Co to są termistory NTC?

NTC to skrót od „Negative Temperature Coefficient”. Termistory NTC są rezystorami o ujemnym współczynniku temperaturowym, co oznacza, że rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury. Są one stosowane głównie jako rezystancyjne czujniki temperatury i urządzenia ograniczające prąd. Współczynnik czułości temperaturowej jest około pięć razy większy niż w przypadku krzemowych czujników temperatury (silistorów) i około dziesięć razy większy niż w przypadku rezystancyjnych czujników temperatury (RTD). Czujniki NTC są zwykle stosowane w zakresie od -55°C do 200°C.

Nieliniowość zależności między rezystancją a temperaturą wykazywana przez rezystory NTC stanowiła duże wyzwanie przy stosowaniu obwodów analogowych do dokładnego pomiaru temperatury, ale szybki rozwój obwodów cyfrowych rozwiązał ten problem, umożliwiając obliczanie dokładnych wartości przez interpolację tablic wskaźników lub przez rozwiązywanie równań przybliżających typową krzywą NTC.

Definicja termistora NTC

Termistor NTC jest termoczułym rezystorem, którego rezystancja wykazuje duży, precyzyjny i przewidywalny spadek wraz ze wzrostem temperatury rdzenia rezystora w zakresie temperatur roboczych.

Charakterystyka termistorów NTC

W przeciwieństwie do RTD (rezystancyjnych czujników temperatury), które są wykonane z metali, termistory NTC są zazwyczaj wykonane z ceramiki lub polimerów. Różne użyte materiały powodują różne odpowiedzi temperaturowe, jak również inne charakterystyki.

Odpowiedź temperaturowa

Pomimo, że większość termistorów NTC nadaje się do użytku w zakresie temperatur od -55°C do 200°C, gdzie dają najbardziej precyzyjne odczyty, istnieją specjalne rodziny termistorów NTC, które mogą być używane w temperaturach zbliżających się do zera absolutnego (-273,15°C), jak również te specjalnie zaprojektowane do użytku powyżej 150°C.

Czułość temperaturowa czujnika NTC jest wyrażana jako „zmiana procentowa na stopień C. W zależności od użytych materiałów i specyfiki procesu produkcyjnego, typowe wartości czułości temperaturowej wahają się od -3% do -6% na °C.

Charakterystyczna krzywa NTC

Jak widać na rysunku, termistory NTC mają znacznie bardziej strome nachylenie rezystancji-temperatury w porównaniu do RTD ze stopu platyny, co przekłada się na lepszą czułość temperaturową. Mimo to, RTD pozostają najdokładniejszymi czujnikami z dokładnością ±0,5% mierzonej temperatury i są przydatne w zakresie temperatur od -200°C do 800°C, znacznie szerszym niż zakres czujników temperatury NTC.

Porównanie z innymi czujnikami temperatury

W porównaniu z RTD, NTC mają mniejsze rozmiary, szybszą odpowiedź, większą odporność na wstrząsy i wibracje przy niższym koszcie. Są one nieco mniej precyzyjne niż RTD. W porównaniu z termoparami, precyzja uzyskiwana z obu jest podobna; jednak termopary mogą wytrzymać bardzo wysokie temperatury (rzędu 600°C) i są używane w takich zastosowaniach zamiast termistorów NTC, gdzie są czasami nazywane pirometrami. Mimo to, termistory NTC zapewniają większą czułość, stabilność i dokładność niż termopary w niższych temperaturach i są używane z mniejszą ilością dodatkowych obwodów, a zatem przy niższym koszcie całkowitym. Koszt jest dodatkowo obniżony przez brak potrzeby stosowania obwodów kondycjonowania sygnału (wzmacniaczy, translatorów poziomu itp.), które są często potrzebne w przypadku RTD i zawsze są potrzebne w przypadku termopar.

Efekt samonagrzewania

Efekt samonagrzewania jest zjawiskiem, które ma miejsce zawsze, gdy przez termistor NTC przepływa prąd. Ponieważ termistor jest w zasadzie rezystorem, rozprasza on energię w postaci ciepła, gdy płynie przez niego prąd. Ciepło to jest generowane w rdzeniu termistora i wpływa na precyzję pomiarów. Zakres, w jakim to się dzieje, zależy od ilości przepływającego prądu, środowiska (czy jest to ciecz czy gaz, czy jest jakiś przepływ nad czujnikiem NTC i tak dalej), współczynnika temperaturowego termistora, całkowitej powierzchni termistora i tak dalej. Fakt, że rezystancja czujnika NTC, a zatem prąd przez niego płynący, zależy od środowiska, jest często wykorzystywany w czujnikach obecności cieczy, takich jak te znajdujące się w zbiornikach magazynowych.

Pojemność cieplna

Pojemność cieplna reprezentuje ilość ciepła wymaganą do podniesienia temperatury termistora o 1°C i jest zwykle wyrażana w mJ/°C. Znajomość dokładnej pojemności cieplnej ma ogromne znaczenie w przypadku stosowania czujnika termistorowego NTC jako urządzenia ograniczającego prąd rozruchowy, ponieważ określa ona szybkość reakcji czujnika temperatury NTC.

Dobór krzywej i obliczenia

W procesie starannego doboru należy zwrócić uwagę na stałą rozpraszania termistora, stałą czasową termiczną, wartość rezystancji, krzywą rezystancja-temperatura i tolerancje, aby wymienić najważniejsze czynniki.

Ponieważ zależność pomiędzy rezystancją a temperaturą (krzywa R-T) jest wysoce nieliniowa, w projektach praktycznych układów należy stosować pewne przybliżenia.

Przybliżenie pierwszego rzędu

Jednym z przybliżeń i najprostszym do zastosowania jest przybliżenie pierwszego rzędu, które mówi, że:

Gdzie k jest ujemnym współczynnikiem temperaturowym, ΔT jest różnicą temperatur, a ΔR jest zmianą rezystancji wynikającą ze zmiany temperatury. To przybliżenie pierwszego rzędu jest ważne tylko dla bardzo wąskiego zakresu temperatur i może być stosowane tylko dla takich temperatur, w których k jest prawie stałe w całym zakresie temperatur.

Wzór Beta

Inne równanie daje zadowalające wyniki, będąc dokładnym do ±1°C w zakresie od 0°C do +100°C. Jest ono zależne od jednej stałej materiałowej β, którą można uzyskać na drodze pomiarów. Równanie może być zapisane jako:

Gdzie R(T) jest rezystancją w temperaturze T w Kelwinach, R(T0) jest punktem odniesienia w temperaturze T0. Wzór Beta wymaga dwupunktowej kalibracji i zwykle nie jest dokładniejszy niż ±5°C w całym użytecznym zakresie termistora NTC.

Równanie Steinharta-Harta

Najlepszym znanym do tej pory przybliżeniem jest wzór Steinharta-Harta, opublikowany w 1968 roku:

Gdzie ln R jest logarytmem naturalnym rezystancji w temperaturze T w Kelwinach, a A, B i C są współczynnikami uzyskanymi z pomiarów eksperymentalnych. Współczynniki te są zwykle publikowane przez sprzedawców termistorów jako część arkusza danych. Wzór Steinharta-Harta jest zazwyczaj dokładny do około ±0.15°C w zakresie od -50°C do +150°C, co jest wystarczające dla większości zastosowań. Jeśli wymagana jest wyższa dokładność, zakres temperatury musi zostać zmniejszony i dokładność lepsza niż ±0,01°C w zakresie od 0°C do +100°C jest osiągalna.

Wybór właściwego przybliżenia

Wybór wzoru używanego do wyprowadzenia temperatury z pomiaru rezystancji musi być oparty na dostępnej mocy obliczeniowej, jak również na rzeczywistych wymaganiach dotyczących tolerancji. W niektórych zastosowaniach przybliżenie pierwszego rzędu jest więcej niż wystarczające, podczas gdy w innych nawet równanie Steinharta-Harta nie spełnia wymagań, a termistor musi być kalibrowany punkt po punkcie, wykonując dużą liczbę pomiarów i tworząc tabelę odnośników.

Konstrukcja i właściwości termistorów NTC

Materiałami typowo zaangażowanymi w wytwarzanie rezystorów NTC są platyna, nikiel, kobalt, żelazo i tlenki krzemu, stosowane jako czyste elementy lub jako ceramika i polimery. Termistory NTC można podzielić na trzy grupy, w zależności od zastosowanego procesu produkcyjnego.

Termistory koralikowe

Te termistory NTC są wykonane z drutów ołowianych ze stopu platyny bezpośrednio spiekanych w korpusie ceramicznym. Generalnie oferują one szybkie czasy odpowiedzi, lepszą stabilność i umożliwiają pracę w wyższych temperaturach niż czujniki Disk i Chip NTC, jednak są bardziej kruche. Powszechne jest zamykanie ich w szkle, aby chronić je przed uszkodzeniami mechanicznymi podczas montażu oraz aby poprawić ich stabilność pomiarową. Typowe rozmiary mieszczą się w zakresie 0,075 – 5mm średnicy.

Termistory dyskowe i chipowe

Te termistory NTC mają metalizowane styki powierzchniowe. Są one większe i w rezultacie mają wolniejsze czasy reakcji niż rezystory NTC typu koralikowego. Jednak ze względu na swój rozmiar mają wyższą stałą dyssypacji (moc wymagana do podniesienia ich temperatury o 1°C), a ponieważ moc rozpraszana przez termistor jest proporcjonalna do kwadratu prądu, mogą one obsługiwać większe prądy znacznie lepiej niż termistory typu koralikowego. Termistory dyskowe są wytwarzane poprzez wtłaczanie mieszanki proszków tlenkowych do okrągłej matrycy, które są następnie spiekane w wysokiej temperaturze. Chipy są zazwyczaj wytwarzane w procesie odlewania taśmowego, w którym zawiesina materiału jest rozprowadzana jako gruba warstwa, suszona i cięta na kształt. Typowe rozmiary mieszczą się w zakresie 0,25-25 mm średnicy.

Termistory NTC w obudowie szklanej

Są to czujniki temperatury NTC zamknięte w hermetycznej bańce szklanej. Przeznaczone są do pracy w temperaturach powyżej 150°C lub do montażu na płytkach drukowanych, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość. Zamknięcie termistora w szkle poprawia stabilność czujnika, jak również chroni czujnik przed wpływem środowiska. Są one wykonane przez hermetyczne zamknięcie rezystorów NTC typu koralikowego w szklanym pojemniku. Typowe rozmiary zawierają się w przedziale 0,4-10mm średnicy.

Typowe zastosowania

Termistory NTC są używane w szerokim spektrum aplikacji. Służą do pomiaru temperatury, kontroli temperatury oraz do kompensacji temperatury. Mogą być również używane do wykrywania braku lub obecności cieczy, jako urządzenia ograniczające prąd w obwodach zasilania, monitorowania temperatury w aplikacjach samochodowych i wielu innych. Czujniki NTC można podzielić na trzy grupy, w zależności od charakterystyki elektrycznej wykorzystywanej w danej aplikacji.

Charakterystyka rezystancyjno-temperaturowa

Zastosowania oparte na charakterystyce rezystancyjno-czasowej obejmują pomiar, sterowanie i kompensację temperatury. Obejmują one również sytuacje, w których termistor NTC jest stosowany w taki sposób, że temperatura czujnika temperatury NTC jest związana z jakimś innym zjawiskiem fizycznym. Ta grupa zastosowań wymaga, aby termistor pracował w stanie zerowego zasilania, co oznacza, że prąd przez niego płynący jest utrzymywany na jak najniższym poziomie, aby uniknąć nagrzewania sondy.

Charakterystyka prądowo-czasowa

Zastosowania oparte na charakterystyce prądowo-czasowej to: opóźnienie czasowe, ograniczanie prądu rozruchowego, tłumienie przepięć i wiele innych. Charakterystyki te są związane z pojemnością cieplną i stałą dyssypacji zastosowanego termistora NTC. Układ zazwyczaj opiera się na nagrzewaniu się termistora NTC z powodu przepływającego przez niego prądu. W pewnym momencie spowoduje to jakąś zmianę w obwodzie, w zależności od aplikacji, w której jest używany.

Charakterystyka napięciowo-prądowa

Aplikacje oparte na charakterystyce napięciowo-prądowej termistora zazwyczaj obejmują zmiany warunków otoczenia lub zmiany obwodu, które powodują zmiany punktu pracy na danej krzywej w obwodzie. W zależności od zastosowania, może to być wykorzystywane do ograniczania prądu, kompensacji temperatury lub pomiaru temperatury.

Symbol termistora NTC

.