Vad är NTC-termistorer?

NTC står för ”Negativ temperaturkoefficient”. NTC-termistorer är motstånd med en negativ temperaturkoefficient, vilket innebär att motståndet minskar med stigande temperatur. De används främst som resistiva temperaturgivare och strömbegränsande anordningar. Temperaturkänslighetskoefficienten är cirka fem gånger större än för kiseltemperaturgivare (silistorer) och cirka tio gånger större än för motståndstemperaturgivare (RTD). NTC-sensorer används vanligtvis inom ett område från -55 °C till 200 °C.

Den icke-linjäritet i förhållandet mellan resistans och temperatur som NTC-motstånd uppvisar utgjorde en stor utmaning när man använde analoga kretsar för att exakt mäta temperatur, men den snabba utvecklingen av digitala kretsar löste detta problem och gjorde det möjligt att beräkna exakta värden genom att interpolera uppslagstabeller eller genom att lösa ekvationer som approximerar en typisk NTC-kurva.

Definition av NTC-termistor

En NTC-termistor är ett termiskt känsligt motstånd vars motstånd uppvisar en stor, exakt och förutsägbar minskning när motståndets kärntemperatur ökar över arbetstemperaturområdet.

Kännetecken för NTC-termistorer

I motsats till RTD:er (Resistance Temperature Detectors), som är tillverkade av metaller, tillverkas NTC-termistorer i allmänhet av keramer eller polymerer. Olika material som används resulterar i olika temperaturrespons, liksom andra egenskaper.

Temperaturrespons

Men även om de flesta NTC-termistorer typiskt sett lämpar sig för användning inom ett temperaturområde mellan -55°C och 200°C, där de ger sina mest exakta avläsningar, finns det speciella familjer av NTC-termistorer som kan användas vid temperaturer som närmar sig den absoluta nollpunkten (-273,15°C), liksom de som är särskilt utformade för användning över 150°C.

Temperaturkänsligheten hos en NTC-sensor uttrycks som ”procentuell förändring per grad C. Beroende på de material som används och produktionsprocessens särdrag varierar de typiska värdena för temperaturkänsligheten mellan -3% och -6% per °C.

Karakteristisk NTC-kurva

Som framgår av figuren har NTC-termistorerna en mycket brantare motståndstemperatursluttning jämfört med RTD:er av platina-legering, vilket översätts till bättre temperaturkänslighet. Trots detta förblir RTD:erna de mest exakta sensorerna med en noggrannhet på ±0,5 % av den uppmätta temperaturen, och de är användbara i temperaturområdet mellan -200 °C och 800 °C, vilket är ett mycket bredare område än för NTC-temperaturgivare.

För jämförelse med andra temperatursensorer

Vid jämförelse med RTD:erna har NTC:erna en mindre storlek, snabbare respons, större motståndskraft mot stötar och vibrationer till en lägre kostnad. De är något mindre exakta än RTD:er. Jämfört med termoelement är precisionen som erhålls från båda likartad, men termoelement tål mycket höga temperaturer (i storleksordningen 600 °C) och används i sådana tillämpningar i stället för NTC-termistorer, där de ibland kallas pyrometrar. Trots detta ger NTC-termistorer större känslighet, stabilitet och noggrannhet än termoelement vid lägre temperaturer och används med mindre extra kretsar och därmed till lägre totalkostnad. Kostnaden sänks dessutom genom att man inte behöver signalkonditioneringskretsar (förstärkare, nivåöversättare etc.) som ofta behövs när man har att göra med RTD:er och alltid behövs för termoelement.

Självuppvärmningseffekt

Självuppvärmningseffekten är ett fenomen som äger rum närhelst det finns en ström som flyter genom NTC-termistorn. Eftersom termistorn i princip är ett motstånd, avger den effekt i form av värme när det flyter en ström genom den. Denna värme genereras i termistorens kärna och påverkar precisionen i mätningarna. I vilken utsträckning detta sker beror på hur mycket ström som flyter, miljön (om det är en vätska eller en gas, om det finns något flöde över NTC-givaren och så vidare), termistorens temperaturkoefficient, termistorens totala yta och så vidare. Det faktum att NTC-sensorns motstånd och därmed strömmen genom den beror på miljön används ofta i detektorer för närvaro av vätska, t.ex. i lagringstankar.

Värmekapacitet

Värmekapaciteten representerar den värmemängd som krävs för att öka termistorens temperatur med 1°C och uttrycks vanligen i mJ/°C. Att känna till den exakta värmekapaciteten är av stor betydelse när man använder en NTC-termistorgivare som en anordning för begränsning av inströmningsströmmen, eftersom den definierar responshastigheten hos NTC-temperaturgivaren.

Väljning och beräkning av kurvan

Den noggranna urvalsprocessen måste ta hand om termistorens dissipationskonstant, termiska tidskonstant, motståndsvärde, kurva för resistans-temperatur och toleranser, för att nämna de viktigaste faktorerna.

Då förhållandet mellan motstånd och temperatur (R-T-kurvan) är mycket olinjärt måste vissa approximationer användas i praktiska systemkonstruktioner.

Första ordningens approximation

En approximation, och den enklaste att använda, är första ordningens approximation som säger följande:

Varvid k är den negativa temperaturkoefficienten, ΔT är temperaturskillnaden och ΔR är den motståndsförändring som följer av temperaturförändringen. Denna första ordningens approximation är endast giltig för ett mycket smalt temperaturområde och kan endast användas för sådana temperaturer där k är nästan konstant över hela temperaturområdet.

Betaformel

En annan ekvation ger tillfredsställande resultat och är noggrann med en noggrannhet på ±1°C över området 0°C till +100°C. Den är beroende av en enda materialkonstant β som kan erhållas genom mätningar. Ekvationen kan skrivas som:

Varvid R(T) är motståndet vid temperaturen T i Kelvin, R(T0) är en referenspunkt vid temperaturen T0. Beta-formeln kräver en tvåpunktskalibrering, och den är vanligtvis inte mer exakt än ±5°C över NTC-termistorens hela användbara område.

Steinhart-Hart-ekvation

Den bästa approximation som hittills är känd är Steinhart-Hart-formeln, som publicerades 1968:

Varvid ln R är den naturliga logaritmen av motståndet vid temperaturen T i Kelvin, och A, B och C är koefficienter som härrör från experimentella mätningar. Dessa koefficienter publiceras vanligtvis av termistorleverantörerna som en del av databladet. Steinhart-Hart-formeln har vanligtvis en noggrannhet på cirka ±0,15 °C i intervallet -50 °C till +150 °C, vilket är tillräckligt för de flesta tillämpningar. Om högre noggrannhet krävs måste temperaturområdet minskas och en noggrannhet på bättre än ±0,01°C över området 0°C till +100°C kan uppnås.

Välja rätt approximation

Valet av den formel som används för att härleda temperaturen från resistansmätningen måste baseras på tillgänglig datorkraft, samt faktiska toleranskrav. I vissa tillämpningar är en approximation av första ordningen mer än tillräcklig, medan i andra tillämpningar inte ens Steinhart-Hart-ekvationen uppfyller kraven, och termistorn måste kalibreras punkt för punkt, vilket innebär att man måste göra ett stort antal mätningar och skapa en uppslagstabell.

Konstruktion och egenskaper hos NTC-termistorer

Material som vanligtvis ingår i tillverkningen av NTC-motstånd är platina, nickel, kobolt, järn och kiseloxider, som används som rena element eller som keramer och polymerer. NTC-termistorer kan klassificeras i tre grupper, beroende på vilken tillverkningsprocess som används.

Pärltermistorer

Dessa NTC-termistorer tillverkas av ledningstrådar av platinalegering som är direkt sintrade i den keramiska kroppen. De ger i allmänhet snabba svarstider, bättre stabilitet och tillåter drift vid högre temperaturer än disk- och chip-NTC-givare, men de är mer ömtåliga. Det är vanligt att man förseglar dem i glas för att skydda dem från mekaniska skador under monteringen och för att förbättra deras mätstabilitet. De typiska storlekarna varierar från 0,075 – 5 mm i diameter.

Skiv- och chiptermistorer

Dessa NTC-termistorer har metalliserade ytkontakter. De är större och har därför långsammare reaktionstider än NTC-motstånd av pärltyp. På grund av sin storlek har de dock en högre dissipationskonstant (effekt som krävs för att höja deras temperatur med 1 °C) och eftersom den effekt som förbrukas av termistorn är proportionell mot kvadraten på strömmen kan de hantera högre strömmar mycket bättre än termistorer av pärltyp. Termistorer av skivtyp tillverkas genom att en blandning av oxidpulver pressas in i en rund form som sedan sintras vid höga temperaturer. Chips tillverkas vanligen genom en bandgjutningsprocess där en slam av material sprids ut som en tjock film, torkas och skärs i form. De typiska storlekarna varierar från 0,25-25 mm i diameter.

Glaskapslade NTC-termistorer

Dessa är NTC-temperatursensorer som är förseglade i en lufttät glasbubbla. De är utformade för användning vid temperaturer över 150 °C eller för montering på kretskort där robusthet är ett krav. Inkapsling av en termistor i glas förbättrar sensorns stabilitet samt skyddar sensorn från miljön. De tillverkas genom att NTC-motstånd av pärltyp hermetiskt försluts i en glasbehållare. De typiska storlekarna varierar från 0,4-10 mm i diameter.

Typiska tillämpningar

NTC-termistorer används i ett brett spektrum av tillämpningar. De används för att mäta temperatur, reglera temperatur och för temperaturkompensation. De kan också användas för att upptäcka avsaknad eller närvaro av en vätska, som strömbegränsande anordningar i strömförsörjningskretsar, temperaturövervakning i fordonstillämpningar och många fler. NTC-sensorer kan delas in i tre grupper, beroende på vilken elektrisk egenskap som utnyttjas i en tillämpning.

Resistans-temperaturkarakteristik

Användningar baserade på resistans-tidskarakteristik omfattar temperaturmätning, styrning och kompensation. Dessa inkluderar även situationer där en NTC-termistor används så att temperaturen hos NTC-temperaturgivaren är relaterad till någon annan fysisk företeelse. Denna grupp av tillämpningar kräver att termistorn fungerar i ett nollkraftstillstånd, vilket innebär att strömmen genom den hålls så låg som möjligt för att undvika uppvärmning av sonden.

Ström-tidskaraktäristik

Användningar baserade på ström-tidskaraktäristik är: tidsfördröjning, begränsning av inrusströmmen, överspänningsundertryckning och många fler. Dessa egenskaper är relaterade till värmekapaciteten och dissipationskonstanten hos den använda NTC-termistorn. Kretsen är vanligtvis beroende av att NTC-termistorn värms upp på grund av den ström som passerar genom den. Vid en viss punkt kommer den att utlösa någon form av förändring i kretsen, beroende på i vilken tillämpning den används.

Spänningsströmkarakteristik

Användningar baserade på spänningsströmkarakteristiken hos en termistor innebär i allmänhet förändringar i miljöförhållandena eller kretsvariationerna som resulterar i förändringar i driftspunkten på en given kurva i kretsen. Beroende på applikationen kan detta användas för strömbegränsning, temperaturkompensation eller temperaturmätning.

NTC-termistorsymbol