen. De vergelijking kan worden geschreven als:

Waar R(T) de weerstand is bij de temperatuur T in Kelvin, is R(T0) een referentiepunt bij temperatuur T0. De Beta-formule vereist een tweepuntskalibratie, en is gewoonlijk niet nauwkeuriger dan ±5°C over het volledige bruikbare bereik van de NTC-thermistor.

Steinhart-Hart-vergelijking

De beste benadering die tot op heden bekend is, is de Steinhart-Hart-formule, gepubliceerd in 1968:

Waarbij ln R de natuurlijke logaritme is van de weerstand bij temperatuur T in Kelvin, en A, B en C coëfficiënten zijn die zijn afgeleid van experimentele metingen. Deze coëfficiënten worden gewoonlijk door thermistorleveranciers gepubliceerd als onderdeel van het gegevensblad. De Steinhart-Hart formule is gewoonlijk nauwkeurig tot ongeveer ±0,15°C in het bereik van -50°C tot +150°C, wat voor de meeste toepassingen voldoende is. Als een grotere nauwkeurigheid vereist is, moet het temperatuurbereik worden verkleind en is een nauwkeurigheid van beter dan ±0,01°C over het bereik van 0°C tot +100°C haalbaar.

De juiste benadering kiezen

De keuze van de formule die wordt gebruikt om de temperatuur uit de weerstandsmeting af te leiden, moet worden gebaseerd op de beschikbare rekenkracht, alsmede op de feitelijke tolerantie-eisen. In sommige toepassingen is een eerste-orde benadering meer dan voldoende, terwijl in andere toepassingen zelfs de Stein-Hart vergelijking niet aan de eisen voldoet, en de thermistor punt voor punt moet worden gekalibreerd, waarbij een groot aantal metingen moet worden verricht en een opzoektabel moet worden gemaakt.

Bouw en eigenschappen van NTC-thermistors

Materialen die gewoonlijk bij de fabricage van NTC-weerstanden worden gebruikt zijn platina, nikkel, kobalt, ijzer en oxiden van silicium, gebruikt als zuivere elementen of als keramiek en polymeren. NTC-thermistors kunnen in drie groepen worden ingedeeld, afhankelijk van het toegepaste produktieprocédé.

Kogelthermistors

Deze NTC-thermistors worden gemaakt van looddraden van platina-legering die rechtstreeks in het keramische lichaam worden gesinterd. Zij bieden over het algemeen een snelle reactietijd, een betere stabiliteit en een werking bij hogere temperaturen dan NTC-schijf- en Chip-sensoren, maar zij zijn kwetsbaarder. Het is gebruikelijk ze in glas te verzegelen om ze te beschermen tegen mechanische schade tijdens de assemblage en om hun meetstabiliteit te verbeteren. De typische afmetingen variëren van 0,075 – 5 mm in diameter.

Disk en Chip thermistors

Deze NTC thermistors hebben gemetalliseerde oppervlaktecontacten. Zij zijn groter, en als resultaat hebben langzamere reactietijden dan NTC- weerstanden van het pareltype. Door hun grootte hebben ze echter een hogere dissipatieconstante (het vermogen dat nodig is om hun temperatuur met 1°C te doen stijgen) en aangezien het door de thermistor gedissipeerde vermogen evenredig is met het kwadraat van de stroom, kunnen ze hogere stromen veel beter aan dan thermistors van het type met kraal. Schijfvormige thermistors worden gemaakt door een mengsel van oxidepoeders in een ronde matrijs te persen, die vervolgens bij hoge temperaturen wordt gesinterd. Spaanders worden gewoonlijk vervaardigd door middel van een tape-gietprocédé, waarbij een slurry van materiaal als een dikke film wordt uitgesmeerd, gedroogd en in vorm gesneden. De typische afmetingen variëren van 0,25-25 mm in diameter.

Glass encapsulated NTC thermistors

Dit zijn NTC-temperatuursensoren die in een luchtdichte glazen bel zijn verzegeld. Ze zijn ontworpen voor gebruik bij temperaturen boven 150°C, of voor montage op printplaten, waarbij robuustheid een must is. Het inkapselen van een thermistor in glas verbetert de stabiliteit van de sensor, en beschermt de sensor tegen de omgeving. Ze worden gemaakt door NTC-weerstanden van het kraaltype hermetisch in een glazen omhulsel af te dichten. De typische grootte varieert van 0,4-10mm in diameter.

Typische toepassingen

NTC thermistors worden gebruikt in een breed spectrum van toepassingen. Zij worden gebruikt om temperatuur te meten, temperatuur te controleren en voor temperatuurcompensatie. Zij kunnen ook worden gebruikt om de afwezigheid of aanwezigheid van een vloeistof te detecteren, als stroombegrenzers in stroomtoevoerkringen, temperatuurbewaking in automobieltoepassingen en nog veel meer. NTC-sensoren kunnen in drie groepen worden verdeeld, afhankelijk van de elektrische karakteristiek die in een toepassing wordt gebruikt.

Weerstand-temperatuurkarakteristiek

Toepassingen op basis van de weerstand-temperatuurkarakteristiek zijn onder meer temperatuurmeting, -regeling en -compensatie. Hiertoe behoren ook situaties waarin een NTC-thermistor wordt gebruikt zodat de temperatuur van de NTC-temperatuursensor wordt gerelateerd aan een ander fysisch verschijnsel. Deze groep toepassingen vereist dat de thermistor in een nul-vermogenstoestand werkt, d.w.z. dat de stroom erdoor zo laag mogelijk wordt gehouden, om verwarming van de sonde te voorkomen.

Stroom-tijd karakteristiek

Toepassingen op basis van stroom-tijd karakteristiek zijn: tijdvertraging, inschakelstroombegrenzing, overspanningsonderdrukking en nog veel meer. Deze karakteristieken zijn gerelateerd aan de warmtecapaciteit en de dissipatieconstante van de gebruikte NTC-thermistor. De schakeling berust er gewoonlijk op dat de NTC-thermistor opwarmt als gevolg van de stroom die er doorheen loopt. Op een gegeven moment zal dit een of andere verandering in de schakeling teweegbrengen, afhankelijk van de toepassing waarin hij wordt gebruikt.

Voltage-stroom karakteristiek

Toepassingen die zijn gebaseerd op de spanning-stroom karakteristiek van een thermistor hebben in het algemeen te maken met veranderingen in de omgevingscondities of variaties in de schakeling die resulteren in veranderingen in het werkpunt op een bepaalde curve in de schakeling. Afhankelijk van de toepassing kan dit worden gebruikt voor stroombegrenzing, temperatuurcompensatie of temperatuurmetingen.

NTC thermistor symbool