Ce sunt termistoarele NTC?

NTC înseamnă „Coeficient negativ de temperatură”. Termistorii NTC sunt rezistențe cu un coeficient de temperatură negativ, ceea ce înseamnă că rezistența scade odată cu creșterea temperaturii. Ele sunt utilizate în principal ca senzori de temperatură rezistivi și dispozitive de limitare a curentului. Coeficientul de sensibilitate la temperatură este de aproximativ cinci ori mai mare decât cel al senzorilor de temperatură din siliciu (silistori) și de aproximativ zece ori mai mare decât cel al detectoarelor de temperatură cu rezistență (RTD). Senzorii NTC sunt utilizați în mod obișnuit într-un interval cuprins între -55°C și 200°C.

Nu-liniaritatea relației dintre rezistență și temperatură prezentată de rezistențele NTC a reprezentat o mare provocare atunci când se foloseau circuite analogice pentru a măsura cu precizie temperatura, dar dezvoltarea rapidă a circuitelor digitale a rezolvat această problemă permițând calcularea unor valori precise prin interpolarea tabelelor de căutare sau prin rezolvarea unor ecuații care aproximează o curbă NTC tipică.

Definiția termistorului NTC

Un termistor NTC este un rezistor termosensibil a cărui rezistență prezintă o scădere mare, precisă și previzibilă pe măsură ce temperatura miezului rezistorului crește în intervalul de temperatură de funcționare.

Caracteristicile termistoarelor NTC

În comparație cu RTD-urile (detectoare de temperatură cu rezistență), care sunt fabricate din metale, termistoarele NTC sunt în general fabricate din ceramică sau polimeri. Diferitele materiale utilizate determină răspunsuri diferite la temperatură, precum și alte caracteristici.

Răspunsul la temperatură

În timp ce majoritatea termistoarelor NTC sunt, de obicei, potrivite pentru utilizarea într-un interval de temperatură cuprins între -55°C și 200°C, unde oferă cele mai precise citiri, există familii speciale de termistoare NTC care pot fi utilizate la temperaturi apropiate de zero absolut (-273,15°C), precum și cele special concepute pentru utilizarea la temperaturi de peste 150°C.

Sensibilitatea la temperatură a unui senzor NTC este exprimată ca „variație procentuală pe grad C. În funcție de materialele utilizate și de specificul procesului de producție, valorile tipice ale sensibilității la temperatură variază între -3% și -6% pe °C.

Curba caracteristică NTC

După cum se poate observa din figură, termistoarele NTC au o pantă rezistență-temperatură mult mai abruptă în comparație cu RTD-urile din aliaj de platină, ceea ce se traduce printr-o sensibilitate mai bună la temperatură. Chiar și așa, RTD-urile rămân cei mai preciși senzori, acuratețea lor fiind de ±0,5% din temperatura măsurată și sunt utile în intervalul de temperatură cuprins între -200°C și 800°C, un interval mult mai larg decât cel al senzorilor de temperatură NTC.

Comparație cu alți senzori de temperatură

În comparație cu RTD-urile, NTC-urile au dimensiuni mai mici, un răspuns mai rapid, o rezistență mai mare la șocuri și vibrații, la un cost mai mic. Ele sunt puțin mai puțin precise decât RTD-urile. În comparație cu termocuplele, precizia obținută de ambele este similară; cu toate acestea, termocuplurile pot rezista la temperaturi foarte ridicate (de ordinul a 600°C) și sunt utilizate în astfel de aplicații în locul termistoarelor NTC, unde sunt denumite uneori pirometre. Chiar și așa, termistoarele NTC oferă o sensibilitate, o stabilitate și o precizie mai mari decât termocuplurile la temperaturi mai scăzute și sunt utilizate cu mai puține circuite suplimentare și, prin urmare, la un cost total mai mic. Costul este redus suplimentar prin lipsa necesității circuitelor de condiționare a semnalului (amplificatoare, traductoare de nivel etc.) care sunt deseori necesare atunci când este vorba de RTD-uri și întotdeauna necesare pentru termocuple.

Efectul de autoîncălzire

Efectul de autoîncălzire este un fenomen care are loc ori de câte ori există un curent care circulă prin termistorul NTC. Deoarece termistorul este practic o rezistență, acesta disipează energie sub formă de căldură atunci când există un curent care circulă prin el. Această căldură este generată în miezul termistorului și afectează precizia măsurătorilor. Măsura în care se întâmplă acest lucru depinde de cantitatea de curent care circulă, de mediul înconjurător (dacă este vorba de un lichid sau de un gaz, dacă există un flux peste senzorul NTC și așa mai departe), de coeficientul de temperatură al termistorului, de suprafața totală a termistorului și așa mai departe. Faptul că rezistența senzorului NTC și, prin urmare, curentul prin acesta depinde de mediul înconjurător este adesea utilizat în detectoarele de prezență a lichidelor, cum ar fi cele care se găsesc în rezervoarele de depozitare.

Capacitatea termică

Capacitatea termică reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura termistorului cu 1°C și este exprimată de obicei în mJ/°C. Cunoașterea precisă a capacității termice este de mare importanță atunci când se utilizează un senzor cu termistor NTC ca dispozitiv de limitare a curentului de pornire, deoarece definește viteza de răspuns a senzorului de temperatură NTC.

Selecția și calculul curbei

Procesul de selecție atent trebuie să aibă grijă de constanta de disipare a termistorului, constanta de timp termic, valoarea rezistenței, curba Rezistență-Temperatură și toleranțele, pentru a menționa cei mai importanți factori.

Din moment ce relația dintre rezistență și temperatură (curba R-T) este foarte neliniară, trebuie utilizate anumite aproximări în proiectele practice de sisteme.

Aproximația de ordinul întâi

Una aproximație, și cea mai simplă de utilizat, este aproximația de ordinul întâi care afirmă că:

Unde k este coeficientul de temperatură negativ, ΔT este diferența de temperatură și ΔR este modificarea rezistenței care rezultă din modificarea temperaturii. Această aproximație de ordinul întâi este valabilă numai pentru un interval de temperatură foarte îngust și poate fi utilizată numai pentru astfel de temperaturi în care k este aproape constant pe tot intervalul de temperatură.

Formula beta

O altă ecuație oferă rezultate satisfăcătoare, fiind precisă cu ±1°C pe intervalul de la 0°C la +100°C. Ea depinde de o singură constantă de material β, care poate fi obținută prin măsurători. Ecuația poate fi scrisă sub forma:

Unde R(T) este rezistența la temperatura T în Kelvin, R(T0) este un punct de referință la temperatura T0. Formula Beta necesită o calibrare în două puncte și, de obicei, nu este mai precisă decât ±5°C pe întreaga gamă utilă a termistorului NTC.

Ecuația Steinhart-Hart

Cea mai bună aproximație cunoscută până în prezent este formula Steinhart-Hart, publicată în 1968:

Unde ln R este logaritmul natural al rezistenței la temperatura T în Kelvin, iar A, B și C sunt coeficienți derivați din măsurători experimentale. Acești coeficienți sunt de obicei publicați de către vânzătorii de termistoare ca parte a fișei tehnice. Formula Steinhart-Hart are de obicei o precizie de aproximativ ±0,15°C în intervalul de la -50°C la +150°C, ceea ce este suficient pentru majoritatea aplicațiilor. Dacă este necesară o acuratețe superioară, intervalul de temperatură trebuie redus și se poate obține o acuratețe mai bună de ±0,01°C pe intervalul de la 0°C la +100°C.

Alegerea aproximației corecte

Elegerea formulei utilizate pentru a obține temperatura din măsurarea rezistenței trebuie să se bazeze pe puterea de calcul disponibilă, precum și pe cerințele reale de toleranță. În unele aplicații, o aproximare de ordinul întâi este mai mult decât suficientă, în timp ce în altele nici măcar ecuația Steinhart-Hart nu îndeplinește cerințele, iar termistorul trebuie calibrat punct cu punct, efectuând un număr mare de măsurători și creând un tabel de căutare.

Construcția și proprietățile termistoarelor NTC

Materialele implicate în mod obișnuit în fabricarea rezistențelor NTC sunt platina, nichelul, cobaltul, fierul și oxizii de siliciu, utilizate ca elemente pure sau ca ceramică și polimeri. Termistoarele NTC pot fi clasificate în trei grupe, în funcție de procesul de producție utilizat.

Termistoare cu bilă

Aceste termistori NTC sunt realizate din fire de plumb din aliaj de platină sinterizate direct în corpul ceramic. Aceștia oferă, în general, timpi de răspuns rapizi, o stabilitate mai bună și permit funcționarea la temperaturi mai ridicate decât senzorii NTC cu disc și cip, însă sunt mai fragili. Se obișnuiește să fie sigilați în sticlă, pentru a-i proteja de deteriorări mecanice în timpul asamblării și pentru a le îmbunătăți stabilitatea măsurătorilor. Dimensiunile tipice variază între 0,075 și 5 mm în diametru.

Termistori cu disc și cip

Aceste termistori NTC au contacte de suprafață metalizate. Ele sunt mai mari și, ca urmare, au timpi de reacție mai lenți decât rezistențele NTC de tip perlă. Cu toate acestea, din cauza dimensiunii lor, au o constantă de disipare mai mare (puterea necesară pentru a le crește temperatura cu 1°C) și, deoarece puterea disipată de termistor este proporțională cu pătratul curentului, acestea pot gestiona curenți mai mari mult mai bine decât termistorii de tip perlă. Termistoarele de tip disc sunt fabricate prin presarea unui amestec de pulberi de oxid într-o matriță rotundă, care sunt apoi sinterizate la temperaturi ridicate. Cipurile sunt, de obicei, fabricate printr-un proces de turnare pe bandă, în care o suspensie de material este întinsă ca o peliculă groasă, uscată și tăiată în formă. Dimensiunile tipice variază între 0,25 și 25 mm în diametru.

Termistori NTC încapsulați în sticlă

Eștia sunt senzori de temperatură NTC sigilați într-o bulă de sticlă ermetică. Aceștia sunt concepuți pentru utilizarea la temperaturi de peste 150°C sau pentru montarea pe plăci de circuite imprimate, unde robustețea este o necesitate. Încapsularea unui termistor în sticlă îmbunătățește stabilitatea senzorului și, de asemenea, protejează senzorul de mediul înconjurător. Acestea sunt realizate prin închiderea ermetică a rezistențelor NTC de tip perlă într-un recipient de sticlă. Dimensiunile tipice variază de la 0,4-10 mm în diametru.

Aplicații tipice

Termistoarele NTC sunt utilizate într-un spectru larg de aplicații. Ei sunt utilizați pentru măsurarea temperaturii, controlul temperaturii și pentru compensarea temperaturii. De asemenea, ele pot fi utilizate pentru a detecta absența sau prezența unui lichid, ca dispozitive de limitare a curentului în circuitele de alimentare, monitorizarea temperaturii în aplicațiile auto și multe altele. Senzorii NTC pot fi împărțiți în trei grupe, în funcție de caracteristica electrică exploatată într-o aplicație.

Caracteristica rezistență-temperatură

Aplicațiile bazate pe caracteristica rezistență-timp includ măsurarea, controlul și compensarea temperaturii. Acestea includ, de asemenea, situații în care se utilizează un termistor NTC astfel încât temperatura senzorului de temperatură NTC să fie legată de alte fenomene fizice. Acest grup de aplicații necesită ca termistorul să funcționeze într-o stare de putere zero, ceea ce înseamnă că curentul prin el este menținut cât mai mic posibil, pentru a evita încălzirea sondei.

Caracteristica curent-timp

Aplicațiile bazate pe caracteristica curent-timp sunt: temporizarea, limitarea curentului de pornire, suprimarea supratensiunii și multe altele. Aceste caracteristici sunt legate de capacitatea termică și de constanta de disipare a termistorului NTC utilizat. Circuitul se bazează de obicei pe încălzirea termistorului NTC din cauza curentului care trece prin el. La un moment dat, acesta va declanșa un fel de schimbare în circuit, în funcție de aplicația în care este utilizat.

Caracteristica tensiune-curent

Aplicațiile bazate pe caracteristica tensiune-curent a unui termistor implică, în general, modificări ale condițiilor de mediu sau variații ale circuitului care au ca rezultat modificări ale punctului de funcționare pe o anumită curbă din circuit. În funcție de aplicație, aceasta poate fi utilizată pentru limitarea curentului, compensarea temperaturii sau măsurători de temperatură.

Simbolul termistorului NTC

.