O que são termistores NTC?

NTC significa “Negative Temperature Coefficient” (Coeficiente de Temperatura Negativo). Os termistores NTC são resistências com um coeficiente de temperatura negativa, o que significa que a resistência diminui com o aumento da temperatura. São utilizados principalmente como sensores resistivos de temperatura e dispositivos limitadores de corrente. O coeficiente de sensibilidade à temperatura é cerca de cinco vezes maior que o dos sensores de temperatura de silício (silistores) e cerca de dez vezes maior que o dos sensores de temperatura de resistência (RTDs). Os sensores NTC são tipicamente usados em uma faixa de -55°C a 200°C.

A não linearidade da relação entre resistência e temperatura exibida pelos resistores NTC representou um grande desafio ao usar circuitos analógicos para medir a temperatura com precisão, mas o rápido desenvolvimento de circuitos digitais resolveu esse problema permitindo o cálculo de valores precisos através da interpolação de tabelas de pesquisa ou pela resolução de equações que se aproximam de uma curva NTC típica.

Definição do termistor NTC

Um termistor NTC é um resistor termicamente sensível cuja resistência exibe uma grande, precisa e previsível diminuição à medida que a temperatura do núcleo do resistor aumenta na faixa de temperatura de operação.

Características dos termistores NTC

DTs não semelhantes (Detectores de Temperatura de Resistência), que são feitos de metais, os termistores NTC são geralmente feitos de cerâmica ou polímeros. Diferentes materiais utilizados resultam em diferentes respostas de temperatura, assim como outras características.

Resposta de temperatura

Embora a maioria dos termistores NTC sejam tipicamente adequados para uso dentro de uma faixa de temperatura entre -55°C e 200°C, onde dão suas leituras mais precisas, existem famílias especiais de termistores NTC que podem ser usados em temperaturas próximas a zero absoluto (-273,15°C), assim como aqueles projetados especificamente para uso acima de 150°C.

A sensibilidade de temperatura de um sensor NTC é expressa como “variação percentual por grau C. Dependendo dos materiais utilizados e das especificidades do processo de produção, os valores típicos de sensibilidade de temperatura variam de -3% a -6% por °C.

Característica da curva NTC

Como pode ser visto na figura, os termistores NTC têm uma inclinação de resistência-temperatura muito mais acentuada em comparação com os RTDs de liga de platina, o que se traduz em melhor sensibilidade à temperatura. Mesmo assim, os RTDs continuam sendo os sensores mais precisos com sua precisão sendo ±0,5% da temperatura medida, e são úteis na faixa de temperatura entre -200°C e 800°C, uma faixa muito maior do que a dos sensores de temperatura NTC.

Comparação com outros sensores de temperatura

Comparação com RTDs, os NTCs têm um tamanho menor, resposta mais rápida, maior resistência ao choque e à vibração a um custo menor. Eles são ligeiramente menos precisos que os RTDs. Quando comparados aos termopares, a precisão obtida de ambos é semelhante; no entanto, os termopares podem suportar temperaturas muito altas (na ordem de 600°C) e são utilizados em tais aplicações em vez dos termistores NTC, onde por vezes são referidos como pirómetros. Mesmo assim, os termístores NTC fornecem maior sensibilidade, estabilidade e precisão do que os termopares a temperaturas mais baixas e são utilizados com menos circuitos adicionais e, portanto, a um custo total mais baixo. O custo é adicionalmente reduzido pela falta de necessidade de circuitos de condicionamento de sinal (amplificadores, tradutores de nível, etc.) que são frequentemente necessários quando se lida com RTDs e sempre necessários para termopares.

Self – efeito de aquecimento

O efeito de auto-aquecimento é um fenômeno que ocorre sempre que há uma corrente fluindo através do termistor NTC. Como o termistor é basicamente um resistor, ele dissipa energia como calor quando há uma corrente fluindo através dele. Este calor é gerado no núcleo do termístor e afeta a precisão das medidas. A extensão em que isto acontece depende da quantidade de corrente fluindo, do ambiente (se é um líquido ou um gás, se há algum fluxo sobre o sensor NTC e assim por diante), do coeficiente de temperatura do termistor, da área total do termistor e assim por diante. O fato de que a resistência do sensor NTC e, portanto, a corrente através dele depende do ambiente é freqüentemente usada em detectores de presença de líquidos como aqueles encontrados em tanques de armazenamento.

Capacidade de calor

A capacidade de calor representa a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura do termistor em 1°C e é geralmente expressa em mJ/°C. Saber a capacidade precisa de calor é de grande importância quando se usa um sensor de termistor NTC como um dispositivo limitador de corrente de arranque, pois define a velocidade de resposta do sensor de temperatura NTC.

Selecção e cálculo da curva

O processo de selecção cuidadoso deve ter em conta a Constante de Dissipação do termistor, Constante de Tempo Térmico, Valor de Resistência, Curva Resistência-Temperatura e Tolerâncias, para mencionar os factores mais importantes.

Desde que a relação entre resistência e temperatura (a curva R-T) é altamente não linear, certas aproximações têm que ser utilizadas em projetos práticos de sistemas.

Primeira aproximação de ordem

Uma aproximação, e a mais simples de usar, é a aproximação de primeira ordem que afirma que:

Onde k é o coeficiente de temperatura negativa, ΔT é a diferença de temperatura, e ΔR é a mudança de resistência resultante da mudança de temperatura. Esta aproximação de primeira ordem só é válida para uma faixa de temperatura muito estreita, e só pode ser usada para tais temperaturas onde k é quase constante em toda a faixa de temperatura.

Fórmula Beta

Outra equação dá resultados satisfatórios, sendo precisa a ±1°C na faixa de 0°C a +100°C. Depende de uma única constante de material β que pode ser obtida por medições. A equação pode ser escrita como:

Onde R(T) é a resistência à temperatura T em Kelvin, R(T0) é um ponto de referência à temperatura T0. A fórmula Beta requer uma calibração de dois pontos, e normalmente não é mais precisa que ±5°C em toda a faixa útil do termistor NTC.

Equação de Steinhart-Hart

A melhor aproximação conhecida até hoje é a fórmula de Steinhart-Hart, publicada em 1968:

Onde ln R é o logaritmo natural da resistência à temperatura T em Kelvin, e A, B e C são coeficientes derivados de medições experimentais. Estes coeficientes são geralmente publicados pelos fornecedores de termistores como parte da folha de dados. A fórmula de Steinhart-Hart é tipicamente precisa em torno de ±0,15°C na faixa de -50°C a +150°C, o que é bastante para a maioria das aplicações. Se for necessária uma precisão superior, a faixa de temperatura deve ser reduzida e uma precisão melhor que ±0,01°C na faixa de 0°C a +100°C é alcançável.

Escolhendo a aproximação certa

A escolha da fórmula usada para derivar a temperatura da medição da resistência precisa ser baseada na potência computacional disponível, bem como nos requisitos de tolerância reais. Em algumas aplicações, uma aproximação de primeira ordem é mais do que suficiente, enquanto em outras nem mesmo a equação de Steinhart-Hart preenche os requisitos, e o termistor tem que ser calibrado ponto por ponto, fazendo um grande número de medições e criando uma tabela de pesquisa.

Construção e propriedades dos termistores NTC

Os materiais normalmente envolvidos na fabricação dos resistores NTC são platina, níquel, cobalto, ferro e óxidos de silício, usados como elementos puros ou como cerâmicas e polímeros. Os termistores NTC podem ser classificados em três grupos, dependendo do processo de produção utilizado.

Temperistores de esferas

Estes termistores NTC são feitos de fios de chumbo de liga de platina directamente sinterizados no corpo cerâmico. Eles geralmente oferecem tempos de resposta rápidos, melhor estabilidade e permitem o funcionamento a temperaturas mais elevadas do que os sensores Disco e Chip NTC, no entanto, são mais frágeis. É comum vedá-los em vidro, para protegê-los de danos mecânicos durante a montagem e para melhorar sua estabilidade de medição. Os tamanhos típicos variam de 0,075 – 5mm de diâmetro.

termistoresDisk e Chip

Estes termistores NTC têm contatos de superfície metalizados. Eles são maiores e, como resultado, têm tempos de reação mais lentos do que os resistores NTC do tipo grânulo. Entretanto, devido ao seu tamanho, eles têm uma constante de dissipação maior (potência necessária para elevar sua temperatura em 1°C) e como a potência dissipada pelo termistor é proporcional ao quadrado da corrente, eles podem lidar com correntes mais altas muito melhor do que os termistores tipo talão. Os termistores do tipo disco são feitos pressionando uma mistura de pós de óxido em um molde redondo, que são então sinterizados a altas temperaturas. Os chips são geralmente fabricados por um processo de fundição de fita onde uma lama de material é espalhada como uma película espessa, seca e cortada em forma. Os tamanhos típicos variam de 0,25-25mm de diâmetro.

Termistores NTC encapsulados em vidro

Estes são sensores de temperatura NTC selados em uma bolha de vidro hermética. Eles são projetados para uso com temperaturas acima de 150°C, ou para montagem em placas de circuito impresso, onde a robustez é uma necessidade. O encapsulamento de um termistor em vidro melhora a estabilidade do sensor, além de proteger o sensor do meio ambiente. Eles são feitos através da vedação hermética de resistências do tipo NTC em um recipiente de vidro. Os tamanhos típicos variam de 0,4-10mm de diâmetro.

Aplicações típicas

TemperistoresNTC são utilizados num amplo espectro de aplicações. Eles são usados para medir temperatura, controlar temperatura e para compensação de temperatura. Também podem ser usados para detectar a ausência ou presença de um líquido, como dispositivos limitadores de corrente em circuitos de alimentação, monitoramento de temperatura em aplicações automotivas e muito mais. Os sensores NTC podem ser divididos em três grupos, dependendo da característica elétrica explorada em uma aplicação.

Característica de resistência-temperatura

Aplicações baseadas na característica de resistência-temperatura incluem medição de temperatura, controle e compensação. Estas também incluem situações em que um termistor NTC é utilizado para que a temperatura do sensor de temperatura NTC esteja relacionada com alguns outros fenómenos físicos. Este grupo de aplicações requer que o termistor funcione em condição de potência zero, o que significa que a corrente através dele é mantida tão baixa quanto possível, para evitar o aquecimento da sonda.

Característica tempo-corrente

Aplicações baseadas na característica tempo-corrente são: atraso temporal, limitação da corrente de arranque, supressão de picos e muitas mais. Estas características estão relacionadas com a capacidade térmica e constante de dissipação do termistor NTC utilizado. O circuito geralmente depende do aquecimento do termistor NTC devido à corrente que o atravessa. Em um ponto ele irá desencadear algum tipo de mudança no circuito, dependendo da aplicação em que é usado.

Característica de tensão-corrente

Aplicações baseadas na característica tensão-corrente de um termistor geralmente envolvem mudanças nas condições ambientais ou variações do circuito que resultam em mudanças no ponto de operação em uma determinada curva do circuito. Dependendo da aplicação, isto pode ser usado para limitação de corrente, compensação de temperatura ou medições de temperatura.

Símbolo do termistorNTC